EVALUACIÓN DE LOS EFECTOS DE INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA SOBRE LAS PROPIEDADES DINÁMICAS DE EDIFICACIONES REGULARES
Seminario UCV, Junio 2004
CONTENIDO PRESENTACIÓN • INTRODUCCIÓN – PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA – JUSTIFICACIÓN e IMPORTANCIA IMPORTANCIA EFECTOS ISE
• ASPECTOS ME METODOLÓGICOS – MODELOS EMPLEADOS – EVALUACIÓN PARAMÉTRICA
• RESULTADOS – INFLUENCIA DE LOS PRINCIPALES PARÁMETROS PARÁMETROS – CUANTIFICACIÓN DE LOS EFECTOS EFECTOS ISE.
• CONC CONCLU LUSI SION ONE ES y RECO RECOM MENDA ENDACI CION ONE ES
INTRODUCCIÓN RESPUESTA DEL SISTEMA
PROPIEDADES DINÁMICAS
ESTRUCTURA
SISTEMA DE FUNDACIONES
MEDIO DE FUNDACIÓN
MODELO REPRESENTATIVO EFECTOS DE INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA
SISTEMA SUELO-ESTRUCTURA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
MEDIO RÍGIDO "EMPOTRAMIENTO"
CARACTERÍSTICAS ISE vTn = vo + hθ + vn
DEFORMACIÓN ESTRUCTURAL
h
θ
vo
COMPONENTES DEL MOVIMIENTO COMO CUERPO RÍGIDO
• PRESENCIA DE COMPONENTES TRASLACIONALES Y ROTACIONALES DE LA BASE. • RADIACIÓN DE ONDAS EN EL MEDIO DE FUNDACIÓN
RESPUESTA SÍSMICA
INTERFASE SUELO-ESTRUCTURA CAMPO LIBRE
POSIBLES ENFOQUES: • MODIFICAR EL MOVIMIENTO DEL TERRENO A CAMPO LIBRE DEBIDO A LA PRESENCIA DE LA EDIFICACIÓN Y EVALUAR LA RESPUESTA ESTRUCTURAL AL MOVIMIENTO MODIFICADO. • MODIFICAR LAS PROPIEDADES DINÁMICAS DE LA ESTRUCTURA Y EVALUAR LA RESPUESTA DE LA ESTRUCTURA MODIFICADA AL MOVIMIENTO DEL TERRENO A CAMPO LIBRE.
PRINCIPALES EFECTOS ISE • MODIFICACIÓN DE LAS FRECUENCIAS Y FORMAS MODALES DE VIBRACIÓN – FLEXIBILIZACIÓN DEL MEDIO DE FUNDACIÓN Y POR TANTO DEL SISTEMA
• MODIFICACIÓN DE LA CAPACIDAD DE AMORTIGUAMIENTO TOTAL o EFECTIVA DEL SISTEMA – PARTE SUSTANCIAL DE LA ENERGÍA SE DISIPA EN EL MEDIO DE FUNDACIÓN MEDIANTE RADIACIÓN DE ONDAS (AMORT. GEOMÉTRICO) Y POR LA ACCIÓN HISTERÉTICA DEL MATERIAL (AMORT. HISTERÉTICO)
ALCANCE DEL ESTUDIO EDIFICACIONES REGULARES
• LA RESPUESTA DINÁMICA DE LA EDIFICACIÓN ESTÁ ESENCIALMENTE GOBERNADA POR EL MODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN. • LOS EFECTOS DE INTERACCIÓN CINEMÁTICA SON RELATIVAMENTE MENOS IMPORTANTES QUE LOS EFECTOS DE INTERACCIÓN INERCIAL. PROPIEDADES DINÁMICAS FUNDAMENTALES
DEL SISTEMA SON: • PERÍODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN • FRACCIÓN DE AMORTIGUAMIENTO CRÍTICO • FORMA MODAL DE VIBRACIÓN
ASPECTOS METODOLÓGICOS EFECTOS ISE EDIFICACIONES IDEALES
- IDENTIFICACIÓN DE PRINCIPALES PARÁMETROS - EVALUACIÓN DE SU INFLUENCIA SOBRE EFECTOS ISE - CALIBRACIÓN DE MÉTODOS ANÁLISIS - METODOLOGÍA SIMPLIFICADA
EDIFICACIONES "REALES"
