REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA SAN CRISTÓBAL – ESTADO TÁCHIRA
San Cristóbal, Noviembre 2014.
Introducción
Los efectos dinámicos siempre son factor influyente en el diseño estructural motivado a que estas cargas siempre ejercerán sobre la estructura una carga aplicada de forma variable, dependiendo de la situación y posición de la misma se estudiara cada caso individualmente no comprometiendo a una con la otra ( se estudiara los efectos dinámicos tanto del viento como del sismo), los efectos sísmicos siempre estarán presentes debido a que nuestra estructura estará cimentada sobre suelo con capacidades portantes cada una diferente dependiendo de la zona sísmica donde nos encontremos ubicados. El corte basal es uno de los principales problemas que se pueden suscitar en nuestra estructura posterior a un efecto sísmico motivado al movimiento de masas o placas tectónicas, por ello de la notable importancia del mismo. Si bien nos enfocamos en su esbeltez es mucho más importante la condición sismo-resistente de nuestra estructura, es una mutación de factores en estudio que a la hora del diseño debemos tener muy presente
CARGAS DE SISMO El sismo es una liberación súbita de energía en las capas interiores de la corteza terrestre que produce un movimiento ondulatorio del terreno. Este movimiento ondulatorio se traduce en una aceleración inducida a la estructura que contando esta con su propia masa y conociendo la 2 da ley de Newton se convierte en una fuerza inercial sobre la estructura. Es inercial porque depende directamente nte de la masa de la est estructur ctura a somet metida al sismo. Como mencionamos la magnitud de esta fuerza depende de la masa de la edificación y de la aceleración correspondiente de la estructura. La aceleración de la estructura (es decir la respuesta de esta a una perturbación en la base) depende a su vez de su rigidez y de la magnitud y frecuencia de la aceleración del terreno. La masa y la rigidez determinan el periodo de vibración de la estructura que para una aceleración del terreno produce una aceleración de vibración en ella. Por medio de un espectro de diseño (grafica de aceleración del terreno vs. Periodo de vibración de la estructura) se determina la aceleración de diseño para la estructura y por medio de la ecuación de la segunda Ley de Newton, , encontramos una fuerza estática equivalente al sismo. La fuerza total sísmica en la base de la estructura se conoce como cortante basal. V = cortante basal fuerza total en la base El cortante basal se puede determinar por métodos aproximados utilizando la siguiente ecuación derivada de la segunda Ley de Newton: V = W.Sa donde Sa es un coeficiente sísmico (adimensional) que representa la aceleración con que responde la edificación a un movimiento de su base. Se expresa como una fracción de la gravedad y depende de la estructura analizada y de la zona donde se encuentre localizada. En Medellín podríamos decir en forma generalizada que este coeficiente tiene un valor de 0,5 para una vivienda de un piso.
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE FUERZAS SÍSMICAS ESTÁTICAS CORTANTE BASAL DE DISEÑO El cortante basal total de diseño V, a nivel de cargas últimas, que será aplicado a una estructura en una dirección especificada, se determinará mediante las expresiones.
I = factor de importancia W = carga reactiva Sa = aceleración espectral correspondiente al espectro de respuesta elástico para diseño R = Factor de reducción de respuesta estructural, ΦP,ΦE = Factores de configuración estructural en planta y en elev ación, TIPO DE USO, DESTINO E IMPORTANCIA DE LA ESTRUCTURA. COEFICIENTE I La estructura a construirse se clasificará en una de las categorías que se establecen en la Tabla 2.9, y se adoptará el correspondiente factor de importancia I El propósito del factor I es incrementar la demanda sísmica de diseño para estructuras, que por sus características de utilización o de importancia deben permanecer operativas o sufrir menores daños durante y después de la ocurrencia del sismo de diseño. Tabla 2.9. Tipo de uso, destino e importancia de la estructura.
