Por: ANGEL SAN BARTOLOMÉ Profesor Principal PUCP
[email protected]
• Carlos Casabonne (Presidente, SENCICO)
MIEMBROS
• Pablo
DEL
• Marcos
COMITÉ
• Julio Arango (Universidad Ricardo Palma)
TÉCNICO:
• Luis
Medina (Secretario, SENCICO) Rider (UNF Villarreal-Arquitectura)
Vargas (UNI-Ingeniería Civil)
• Gerardo Jáuregui (CAPECO) • Daniel Torrealva (CIP) •Carlos Zavala (CISMID) • Daniel Quiun (PUCP) • Alex Chaparro (UNI-Arq (UNI-Arquitectu uitectura) ra) • Alejandro Garland (CAPECO) • Angel San Bartolomé (PUCP)
Lecciones dejadas por los sismos
Japón
Resultados experimentales
Estudios teóricos
MÉTODO: diseño a la rotura con criterios de desempeño sísmico OBJETIVOS:
sismo moderado
sismo severo
suelo duro 210 gal
suelo duro 400 gal
diseñar al refuerzo para
Σ VR = V
que soporte VR
V = ZUSCP / R
VR
R = 3
γ Irreparable
1/800
1/200
alta densidad Σ VR = V
baja densidad 1/200
V-D. PRIMER PISO
PROGRAMA DE ANÁLISIS INELÁSTICO PASO A PASO
La norma vigente emplea un método de diseño elástico admitiendo que el cortante actuante, para c = 0.16, no debe ser mayor que el cortante admisible, con FS = 2. Norma E-030, c = ZUSC / R = 0.16
à
a = 0.12 g
(para R = 6, Z = 0.4, U = 1, S = 1, C = 2.5) SI OCURRIESE EN EL PERÚ UN SISMO COMO EL DE 1985 EN CHILE, CON a = 0.65 g
0.65g / 0.12g = 5.4 > FS = 2 LOS MUROS FALLARÍAN POR CORTE
ALBAÑILERÍA CONFINADA - FALLA POR CORTE
0.005
C Albañilería confinada adecuadamente diseñada, puede soportar distorsiones hasta de 1/200 (0.005) equivalente a su límite de reparación.
1988
Espécimen Japonés
1/200 (0.005)
PODRÍA PENSARSE QUE REDUCIENDO EL REFUERZO VERTICAL, LA RESISTENCIA A FLEXIÓN DISMINUYE POR DEBAJO DE LA RESISTENCIA A FUERZA CORTANTE, Y, POR LO TANTO, TEÓRICAMENTE, SE INDUCIRÍA A UNA FALLA POR FLEXIÓN. SIN EMBARGO, ...
Chile Perú ALBAÑILERÍA NO REFORZADA, FALLA POR CORTE
En un estado de corte puro, el refuerzo vertical no trabaja.
Albañilería No Reforzada con alta densidad de muros
En estos casos se requiere columnas de arriostre para soportar las acciones sísmicas perpendiculares al plano de la albañilería
POSTE
Ref.Hor.