- EXTENSIÓN DE LOS RESULTADOS Y APLICABILIDAD DE CONCLUSIONES - CALIBRACIÓN DE MÉTODOS ANÁLISIS - FLEXIBILIDAD BASE - EXTENSIÓN OTROS SISTEMAS DE FUNDACIONES
EXTENSIÓN A OTROS MEDIOS Y SISTEMAS DE FUNDACIÓN - INFLUENCIA DEL MEDIO DE FUNDACIÓN - INFLUENCIA DEL SIST. DE FUNDACIONES - EXTENSIÓN A OTROS SISTEMAS Y MEDIOS DE FUNDACIÓN
MODELO: EDIFICACIONES IDEALES m N ,J N he
K N-1 m j ,J j
he
K j-1 m3 ,J3
h
he
K 2 m2 ,J2
he
h j
K 1 m1 ,J1
he
K 0
ξi = 5 %
m0 ,J0
r o MEDIO DE FUNDACION: γs Vs ν D
• OSCILADOR ELÁSTICO LINEAL VISCOSAMENTE AMORTIGUADO • SEMI-ESPACIO HOMOGÉNEO (SEH) ISOTRÓPICO, VISCOELÁSTICO, LINEAL. • PLACA CIRCULAR RÍGIDA • SISTEMA N+2 G.D.L. • FUNCIONES DE IMPEDANCIA DINÁMICA K (ω) • MATRICES: Mo - Co(ω) - Ko(ω) • SISTEMA DE COORDENADAS: ACOPLAMIENTO SOLO Mo • “MÉTODO ANÁLISIS MODAL”
IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES DINÁMICAS
PROPUESTA J. BIELAK
• ELEMENTOS DEPENDIENTES DE LA FRECUENCIA EN LA MATRIZ DE RIGIDEZ Ko(ω) NO VARÍAN SIGNIFICATIVAMENTE CON LA FRECUENCIA ω EN EL RANGO DE INTERÉS Y POR TANTO, PUEDEN SER APROXIMADOS POR VALORES CONSTANTES ASOCIADOS A LA FRECUENCIA FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN DEL SISTEMA.
~ ~1 ) X Ko( ω j
= ω~ j 2 Mo X~ j
• EL AMORTIGUAMIENTO DEL SISTEMA SE EXPRESA COMO LA SUMA PONDERADA DEL AMORT. ESRUCTURAL, MÁS UN TÉRMINO ADICIONAL QUE REPRESENTA LA ENERGÍA DISIPADA POR EL MEDIO DE FUNDACIÓN (AMORT. GEOMÉTRICO e HISTERÉTICO) --- EXPRESIÓN DERIVADA DEL MÉTODO DE ANÁLISIS MODAL---
~ξ = N β ξ + µ = ξ + ξ ∑ kj j j est o j k =1
EVALUACIÓN PARAMÉTRICA E D I F I C A C I Ó N
• • • • • • •
Número de niveles, N Altura entrepiso, hi Altura Total, h = N hi Radio edificación, r Carga unidad área, w Período s/base rígida, T Amort. Estructura, ξ
M E D I O
• • • • •
Base: Radio r o - mo,Jo Peso específico, γs Coeficiente Poisson, ν Velocidad onda corte Vs Amort. Suelo, D
RELACIONES PREDEFINIDAS: h : 1− 2 − 3− 4 − 5 r 0.10 N ... Ed. Flexible T 0.061 h3/4 . Ed. Rígido Promedio .. Ed Intermedio
Wi = π r 2 w
K K k = o [ N ( N + 1) − k (k + 1)] 2
4π 2 Wi K o = g T2
0.33 granulares γ s Vs 2 ν 0.45 cohesivos G= g 100 m/seg ...muy blandos m/seg ...blandos Vs 150 300 m/seg ...intermedios 600 m/seg ...duros 0.0 ... Bajos (elástico) D = f(γc) 0.2 ... Intermedio 0.4 ... Altos
RESULTADOS •
• • •
•
PRINCIPALES PARÁMETROS: PARÁMETRO DE RIGIDEZ RELATIVA: φ = h Vs T RELACIÓN ESBELTEZ: h/r RELACIÓN RADIOS: R= r o/r PARÁMETRO DE PESOS w ESPECÍFICOS: µ= hi γs FACTOR AMORTIGUAM. HISTERÉTICO SUELO: D
CUANTIFICACIÓN EFECTOS ISE: ¤ EL MODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN ES EL MÁS INFLUENCIADO POR LOS EFECTOS ISE
• RELACIÓN DE PERÍODOS: ~ /T T
• FRACCIÓN DE AMORT. CRÍTICO: ~ξ
INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS ~ /T T
~ξ
OBS.