CARGA SÍSMICA REACTIVA W La carga sísmica W representa la carga reactiva por sismo y es igual a la carga muerta total de la estructura más un 25% de la carga viva de piso. En el caso de estructuras de bodegas o de almacenaje, W se calcula como la carga muerta más un 50% de la carga viva de piso. ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO EN ACELERACIONES El espectro de respuesta elástico de aceleraciones expresado como fracción de la aceleración dela gravedad Sa, para el nivel del sismo de diseño, consistente con el factor de zona sísmica Z, el tipo de suelo del sitio de emplazamiento de la estructura y considerando los valores de los coeficiente de amplificación o de amplificación de suelo Dicho espectro, que obedece a una fracción de amortiguamiento respecto al crítico de 0.05, se obtiene mediante las siguientes ecuaciones, válidas para periodos de vibración estructural T pertenecientes a 2 rangos.
donde r=1, para tipo de suelo A, B o C y r=1.5, para tipo de suelo D o E. Asimismo, de los análisis de las ordenadas de los espectros de peligro uniforme en roca para el 10% de probabilidad de excedencia en 50 años (Periodo de retorno 475 años) proporcionados en la sección 2.5.3 y ,normalizándolos para la aceleración máxima en el terreno, Z, se definieron los valores de la relación de amplificación espectral, (Sa/Z, en roca), que varían dependiendo de la región. No obstante, para los perfiles de suelo tipo D y E, los valores de TL se limitarán a un valor máximo de 4 segundos. Para análisis dinámico y, únicamente para evaluar la respuesta de los modos de vibración diferentes al modo fundamental, el valor de Sa debe evaluarse mediante la siguiente expresión, para valores de periodo de vibración menores a T0
FACTOR DE REDUCCIÓN DE RESISTENCIA SÍSMICA El factor R se escogerá de la Tabla 2.14, tomándose el menor de los valores para los casos en los cuales el sistema resistente estructural resulte en una combinación de varios sistemas como los descritos en la Tabla 2.14. El valor de R podrá aplicarse en el cálculo del cortante basal, siempre y cuando la estructura sea diseñada cumpliendo con todos los requisitos de diseño sismo-resistente acordes con la filosofía de diseño Tabla 2.14. Coeficiente de reducción de respuesta estructural.
FUERZA DE CORTANTE BASAL Usando la teoría de dinámica estructural podemos expresar la acción sísmica sustituida por una carga estática como Fuerza Cortante Cortante en la Base (Vo), definida de la siguiente manera.
Donde:
Ad: Ordenada del espectro de diseño para el período fundamental de la estructura (Aceleración). = 1.1 m/seg Wtotal: Peso total de la edificación por encima del nivel de base. = 255.8 Ton µ: Mayor de los valores dados por:
Donde N: Número de niveles. T: Período fundamental = 0.335 T*: Período máximo en el intervalo donde los espectros normalizados normalizados tienen un valor constante. constante. (Suponiendo que T = T* por ser edificación ón de solo 4niveles
Distribución Vertical de la Fuerza Cortante Basal Las fuerzas laterales de diseño en cada nivel y para cada dirección de análisis se obtienen distribuyendo verticalmente la Fuerza Cortante Basal Vo.
Siendo, Ft una fuerza lateral concentrada en el último nivel del edificio, acotada entre los límites 0,04 Vo y 0,10 Vo calculada como.
La fuerza lateral correspondiente a cada nivel i, se obtienen considerando sólo el efecto del primer modo de vibración adoptando una distribución lineal, donde los modos superiores se incluyen distribuyendo estas fuerzas en mayor proporción hacia los pisos superiores, tal como.