ALBAÑILERÍA ARMADA - FALLA POR FLEXIÓN
POBLACIÓN CANAL BEAGLE, CHILE, 1985 EDIFICIOS DE 4 Y 5 PISOS, ESTRUCTURADOS CON PLACAS DE CONCRETO ARMADO
fisuras por corte en las placas
FALLA POR FLEXOCOMPRESIÓN CON TRITURACIÓN DE TALONES Y PANDEO DEL REF. VERTICAL
FALLA POR FLEXIÓN QUE DEGEN DEGENERÓ ERÓ EN DESLIZAMIENTO CIZALLANDO AL REFUERZO VERTICAL
Northridge Alaska
PLACAS
DEFECTOS EN EL DISEÑO
DEFECTOS EN LA CONSTRUCCIÓN
segregación
junta lisa
cangrejera empaste
P Chile
FALLA POR DESLIZAMIENTO EN ALBAÑILERÍA ARMADA, CON TRITURACIÓ TRITURACIÓN N EN LOS BORDES LONGITUDINALES POR SISMO ORTOGONAL
FALLA POR DESLIZAMIENTO EN ALBAÑILERÍA ARMADA, CON DISLOQUE POR SISMO ORTOGONAL
Northridge
ENSAYOS EN MUROS ARMADOS CON REF. VERT. DISTRIBUIDO
CONCENTRACIÓN DEL REF. VERT. EN EXTREMOS, SIN REFUERZO EN EL INTERIOR
deslizamiento
corte deslizamiento
MURO CONFINADO, FALLA POR CORTE QUE DEGENERA EN DESLIZAMIENTO
Corte-Fricción
Para este tipo de falla los estribos no trabajan
POTENCIAR LAS COLUMNAS EXTREMAS PARA IMPEDIR EL DESLIZAMIENTO DE LA ALBAÑILERÍA FRAGMENTADA PARA QUE ELLA CONTINUE APORTANDO RESISTENCIA
¡EXAGERACIÓN!
¿PORQUÉ FALLA EL PRIMER PISO SI: VR1 > VR2?
V
h = M/V M=V h
= h/L
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA ESBELTEZ Cuadrado
Alargados
V
V
ESBELTO M1 > M2
Cuadrado o Alargado Esf. Cort. (kg/cm 2)
Esbelto
DISTORSIÓN ANGULAR
ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS DE 15 MUROS CONFINADOS, SUPONIENDO EL MISMO ESFUERZO CORTANTE EN EL PRIMER PISO (τ) V = τ t L à Fi = V (i /Σi)
Fi
V
5 PISOS y 1 PAÑO
3 PISOS y 3 PAÑOS
ESFUERZO DE TRACCIÓN DIAGONAL vs V L / M Primer Piso con τ = V / L t = constante Esbeltos
Cuadrado o Alargado
ENSAYO EN MESA VIBRADORA (PUCP)
Aplastamiento del Talón
Los estribos deben diseñarse para evitar la falla por compresión del núcleo de concreto.
Trituración del
Borde Libre de un muro armado.
borde libre
borde confinado por el muro transversal
Chile, 1985
CONFINAR LA ZONA DONDE σu σu
> 0.3 f´m
= Pu /A + Mu y / I
espiral discreta
Japón
Aún con planchas, para evitar el pandeo de la barra vertical extrema en los Bordes Libres:
Db > s / 13 s = 20 cm -> Db = 5/8” s = 15 cm -> Db = ½” Sólo cuando: σu > 0.3 f´m
s
Técnica constructiva tradicional
1) Congestión de las celdas 2) Dificultad en la compactación del grout
cangrejera
4
5
3
El problema 3, puede resolverse recortando las tapas transversales del bloque, sin grifar al refuerzo.
Refuerzo vertical CONTINUO solo en el primer piso, donde se formará la rótula plástica.
H
Japón Refuerzo vertical continuo en el primer piso
Muro M3
20 cm
2 f 1/2" 2 f 3/8"
bloque invertido en 1ra. hilada
traslapes
30Db 25 cm 60Db 70 cm
Traslapes Alternados (60Db y 90Db) y Espigas de 3/8” de 30 y 50 cm, donde no exista refuerzo vertical.
FLUJO DE CARGAS
Talón triturado
Emplear una cuantía de Ref. Hor. = 0.1% cuando σ > 0.05 f´m
t
Cuantía = 0.1% = As / (s t)
s As
D = 15 mm, σ = 0.09 f´m MV3
MV4
ρ = 0.1%
SIN REF. HOR..
CON REF. HOR.
V (ton)
CON REF.HOR.
MV4
MV3 SIN REF.HOR.
D (mm)
1: ρ = 0%
Refuerzo Horizontal en Muros Armados, incluso sin carga vertical
2: ρ = 0.1%
Carga Axial = 0 rotura diagonal
en el rango elástico el ref. hor. no trabaja
2: ρ = 0.1%
1: ρ = 0%
X
Y
REDUCIR LA CARGA VERTICAL CON LOSAS ARMADAS EN 2 SENTIDOS (ALIGERADA O MACIZA)
Esfuerzo Cortante Admisible Norma E-070 vigente: va = 1.2 + 0.18 fd < 2.7 kg/cm2
Esf. Cort. (kg/cm 2) C
A
B
Tacna
En la Zona 3, no debe emplearse unidades huecas en la construcción de los muros confinados.