AUMENTA
VARIABLE
GENERALMENTE AUMENTA
DISMINUYE
POCA INFLUENCIA
AUMENTA
PARÁMETRO ADIMENSIONAL VARIA ENTRE 0.0 y 0.5 - FÁCIL EVALUACIÓN IDENTIFICA CASOS INTERÉS PRÁCTICO: φ < 0.10 ...EFECTOS ISE DESPRECIABLES CONDICIONA EL TIPO DE INTERACCIÓN QUE PREVALECE: h/r ALTO ... INTERACCIÓN ROTACIONAL h/r BAJO ... INTERACCIÓN TRASLACIONAL INFLUENCIA PRINCIPALMENTE EL AMORTIGUAMIENTO HISTERÉTICO
INCREMENTO DEL PARÁMETRO:
φ=
h Vs T h r D r o r
DISMINUYE
AUMENTA
w hi γs
AUMENTA
POCA INFLUENCIA
POCA INFLUENCIA
POCA INFLUENCIA
R =
µ=
(1)
ν
GRADO DE RIGIDEZ RELATIVA DEL SISTEMA DE FUNDACIONES. R BAJO...SIST. FUNDACIONES MAS FLEXIBLE PARÁMETRO ADIMENSIONAL – POCA VARIACIÓN 0.10 a 0.25 [0.15 TÍPICO]
--(1) AUMENTO DE:
0.05 ξest = ~ 3 (T T )
ξ o = ξGEO + ξ HIST
~ξ = ξ + ξ est o
~T T
DISMINUYE
= f (T~ T , h / r , R , D) AUMENTA
h/r
---
DISMINUYE
DISMINUYE
R
---
AUMENTA
AUMENTA
AUMENTA
AUMENTA
D
DEPENDE DE h/r
FORMAS MODALES DE VIBRACIÓN g e s/
m 0 0 1
o
=
T1 =0.399seg
T2 =0.149seg
T3 =0.088seg
T 4 =0.070seg
T5 =0.058seg
T6 =0.045seg
T1 =0.319seg
T2 =0.120seg
T3 =0.077seg
T 4 =0.059seg
T5 =0.053seg
T6 =0.045seg
T1 =0.267seg
T2 =0.106seg
T3 =0.067seg
T 4 =0.049seg
T5 =0.037seg
T6 =0.027seg
T1 =0.254seg
T2 =0.103seg
T3 =0.066seg
T 4 =0.048seg
T5 =0.021seg
T6 =0.013seg
T1 =0.250seg
T2 =0.102seg
T3 =0.065seg
T 4 =0.047seg
8 4. 0 =
s
V
g e /s
m 0 5 1 =
o
2 3. 0 =
s
V
g e s/
m 0 0 3
o
=
6 1. 0 =
s
V
g e /s
m 0 0 6 =
o
8 0. 0 =
s
V
ID GÍ R E S A B
A 0 o
L A E N I L
4 Niveles (h/r = 1) Edificio Rígido (T = 0.25 seg.) Medio Elástico (D = 0.0) R=1
ANALOGÍA OSCILADOR 1 GDL. • MODELO APROXIMADO:
M1
H1
– DESPRECIAN EFECTOS INERCIALES DE LA BASE. – DESPRECIAN TÉRMINOS ACOPLADOS DE LAS FUNCIONES DE IMPEDANCIA. ~ =ω ~ ~1 ) X ~ 12 Mo X Ko( ω 1 1
K 1 C1
• MODELO SIMPLIFICADO:
m0 ,J0
– RIGIDECES ESTÁTICAS EN LUGAR DE LOS COEFICIENTES DE RIGIDEZ EQUIVALENTES DERIVADOS DE K (ω)
r o MEDIO DE FUNDACION: γs Vs ν D
3 3 2 ⎛ w ⎞ ⎟⎟ α = π (1 − ν)X 1X 2 ⎜⎜ 2 ⎝ h i γ s ⎠
⎛ h ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ r ⎠
⎛ r ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ r θ ⎠
⎛ w ⎞ ⎛ r ⎞ ⎛ r ⎞ 1 ⎟⎟ ⎜ ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ β = π 3 ( 2 − ν) X 1 ⎜⎜ 2 ⎝ h i γ s ⎠ ⎝ h ⎠ ⎝ r x ⎠