La combinación de los efectos en ambas direcciones ortogonales se hace de acuerdo con lo que establece la Norma COVENIN 1756-2001, es decir, los efectos de las fuerzas laterales están combinados en el análisis de la estructura, como100% de los efectos de la componente que actué en una dirección y 30% de los efectos en la dirección ortogonal a ella. El punto donde actúa la fuerza sísmica en cada nivel i de la estructura se le denomina centro de masa, ver Fig.2.9 y se determina con el centroide de las masas tributarias de cada nivel, como
Donde,Wj: Peso de cada elemento del nivel i (losa, muros y dinteles)xGi, yGi: Coordenadas del centroide de cada elemento al sistema de ejes de referencia.Wi: Peso del nivel i
El punto donde actúa el cortante sísmico en cada nivel i de la estructura se le denomina centro de cortante, en el cual se generan los efectos equivalentes acumulados de traslación y torsión, ver Fig.2.9 y se determina como
Recomendaciones Las cargas de servicio que deben soportar las bases son las impuestas por la súper-estructura y comprenden las gravitacionales que actúan en la columna, (cargas muertas y sobre cargas móviles), el peso propio de la columna y la base, las cargas transmitidas por las vigas de riostra y las losas de sótano, así como el peso de la tierra que cubre la base. Si además el análisis comprende la consideración de cargas de viento o sismo, se debe sumar su efecto a las anteriores, (pero no en forma simultanea el viento y el sismo). En zona sísmica se permite adoptar esfuerzos admisibles incrementados en un 33% para el suelo de fundación, al tomar en cuenta estas cargas. En todos los casos, se deben realizar todas las combinaciones posibles de las cargas que actúan directa o indirectamente sobre cada base y seleccionar el caso más desfavorable. El criterio a aplicar en el análisis siguiente: 1-. Tomar la combinación de cargas más desfavorable, excluyendo el sismo, y verificar que no se supere el suelo de la fundación el valor del esfuerzo admisible. 2-. Tomar la combinación de cargas más desfavorable, incluyendo das de sismo, y verificar que no se supere en el suelo de fundación el valor del esfuerzo admisible incrementado en un 33%. Adicionalmente las bases pueden soportar cargas de impacto o cíclicas, como ocurre por ejemplo en bases de rampas, puentes grúa, o estribos de puentes, y en cimientos de máquinas. En muros de contención, actúan así mismo cargas laterales, debidas a empujes de masas de suelo materiales granulares o líquidos contenidos, por lo cual deben verificarse a deslizamiento y volcamiento. Debe tratarse de que la resultante de las cargas exteriores se halle aplicada en el baricentro de la base en planta. Cuando esto no sea posible, la base es excéntrica y la distribución de los esfuerzos en el plano de contacto con el suelo de fundación se determina según lo indicado en referencia. Para cualquier combinación de las cargas gravitacionales, toda la base no puede superar el 25% de la superficie total de contacto en planta, con el suelo de la fundación.
Conclusión
El diseño sismo-resistente en cualquier calculo estructural siempre debe estar basado sobre las fundaciones de esta, siempre debemos tener en cuenta que al momento de cimentar las fundaciones debemos realizar con carácter de calidad la composición del suelo sobre el cual haremos las fundaciones de la estructura diseñada, motivado a que estos datos nos darán una información calificada de cómo debemos trabajar en este suelo. Se recomendara siempre que se vaya a fundar una zapata sobre la rasante de la fundación primero colocar de 10 a 15cm de concreto pobre para que la zapata este sobre una base más firme a la que nos pueda brindar la corteza natural de la socavación donde cimentaremos. Siempre estará presente la norma covenin en cualquier criterio de diseño ya que son el estándar de calidad en la industria de la construcción en este caso, el criterio se basara en la esbeltez y diseño estructural regido por la norma covenin ya que esta nos dirá específicamente como trabajar sobre nuestra estructura. El corte basal estará siempre influenciado directamente por los efectos dinámicos y las cargas horizontales que se le aplicaran a la estructura, siempre será por efectos dinámicos que puedan sufrir roturas las bases fundacionales de la estructura en diseño por eso siempre debemos tener en cuenta cualquier efecto que sobre esta pueda tener cualquier tipo de influencia.