Ensayo en Filipinas
Para el caso de los ladrillos de arcilla, el porcentaje de huecos debe ser menor 30% del área bruta.
Las perforaciones favorecen: •cocción interna •engrape mortero-ladrillo •acústica y termicidad
No usar ladrillos panderetas en los muros portantes
VR = 0.35
Adherencia óptima ladrillo-mortero
Falla Escalonada escasa adherencia ladrillo-mortero
PARA MUROS ARMADOS Y CONFINADOS )
1.- REVISI REVISIÓN ÓN DE LA DENSIDAD DENSIDAD MÍNIMA MÍNIMA DE MUROS X, Y
Tacna
placa: t = tp (Ep/Ea)
ESPESOR EFECTIVO “t”
en la Zona 3
Muro muy esbelto se vuelve inestable durante la construcción
Desprendimiento del tarrajeo
malla conectada al muro
2. ANÁLISIS POR CARGA VERTICAL
dintel
< 0.15 f´m
APLASTAMIENTO LOCAL B
F viga b muro
t F / (B t) < 0.375 f´m B = b + 2t + 2t
F
F
t
3t
CASO DE MUROS ARMADOS Revisar el borde libre más solicitado por concentración de esfuerzos, usar la carga no acumulada σ = F / Am = F / (t x 3 t) < 0.375 f´m
3.- ANÁLISIS SÍSMICO ELÁSTICO (SISMO MODERADO R=6) Modelaje Estructural
p=0
Aislamiento de alféizar
P
Aislamiento de Tabiques con discontinuidad vertical.
discontinuidad
3 2 1
Considerar la influencia del proceso constructivo en el modelaje
SECCIÓN REAL SECCIÓN TRANSFORMADA EN ALBAÑILERÍA
X
PLANTA
sismo X o 6t
Influencia de las paredes transversales en la sección transversal
ELEMENTOS FINITOS
albañi. B.R. viga conf.
col.
Verificar: 0.75 R Dr/ h < 1 / 200 Vei < 0.55 VRi
Objetivo: Los dinteles deben servir como disipadores de energía sísmica antes que fallen los muros.
Dintel de albañilería no reforzada
zona de seguridad
Dinteles de albañilería armada. Diseñarlos como una viga de C.A. pero variando f´c à f´m y la disposición del refuerzo.
As fy d
Mu a
bloque U
0.85 f´m
Peraltada Chata
Peraltada Chata
1/800
Chata: d = 20 cm Peraltada: d = 40 cm
peraltada
chata
Chata
Peraltada
Beneficios de Emplear Dintel Peraltado: • Se reduce el tamaño de la cimentación
y el refuerzo respectivo. • Se reduce el refuerzo vertical en
los extremos del muro.
• Se incrementa la resistencia al corte al disminuir los
efectos de esbeltez (M / V L) para acciones coplanares.
• Disminuyen los esfuerzos
de flexocompresión en los talones.
Losa C.A.: t = 15 cm • Aumentan la resistencia
de la losa contra el punzonamiento.
4.-RESISTENCIA A FUERZA CORTANTE “VR = Vm”
5.- DISEÑO ANTE EL SISMO SEVERO (R = 3) a.- Verificar Resistencia Mínima Global en X-X y Y-Y Σ VRi
> VEi
placa
b.- Sí Σ VRi > 3 VEi, usar refuerzo mínimo y finalizar el diseño por carga coplanar.
