ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL Y DESEMPEÑO ESTRUCTURAL
SEMINARIO
ING. SLAWKO BASIL BONDARENKO HERNANDEZ
INSTRUCTOR
Ingeniero Civil Egresado de la Universidad de Carabobo. Especialista en Ingeniería Estructural de la Universidad “Católica Andrés Bello” B ello”.. Profesor de Pregrado de la Universidad de Carabobo, Jefe de la Cátedra de Estructuras. Con más de 5 años de experiencia dictando las asignaturas: Introducción al Análisis Estructural, Estructuras I, Estructuras II, Estructuras Avanzadas; Concreto Armado II y Proyectos Estructurales de Concreto Armado.
Ing. Slawko Bondarenko C.I.V.: 240844
Coordinador de Proyectos de “Construcciones y Mantenimientos ENKO 1306”, con experiencia en el desarrollo de Proyectos Estructurales en Concreto Armado, y Proyectos de Obras Civiles en general.
CONTENIDO Modulo 1: Análisis No Lineal Conceptos básicos del análisis
estructural. estructural.
Definición del análisis no lineal. Tipos de Análisis no lineal. Descripción
del Análisis Estático No Lineal
(Pushover) Utilización
del análisis estático no lineal.
Parámetros
estructurales necesarios para la elaboración de un análisis estático no lineal. (Ductilidad de vigas y de columnas, definición de rotulas plásticas).
Ejemplos
de aplicación de análisis estático no lineal con el método Pushover a través del software
Modulo 2: Desempeño Sísmico Definición
de desempeño sísmico y el por qué de su determinación. determinación. Parámetros estructurales que influyen en el desempeño sísmico de las estructuras. estructuras. Métodos para la determinación del punto de desempeño sísmico de las estructuras. Método del espectro capacidad ATC-40 y Método de los Coeficientes de Desplazamiento FEMA 440. Determinación de la capacidad estructural a través de la ductilidad real de la estructura.
CONTENIDO Modulo 3: Verificación del Desempeño Sísmico Desarrollo
del procedimiento para la verificación del desempeño sísmico de edificaciones.
Ejemplos
prácticos de la determinación del desempeño sísmico de estructuras mediante el uso de ETABS y SAP2000. Se contemplara la influencia de la mampostería en las edificaciones y se evaluaran edificaciones edificaciones con irregularidades.
Modulo 2: Evaluación y Adecuación Sísmica Descripción
de procedimientos para la evaluación sísmica de estructuras nuevas o existentes según la norma ASCE/SEI 41-13.
Ejemplos
reales de evaluación sísmica usando ETABS y SAP2000. Desarrollo
del procedimiento para la rehabilitación y adecuación sísmica de edificaciones establecido en la norma ASCE/SEI 41-13.
Planteamiento
para posible mejoramiento sísmico de edificaciones reales. Aplicado en ETABS.
INTRODUCCIÓN La ingeniería Estructural es el Arte de utilizar materiales , que tienen propiedades que sólo pueden ser estimadas, para construir estructuras reales , que sólo pueden ser analizadas aproximadamente , que soportan fuerzas , que no son conocidas con precisión . De manera que la responsabilidad con el publico sea satisfecha. La Ingeniería estructural requiere la aplicación del criterio del ingeniero para producir un sistema estructural que satisfaga de manera adecuada las necesidades del cliente o propietario.
INTRODUCCIÓN Propósitos del Ingeniero Estructural: Economía Seguridad Funcionalidad Estética
Objetivos Técnicos: Resistencia Rigidez Ductilidad
INTRODUCCIÓN ¿Has oído hablar de la “Ley de los 5” ó Ley de Sitter?
Si tomas medidas en el ámbito del diseño del proyecto, con el objeto de aumentar la durabilidad de la estructura eso implica un costo que podemos asociar a 1.
