Disposiciones sísmicas de diseño y análisis en base a desempeño aplicables a edificaciones de concreto armado
La ingeniería sismo resistente ha seguido un desarrollo importante en los procedimientos de análisis sísmico en los últimos años. Uno de los principales factores que sustentan este desarrollo es la aparición de herramientas computacionales que permiten realizar cálculos más complejos. Sin embargo...
| Autor Principal: | Asmat Garaycochea, Christian Alberto |
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| Formato: | Tesis de Maestría |
| Idioma: | Español |
| Publicado: |
Pontificia Universidad Católica del Perú
2016
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| Materias: | |
| Acceso en línea: |
http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/7297 |
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| Sumario: |
La ingeniería sismo resistente ha seguido un desarrollo importante en los procedimientos de
análisis sísmico en los últimos años. Uno de los principales factores que sustentan este
desarrollo es la aparición de herramientas computacionales que permiten realizar cálculos
más complejos. Sin embargo, a lo largo de este desarrollo, se han presentado sismos de gran
magnitud que nos obligan a cuestionar los métodos empleados y la necesidad de investigar
sobre el comportamiento completo de las estructuras ante sismos severos.
El análisis sísmico comúnmente empleado se basa en un método elástico lineal, en la cual se
amplifican las cargas para llegar a casos de solicitaciones últimas. Por otro lado, el diseño de
elementos de concreto armado (y de muchos otros materiales) se realiza en una etapa de
rotura o de resistencia última. A este procedimiento en conjunto se le conoce como “Diseño
en base a resistencia” o “Diseño por factores de carga y resistencia” (Load and Resistance
Factor Design, LRFD).
Sin embargo, este método de diseño, por basarse en fuerzas, no contempla las fallas
posibles por deformación que se pueden presentar en el comportamiento no lineal de los
componentes de la estructura. Por ejemplo, la influencia de tener un piso blando, el
comportamiento de unas columnas cortas o la capacidad de tener suficiente redundancia en
la estructura son temas que no pueden ser revisados de manera analítica mediante métodos
elásticos. Estas posibles fallas podrían llevar a la estructura a un estado cercano al colapso.
En general, la deficiencia de los métodos en base a fuerzas es la de no poder disponer en la
evaluación el comportamiento de la estructura luego de superar los límites elásticos de los
componentes y de los materiales. Si se pudiese disponer de la historia del comportamiento
inelástico de la estructura, se podría ajustar el diseño con el fin poder proporcionar a la
estructura mayor capacidad, principalmente ante cargas sísmicas. Es por ello que las
diferentes normas internacionales brindan recomendaciones o lineamientos que intentan
evitar fallas o comportamientos no deseados para la estructuras.
Por otro lado, el diseño realizado en la etapa de rotura no establece como requisito
indispensable el cálculo de la ductilidad disponible en los elementos y, mucho menos, la
verificación de la capacidad de la estructura de formar rótulas plásticas sin alcanzar el
colapso bajo las cargas sísmicas. Para estos casos también existen recomendaciones para
proporcionar a los elementos mayor ductilidad y para disponer de rótulas plásticas más
largas, aunque estas hipótesis no podrán ser evaluadas empleando métodos elásticos de
análisis.
Es por ello que los últimos códigos y normas consideran un “Diseño en base a
desplazamiento” o “Diseño en base a desempeño”, los cuales requieren del cálculo de la
ductilidad de los componentes y de la estructura, comparándolos con la ductilidad
demandada por los sismos máximos considerados. Estas exigencias son generalmente aplicadas a edificaciones sumamente importantes o a estructuras con elementos de
disipación de energía, como aisladores o amortiguadores.
Cabe mencionar que, a pesar de no haberse mencionado antes, la rigidez de la estructura
cumple un rol muy importante al mantener la integridad de los elementos no estructurales y
reducir la percepción del movimiento sísmico. Esta rigidez se va degradando conforme la
estructura disipe energía mediante la formación de rótulas plásticas. Es por ello que el
cálculo y la verificación de los desplazamientos y de las derivas en el rango inelástico es una
parte fundamental en el “Diseño en base a desempeño”.
El desempeño exigido para cada estructura puede variar según la funcionalidad y la
importancia que tenga la edificación. Por ejemplo, un hospital, al ser una edificación que
debe mantenerse funcional luego del sismo, debe generar pocas rótulas plásticas en el sismo
severo en relación a las que puede ser capaz de presentar. De tal manera, la estructura
mantiene niveles bajos de daños, la rigidez se degrada en menor medida y es
económicamente reparable. Por otro lado, una edificación menor, como una vivienda, puede
tener mayor pérdida de rigidez y mayor cantidad de rótulas plásticas, pero manteniendo su
estabilidad y evitando el colapso de la estructura.
Por motivos económicos y de funcionalidad, es necesario diferenciar los enfoques de
desempeño exigidos para cada tipo de edificación. Es por ello que el Comité VISION 2000 de
la Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC, 1995) definió niveles de
desempeño sísmico exigidos según la importancia de las edificaciones. En resumen, para estructuras que se encuentran en zonas con alta sismicidad, es necesario
tener un enfoque basado en fuerzas, en deformaciones y en ductilidad para cumplir con el
nivel de desempeño establecido, según sea el caso. Actualmente, existen herramientas que agilizan y simplifican el cálculo considerando
propiedades y métodos no lineales, como el DRAIN-2DX, DRAIN-3DX, PERFORM-3D y
SAP2000. (Inel y Baytan, 2006)
Muchos de los edificios dañados debido a últimos terremotos ocurridos, han sido diseñados
y construidos bajo los principios de diseño sísmico más modernos. Es probable que estos
daños sean producto de la falta de comprensión del comportamiento de los materiales
estructurales bajo cargas dinámicas y el comportamiento inelástico de los diferentes
sistemas estructurales. (Villaverde, 2007).
Se han propuesto diferentes métodos, entre simplificados y complejos, para desarrollar
análisis estáticos y dinámicos no lineales, de los cuales algunos han sido incluidos como
alternativas de análisis en reglamentos y códigos internacionales (Fajfar, 2002). Aun así, es
difícil saber si estas herramientas nos permiten evaluar el desempeño de las estructuras
debido a solicitaciones que producen al colapso. (Villaverde, 2007)
En contraparte de estos nuevos procedimientos que pretenden ser más “exactos”, existe
una enorme participación de variables que no pueden tener la misma precisión que estos
procedimientos. El ejemplo inmediato es la amplificación del movimiento del terreno, pues
es un valor que varía por una gran cantidad de aspectos. Otro ejemplo claro es el
amortiguamiento considerado en la estructura, pues es un parámetro dinámico que también
es dependiente del daño de la estructura.
Es por todo lo mencionado que es necesario estudiar el concepto del comportamiento de las
estructuras antes de sumergirse en la tarea de buscar número “precisos” y “exactos”. En los
siguientes capítulos se describirá la filosofía actual en la ingeniería sismo resistente y los
conceptos necesarios para lograr el comportamiento sísmico requerido de cada estructura. |
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