5.1. Albañilería Confinada Ante el sismo severo, se supone que todos los muros VR1 del primer piso se agrietan diagonalmente, con lo cual, la fuerza cortante Ve1 se amplifica hasta Ve1 alcanzar la resistencia VR1.
i. Verificación del Agrietamiento Diagonal en los Muros de Pisos Superiores (i > 1) En el sismo severo: Vui = Vei (VR1/Ve1) Sí: Vui > VRi à el muro se agrieta y sus confinamientos deberán diseñarse para soportar VRi, en forma similar que el primer piso.
ii. Determinación de las Fuerzas Internas en los Elementos de Confinamiento T = TRACCIÓN C = COMPRESIÓN Vc = FUERZA CORTANTE
T Tracción y Corte-Fricción Simultáneo
compresión
C=T+P
DISEÑO DE LAS COLUMNAS DE CONFINAMIENTO Corte-Fricción
Extremo superior
Tracción
Compresión
Base
a.- DISEÑO POR CORTE-FRICCIÓN y TRACCIÓN COMBINADA f´c > 175 kg/cm2
CONCRETO:
φ = 0.85
µ = 0.8 o 1.0
15 t
ACERO:
mín 4 φ 8 mm
Asf
discontinuas
Ast continuas
Asf
discontinuas
b.- DISEÑO POR COMPRESIÓN (φ = 0.7)
NÚCLEO DE CONCRETO:
Ac > Acf
ESTRIBOS:
s2 > 5 cm
DISPOSICIÓN MÍNIMA DE ESTRIBOS
dintel
solera
Tsolera = Vc = φ As fy = 0.9 As fy
MUROS PERPENDICULARES
Y suma de tracciones
Y
suma de compresiones
DISEÑO DE LOS PISOS SUPERIORES NO AGRIETADOS
>0
φ = 0.9
Vui < VR VRi Mui = Mei VR1/Ve1
F
L
φ = 0.7
F 4 φ 8 mm)
Plano E-01 CIMENTACIÓN Sombrear muros portantes e identificar cols. “Ci” y placas “Pi”
C2
P1
CONEXIÓN COLUMNACIMIENTO
muro de contención
cerco
parapetos
Plano E-02 ENCOFRADO (losa aligerada) Identificar las vigas solera “Vsi”
Plano E-03 COLUMNAS Y PLACAS
Placas
ESTRIBOS CON 1 3/4 DE VUELTA EN COLUMNAS DE POCA DIMENSIÓN (aparejo de soga)
JUNTA A RAS ALBAÑILERÍA-COL. USAR CHICOTES O REF. HORIZONTAL CONTINUO
CONEXIÓN DENTADA
TRASLAPES 45 φ Y FUERA DE LA ZONA CONFINADA POR ESTRIBOS
h/3
h/3
h/3
EVITAR LA CONGESTIÓN DE REFUERZOS EN NUDOS
PERALTE MÍNIMO DE LAS COLS. DE CONFINAMIENTO CUANDO LA SOLERA PIERDE CONTINUIDAD
JUNTAS DE CONSTRUCCIÓN RUGOSAS Y LIMPIAS
Plano E-04 VIGAS
Plano E-05 DETALLES y OTROS ELEMENTOS
5.2. Albañilería Armada AMPLIFICACIÓN DE LOS ESFUERZOS SÍSMICOS ELÁSTICOS
1.25
= Mu, Vu
a.- Verificación de la Flexocompresión en los Bordes Libres σu
= Pu /A + Mu y / I
Pu = 1.25 (PD + PL + Ps)
“PL” incluye al 100% de s/c
borde confinado por muros transversales borde libre
0.3f´m
CONFINAR LA ZONA DONDE: σu
> 0.3 f´m
σu
b.- Cálculo del Factor de Reducción de Resistencia φ para el diseño por Flexión
Pu = 0
à
φ = 0.85
Pu > 0.1 f´m t L = Po
φ = 0.65
à
Para valores intermedios de “Pu”, interpolar: φ = 0.85 – 0.2 Pu / Po
φ
0.85 0.65
Po
Pu
c.- Cálculo del Refuerzo Vertical a Concentrar en Extremos
Mn = As fy D + Pu L / 2 > Mu / φ D = 0.8 L Para hallar “As”, usar Pu = 0.9 PD à φ à As Para hallar “Mn”, usar Pu = 1.25 (P D+PL+Ps) “Mn” se calcula sólo para el primer piso
En el caso que exista paredes transversales, puede aplicarse conservadoramente la fórmula anterior, reduciendo Mu por la acción de la carga tributaria Pt que baja por la pared transversal:
X Pt
Mu – Pt e
e As1
Mu
As2
El muro ortogonal “Y” se diseña en forma similar que el muro “X” y en la zona de intersección se utiliza el mayor de los refuerzos. En la zona central se utiliza ρ = 0.001.