~ T = 1 + ( α + β)φ 2 T
3
W X 1 = 1 W H X2 = 1 h
8 G r θ 3 K θ = 3 (1 − ν) 8 G r x K x = 2−ν
φ=
h Vs T
MODELO: EDIFICACIONES “REALES” m N , J N
Iv N
q N
m j , J j
Iv j
q j
m3 , J3
Iv3
q 3
• LÍNEA RESISTENTE CENTRAL DE UN EDIFICIO REGULAR (Ed. CORTE) • NIVEL BASE TRANSVERSALMENTE RÍGIDO. • SE DESPRECIA INTERFERENCIA ENTRE FUNDACIONES (ACTÚAN COMO UNIDADES INDEPENDIENTES) SISTEMA N+2 G.D.L. REDUCCIÓN DE COORDENADAS: NC
m2 , J2
Iv2
q 2
K vv ( ω) = ∑ K jxx ( ω) j=1
m1 , J1
Iv1
q 1 q N+2
mo, Jo
q N+1
Iv oo
NC
K θθ (ω) = ∑ [K jθθ (ω) + K jyy (ω) x j2 ] j=1
NC
xi
K vθ (ω) = ∑ K jxθ (ω) j=1
(Idem Cij)
RESULTADOS • RATIFICAN EFECTOS ISE SOBRE EDIFICACIONES REALES Y LA INFLUENCIA DE LOS PRINCIPALES PARÁMETROS QUE GOBIERNAN LA RESPUESTA. • SE COMPRUEBA QUE EL MODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN ES EL MÁS INFLUENCIADO POR ISE. • SE COMPRUEBA LA APLICABILIDAD DE LOS MODELOS APROXIMADOS Y SIMPLIFICADO PARA ESTIMAR EFECTOS ISE s/EDIFICACIONES “REALES” En particular: (MODELO SIMPLIFICADO) NC
K x = ∑ K
j x
j=1
NC
K θ = ∑ (K jθ + K jy x j2 ) j=1
( 2 − ν) K x r x = 8G 3(1 − ν) K θ r θ = 8G
αyβ
3
~ /T T
MODELO ALTERNATIVO • RECONOCE LA FLEXIBILIDAD q TRANSVERSAL (VERTICAL) DE LA EDIFICACIÓN. • CONCENTRACIÓN MASAS EN NODOS. FACTOR DE RIGIDIZACIÓN k q 2NC+1+i•
(EFECTOS SOBRERIGIDIZACIÓN VERTICAL AJENOS A ESTRUCTURA)
q
q NC+1
q NC+2
kIv2
q 2NC+1+2
kIv1
q 2NC+1+1
q NC+j kIv0
q 2NC
x j
q 2NC+1
DESVIACIÓN RELACIÓN PERÍODOS TBF / TBR
Aumento de: h/r φ k
TBF/TBR DISMINUYE AUMENTA DISMINUYE
INFLUENCIA OTROS FACTORES MEDIO DE FUNDACIÓN
• • • • • • •
CARACTERIZACIÓN DEL MEDIO. PRESENCIA BASAMENTO ROCOSO. DEPÓSITOS ESTRATIFICADOS DEFINICIÓN DEPÓSITO EQUIVALENTE EFECTO DE LA NO HOMOGENEIDAD EFECTO DE LA NO LINEALIDAD EFECTO DE LA ANISOTROPÍA
• FUNDACIONES SUPERFICIALES: – EFECTO DEL EMBEBIDO o CONFINAMIENTO.
SISTEMA DE • FUNDACIONES PROFUNDAS: – EFECTO DE LA INSTALACIÓN FUNDACIONES – FLEXIBILIDAD DE PILOTES (L>lc) – GRUPO DE PILOTES (FACTORES DE
EXTENSIÓN EVALUACIONES (USO DEL MÉTODO SIMPLIFICADO) • ESQUEMAS DE FUNDACIONES: – – – – – –
LOSA SUPERFICIAL FUNDACIONES CONTÍNUAS ZAPATAS AISLADAS LOSA EMBEBIDA D/r=0.25 PILOTES SIMPLES GRUPO DE PILOTES - REF.