Si empiezas a construir y ahora quieres modificar el proyecto, para lograr el mismo grado de durabilidad, eso te cuesta 5 veces más que si lo fueras previsto durante la etapa de diseño. Si ya la edificación está en uso y ahora quieres hacer mantenimiento para garantizar el mismo grado de durabilidad y protección, eso cuesta 25 veces mas que si lo fueras previsto durante la etapa de diseño. Si no tomaste medidas en la etapa inicial construiste y ahora la estructura presenta patologías y quieres arreglar para garantizar el mismo grado de durabilidad y protección considerada en un buen
INTRODUCCIÓN ¿Qué es una estructura? Es un sistema compuesto por miembros finitos unidos entre si mediante un número finito de juntas, concebido como una organización de cuerpos dispuestos en el espacio; capaz de resistir y transmitir los esfuerzos generados debido a cargas resultantes de su uso y de su peso propio
INTRODUCCIÓN ¿Qué es el Análisis Estructural? Es el procedimiento mediante el cual es posible obtener la respuesta de un sistema estructural ante un estado específico de cargas.
TIPOS DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL
ANÁLISIS ESTÁTICO:
ANÁLISIS ESTÁTICO LINEAL
Es el estudio de la respuesta estructural ante la acción de cargas estáticas
ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL
ANÁLISIS DINÁMICO:
ANÁLISIS DINÁMICO LINEAL
Es el estudio de la respuesta estructural ante la acción de cargas dinámicas.
ANÁLISIS DINÁMICO NO LINEAL
INTRODUCCIÓN
ANÁLISIS ESTÁTICO:
ANÁLISIS ESTÁTICO LINEAL
Es el estudio de la respuesta estructural ante la acción de cargas estáticas
ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL
ANÁLISIS DINÁMICO: Es el estudio de la respuesta estructural ante la acción de cargas dinámicas.
ANÁLISIS DINÁMICO LINEAL ANÁLISIS DINÁMICO NO LINEAL
Curva Esfuerzo deformación deformación
INTRODUCCIÓN ANÁLISIS LINEAL El análisis lineal consiste en la obtención de las respuestas estructurales considerando que las propiedades de los materiales cumplen con la ley de Hooke, es decir que los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones y por tanto existe una relación entre los mismos. Además también considera que los desplazamientos son pequeños y pueden ser despreciadas las fuerzas inducidas producto de estas, y por ende es valido el principio de superposición de efectos. No existe ningún material o elemento que sea 100% lineal, ya que todos, luego de cierta magnitud de esfuerzo o deformación comienzan a incursionar en la zona no lineal o fallan inmediatamente, mas las hipótesis del análisis lineal son validas siempre que logremos limitar limitar los esfuerzos y deformaciones a un nivel que no supere ese limite de proporcionalidad de material o estructura.
INTRODUCCIÓN MÉTODOS DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL Existen diversos métodos de análisis estructural basados en las hipótesis de linealidad, entre estos destacan el MÉTODO DE LOS LOS DESPLAZAMIENTOS , el MÉTODO DE LAS FUERZAS Y el MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS. MÉTODO DE LAS FUERZAS
MÉTODO DE LOS DESPLAZAMIENTOS
Se basa en la teoría de la FLEXIBILIDAD
Se basa en la teoría de la RIGIDEZ
FLEXIBILIDAD RIGIDEZ Relación de DESPLAZAMIENTOS VS Relación de FUERZA VS FUERZA DESPLAZAMIENTOS Representa el desplazamiento generado Representa la fuerza generada debido a un por una fuerza unitaria Desplazamiento unitario
Sistema Q-q
Ecuación de compatibilidad = ×
Ecuación de compatibilidad = ×
Las incógnitas son las FUERZAS
Las incógnitas son las DESPLAZAMIENTOS DESPLAZAMIENTOS
INTRODUCCIÓN MÉTODOS DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS: Es un procedimiento numérico, consiste en dividir el recinto del problema en varios subrecintos de dimensiones finitas . El método de los elementos finitos se puede aplicar en todos los campos de la física. Se desarrollo originalmente al análisis de esfuerzos. esfuerzos.