DIAGRAMA DE INTERACCIÓN (opcional)
Obtención de un punto del diagrama de interacción a = 0.85 c Sí es < eyà fs = Es es Sí es > eyà fs = fy
d.- Diseño por Corte Primer Piso: Vn1 = 1.25 Vu1 (Mn1 / Mu1) ...mínimo VR1 Pisos Superiores: Vni = 1.25 Vui (Mn1 / Mu1) ...máximo VRi Vn
D = 0.8 L cuando Me / (Ve L) >1 D = L cuando Me / (Ve L) < 1 s < 45 cm
AISLAMIENTO DEL ALFÉIZAR
CARGA SÍSMICA E-030:
w = 0.8 Z U C1 γ t
El factor 0.8 es para transformar a carga de servicio
VALORES DE “C1” SEGÚN LA NORMA E-030: C1 (cercos) = 0.6 C1 (parapetos y tabique externos) = 1.3 C1 (tabiques internos y muros portantes) = 0.9
PESOS VOLUMÉTRICOS DE LA ALBAÑILERÍA: Arcilla o Si-Ca: 1800 kg/m3 Bloques de concreto parcialmente llenos: 2000 kg/m3 Bloques de concreto totalmente llenos: 2300 kg/m3
solera
CARGAS SOBRE LOS ARRIOSTRES
Amplificar por 1.25 COLUMNA DE CONFINAMIENTO ACTUANDO COMO ARRIOSTRE (no sumar Ac, As con los valores obtenidos como confinamiento)
MOMENTO FLECTOR Y CARGA AXIAL EN LA ALBAÑILERÍA POR UNIDAD DE LONGITUD
s
w = 0.8 Z U C1 γ t s
VALORES DE “m” SEGÚN LA NORMA E-070
b
L F a
Caso 2
M
Caso 5 F=½Lhw M=Fz Ms = M / D
h
fachada
M1
e
CARGA AXIAL EXCÉNTRICA POR CAMBIO DE ESPESOR DEL MURO
peso propio + acabados + sobrecarga LOSA gran giro muro externo
giro pequeño muro interno
EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA LOSA SOBRE LA ÚLTIMA HILADA EN MUROS DEL PERÍMETRO
M2
La carga proveniente de los muros superiores no es excéntrica porque el mortero aploma al muro.
M = Ms + M1 + M2
espesor
Compresión: Flexión:
El objetivo de diseñar elásticamente al muro portante, es evitar que las acciones transversales lo debiliten, ya que en simultáneo actúan las acciones coplanares.
DISEÑO: fm –fa < 1.5 kg/cm2 (albañilería simple) fm – fa < 3 kg/cm2 (alba. armada rellena con grout)
¿Qué ocurre cuando el muro está agrietado por corte y sometido a sismo perpendicular al plano?
Muros Confinados sujetos a carga coplanar. Distorsión 1/100
arriostre
Muros anteriores sujetos ahora a carga sísmica perpendicular al plano. Ensayo en mesa vibradora.