(LOSA SUP.) (TIRAS) (ZAPATAS) (CAJÓN) ((OTROS: 0.50 - 1.00)) (PILOTES) (GRUPO PIL.) ((12 CASOS))
• MEDIOS DE FUNDACIÓN: – – – – –
SEMI-ESPACIO HOMOGÉNEO ESTRATO HOMOGÉNEO H/r=2 ESTRATO HOMOGÉNEO H/r=1 ESTRATO NO HOMOG. n=0.5 ESTRATO NO HOMOG. n=1.0
(SEH) ((*)) (EH1) ((*)) (EH2) (ENH-P) (ENH-L)
CONCLUSIONES (1/2) • RATIFICAR PRINCIPALES EFECTOS ISE Y SU INFLUENCIA SOBRE LAS PROPIEDADES DINÁMICAS FUNDAMENTALES. • PRINCIPALES PARÁMETROS ISE: φ - h/r - R - µ - D • RELACIÓN DE PERÍODOS DEPENDE PRINCIPALMENTE φ • EFECTOS ISE CARECEN DE INTERÉS PRÁCTICO φ < 0.10 • TIPO DE INTERACCIÓN QUE PREVALECE DEPENDE h/r. (PUEDE SER MODIFICADO POR LA RIGIDEZ RELATIVA DE LAS FUNDACIONES)
• AMORTIGUAMIENTO DEPENDE DEL TIPO DE INTERACCIÓN SISTEMA DE FUNDACIONES Y DEL FACTOR D. • VALIDEZ MODELOS APROXIMADOS Y SIMPLIFICADOS • ACOTAR LA APLICABILIDAD DE MODELOS UTILIZADOS • EDIF. REGULARES PREVALECE INTERACCIÓN INERCIAL • IMPORTANCIA DE UNA APROPIADA CARACTERIZACIÓN DEL MEDIO DE FUNDACIÓN (COMPATIBLES c)
CONCLUSIONES (2/2) • FUNCIONES DE IMPEDANCIA K (ω) DESCRIBEN EL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LAS FUNDACIONES. • ISE INCLUYEN COMPONENTES DE TRASLACIÓN Y ROTACIÓN DE LA BASE, AUMENTAN DESPLAZAMIENTOS TOTALES, REDUCIENDO LAS DERIVAS ENTREPISO. • ISE GENERALMENTE CONDUCEN A REDUCCIÓN DEL CORTANTE BASAL, SALVO EXCEPCIONES. (EDIFICACIONES MUY RÍGIDAS - MEDIOS ALTA PLASTICIDAD)
• EFECTO EMBEBIDO: INCREMENTAR LA RIGIDEZ ESTÁTICA Y LA CAPACIDAD DISIPAR ENERGÍA POR RADIACIÓN. • SUSTRATO RÍGIDO: INCREMENTAR LA RIGIDEZ ESTÁTICA, OSCILACIONES K (ω), REDUCE AMORT. GEOMÉTRICO f < f 1 • DESTACAR LAS CONNOTACIONES PRÁCTICAS DE CADA OBSERVACIÓN --- LINEAMIENTOS BÁSICOS
RECOMENDACIONES • CALIBRAR K (ω) CON OBSERVACIONES REALIZADAS • DESARROLLOS ANALÍTICOS Y EXPERIMENTALES SOBRE COMPORTAMIENTO DINÁMICO SISTEMAS FUNDACIÓN (LOSAS FLEXIBLES, GRUPOS DE PILOTES, DISTRIBUCION DE ESFUERZOS)
• INCENTIVAR EJECUCIÓN DE ESTUDIOS ESPECÍFICOS QUE PERMITAN UNA MEJOR CARACTERIZACIÓN MEDIO. • INFLUENCIA DE INTERACCIÓN ENTRE FUNDACIONES CERCANAS O ADYACENTES. • EFECTOS DE INTERACCIÓN ESTRUCTURA-SUELOESTRUCTURA. • EFECTOS DE INTERACCIÓN CINEMÁTICA • INCORPORAR LAS CONSIDERACIONES DE ISE EN LOS CÓDIGOS DE DISEÑO----INCENTIVO AL DESARROLLO DE EDIFICACIONES REGULARES.