LOS MUROS CONFINADOS QUE PRESENTAN: 1) h / t < 20 2) σ < 0.15 f´m 3) L < 2 h NO NECESITAN DISEÑARSE POR CARGA SÍSMICA PERPENDICULAR AL PLANO LOS MUROS CONFINADOS EN APAREJO DE SOGA, EN ESTADO ELÁSTICO, TIENEN: f (L = h) = 100 Hz f (L = 2 h) = 20 Hz f (sismos peruanos en suelo duro) = 3 Hz Y SU AMORTIGUAMIENTO CRECE DESPUÉS DE AGRIETARSE DE 5% a 12%
escalera
ACCIÓN CONCENTRADA ORTOGONAL AL PLANO
DISEÑO DE CERCOS, PARAPETOS y TABIQUES ANTE SISMOS TRANSVERSALES AL PLANO tímpano de una nave industrial
cerco
sismo
Analizar a los arriostres como si fuese una parrilla
MOQUEGUA, 2001
Estadio Picasso Perata Ica. Sismo de Nazca, 1996 platina
Volcamiento de parapetos en Ica. Sismo de Nazca, 1996.
M = m a2 w w = 0.8 Z U C1 γ t
ESPESOR MÍNIMO
t = 0.8 U m s a2
para muros no portantes que carecen de refuerzo interno
CIMENTACIÓN DE CERCOS profundizarlas como postes para que se desarrolle empuje pasivo MR / Mvolcante > 2 HR / Hdesliz. > 1.5
Pi = γ i Ai Hi = 0.8 Z U C1 Pi
w = 0.8 Z U C1 B γ t
B
As fy = 0.85 f´m a B àa
wu = 1.25 w B
Los tabiques se utilizan como separadores de ambientes en los edificios aporticados. Son de albañilería por sus buenas propiedades térmicas, acústicas, resistentes e incombustibles.
LOS TABIQUES SE CONSTRUYEN DESPUÉS DE HABERSE DESENCOFRADO LA ESTRUCTURA APORTICADA Incorrecto
Interfase Concreto-Albañilería es débil
MODELO
=D/4
MODELO MATEMÁTICO
calle
EDIFICIO UBICADO EN ESQUINA: TORSIÓN
CR
MÉXICO-1985 EDIFICIO APORTICADO QUE ERA SIMÉTRICO
PISO BLANDO Primer piso: Cocheras, Tiendas Pisos superiores: Vivienda
CR
Piso Blando y Torsión
PROBLEMA P-∆
∆
P
1 2 POPAYÁN, COLOMBIA, 1983 (t = 19 segundos)
Popayán, 1983
VOLCAMIENTO DE TABIQUES SUELTOS
Tacna, 2001
dentada
Reforzamiento de tabiques existentes empleando malla electrosoldada
Lima
POSTE
México-1985
Chile-1985
COLUMNAS CORTAS
NAZCA-1996
corta
larga
REFORZAMIENTO DE LOCALES ESCOLARES EXISTENTES. Experimento PUCP-SENCICO larga
larga
alféizar
corta (95%)
larga
Hacer que todas sean cortas y que c/u tome el 25% de V
resina epóxica
Sismo
MÓDULO REFORZADO ENSAYADO EN MESA VIBRADORA
Empuje de ventana sobre el tabique producido por aplastamiento de la columna corta. El problema no fue el arriostramiento
MÉXICO-1985 Muchos edificios no colapsaron, gracias a los tabiques de albañilería
Arriostres Diagonales
Arriostres Convencionales
falla
PANELES DRYWALL
EDIFICIO CON TABIQUES DRYWALL
e = 0.007 h
AISLAMIENTO DE TABIQUES
guías para evitar el volcamiento
Aplastamiento del tecnopor
Las guías deben separse del tabique para permitir el desplazamiento del pórtico
vigueta tecnopor viga de amarre
tabique
Pésimo intento de aislamiento
PLACAS DE CONCRETO PARA ATENUAR LA INTERACCIÓN
serpentín
FIBRABLOCK
Ensayo en Mesa Vibradora: 1.-Pórtico sólo 2.-Pórtico con Fibrablock 3.-Pórtico con Albañilería
sismo leve
SISMO LEVE EN LOS TRES CASOS
-20
-5
0
5
20
COEFICIENTE SÍSMICO vs. DESPLAZAMIENTO LATERAL (ensayo en mesa vibradora)
1.- TRACCIÓN DIAGONAL
2.- CIZALLE
3.-APLASTAMIENTO