INTRODUCCIÓN ANÁLISIS NO LINEAL El análisis no lineal tiene el mismo objetivo del análisis lineal, solo que considera la situación mas cercana a la realidad tomando en cuenta el comportamiento mas real posible de los materiales y de la estructura en general. El análisis no lineal representa un problema mas complejo que el análisis lineal, por lo cual para lograr una solución aceptable debe ser abordado desde diferentes procedimientos.
Q=Kx Q=Kxq En el análisis lineal K y Q son independientes de q
Q=K(q)x Q=K(q)xq
Q(q)=Kx Q(q)=Kxq
En el análisis no lineal K=K(q) depende de q (No linealidad del material y/o Q=Q(q) depende de de q (No linealidad geometrica) geometrica)
INTRODUCCIÓN ANÁLISIS NO LINEAL El comportamiento lineal de una estructura es limitado. No linealidad Geométrica Geométrica
No linealidad del Material Material
INTRODUCCIÓN TIPOS DE ACCIONES Como se vio anteriormente, el análisis estructural también se clasifica según los tipos de acciones a las cuales este sometida una estructura. Las acciones o cargas se clasifican en estáticas y dinámicas. Conociendo como estáticas todas aquellas cargas cuya variación en el tiempo no produzcan grandes aceleraciones al sistema sistema y que por lo tanto las fuerzas inerciales inerciales a producir sean despreciables. En el mismo orden, las acciones dinámicas son estas que debido a su velocidad de variación generan grandes aceleraciones al sistema, produciendo que las fuerzas inerciales inducidas no puedan ser despreciadas. Carga Estática
Carga Dinamica
INTRODUCCIÓN ACCIONES DINÁMICAS Equipos que puedan rotar o desplazarse periódicamente
Impacto entre dos masas
Impacto entre dos masas
INTRODUCCIÓN ACCIONES DINÁMICAS Variación de las presiones ejercidas por el viento
Variación hidráulico
del
empuje
Vibraciones del terreno producto de un terremoto o sismo.
DISEÑO ESTRUCTURAL ¿Qué es el Diseño Estructural? Es el proceso de Dimensionar y detallar los elementos y uniones que componen a una estructura con el fin que sean capaces de obtener un comportamiento adecuado ante un sistema especifico de cargas. Este comportamiento debe coincidir con las hipótesis realizadas durante el análisis estructural. La Ingeniería Estructural contempla tanto el Análisis como el Diseño, y suele ser un proceso iterativo. El diseño no solo consiste en proporcionar una sección estructural u obtener esfuerzos seguros. Algunos de los aspectos igualmente importantes de un diseño exitoso son la economía global y la facilidad de construcción. En efecto, un análisis complejo se hace inútil si los cálculos no se pueden traducir a estructuras exitosas.
DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES El diseño estructural de edificaciones se basa en la definición, detallado y dibujo de los elementos que conformaran el sistema estructural de la edificación, en función de sus dimensiones, materiales y forma constructiva. Asegurando que estos soportaran todas las acciones externas a las que estarán sometidos a lo largo de su vida útil . En diversos casos es importante determinar cual será el material constructivo mas favorable para la realización de un proyecto, por esto el ingeniero estructural debe conocer todas las ventajas y desventajas de uno u otro material: con base a esto tomara la decisión mas factibles. Para cumplir con este propósito el ingeniero debe conocer los tipos de acciones a las cuales podrá estar sometida una edificación, además debe saber determinar las magnitudes estimadas de estas. Cada país cuenta con diversas normativas normativas para para asegurar que todos todos los proyectos proyectos que se realicen cuenten con los mismos parámetros.
DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES
DISEÑO SISMORRESISTENTE El objetivo de una estructura no es sólo resistir y distribuir las fuerzas verticales que actúan sobre ella, también debe resistir las fuerzas horizontales. horizontales. Para esto se debe proveer un sistema capaz de transferir y transmitir estas fuerzas sin producir fallas y además proporcionar un correcto comportamiento.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Como ya sabemos, uno de los eventos que puede afectar a una edificación son los terremotos ó sismos, estos producen movimientos en la base de la edificación, generando fuerzas inerciales horizontales en el sistema estructural, la definición y calculo de las acciones que el movimiento sísmico aporta a una estructura es una de las variables mas importante en la ingeniería estructural. El objetivo del ingeniero estructural en el diseño sismorresistente es: Proteger
la vida Humana Evitar el colapso de las estructuras Reducir los daños en las edificaciones
DISEÑO SISMORRESISTENTE Para cumplir con los objetivos del diseño sismorresistente, debemos conocer los siguientes conceptos: Sismo La Real Academia Española (RAE, 2017) define a los sismos como una sacudida violenta de la corteza y manto terrestres, ocasionados por fuerzas que actúan en su interior. Proviene del griego σεισμός (seismós), su equivalente en latín terraemōtus, que significan “movimientos de tierra”. En general, suelen utilizarse los términos “sismo”, “seísmo” o “terremoto” indiferentemente para referirse al mismo evento, al igual que “temblor” o “movimiento telúrico”.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Origen de los Sismos (Teoría de Tectónica de Placas) En 1912, Alfred Wegener formuló la Teoría de la Deriva Continental, o movimiento de las masas continentales, basándose en la similitud de las costas de ambos lados del Atlántico, específicamente de América del Sur y África, y la presencia de fósiles en común. Pero fue en la década de 1960 cuando Harry Hess, hace importantes aportes con su propuesta Expansión de los Fondos Oceánicos, que ayudaría a entender mejor la teoría de Wegener, fusionándose en la Teoría de Tectónica de Placas. Según esta teoría, la corteza terrestre, está compuesta por al menos una docena de placas rígidas. Estos movimientos son llamados tectónicos (del griego τεκτονικός “que construye”) y son los responsables de la aparición de montañas, volcanes, formación de plegamientos,
DISEÑO SISMORRESISTENTE Localización de los sismos El punto interior de la tierra donde se origina el sismo se denomina Foco Sísmico o Hipocentro, el punto de la superficie que se halla directamente en la vertical del hipocentro, (es el primer afectado por las ondas producto de la sacudida) recibe el nombre de Epicentro; donde repercute con mayor intensidad el movimiento.
DISEÑO SISMORRESISTENTE ESCALAS DE MEDICIÓN DE UN SISMO Intensidad Es la violencia con que se siente un sismo en diversos puntos de la zona afectada. Es una medición subjetiva, basada en la observación de los efectos o daños producidos por el temblor en las construcciones, objetos, terrenos y el impacto que provoca en las personas. La Escala de Intensidad más utilizada en el hemisferio occidental es la Mercalli Modificada (MM), que es cerrada y tiene doce grados expresados en números romanos (desde el I al XII). Intensidad de Mercalli
DISEÑO SISMORRESISTENTE ESCALAS DE MEDICIÓN DE UN SISMO Magnitud Es la energía real liberada en el foco del sismo. Se trata de una medida absoluta de la energía del temblor o terremoto expresada en movimiento o aceleración de las partículas del suelo. Se mide con instrumentos, es decir, es una valoración objetiva, instrumental del sismo y se usa en este caso la escala de Richter, cuyos grados representan cantidades progresivamente multiplicadas de energía. Esta escala no tiene límite superior ni inferior Ml: Magnitud Local
Magnitud de momento sísmico
Ms: Magnitud por Ondas Superficiales
DISEÑO SISMORRESISTENTE Riesgo Sísmico La palabra “riesgo” proviene del antiguo término “riesco” (risco), por lo que la RAE (2017) la define como “la proximidad a un daño”, interpretándose un nivel de riesgo mayor a medida que la distancia de un punto límite o borde que separa del precipicio se hace menor. Muñoz (1989), menciona que en la literatura clásica existían distintos vocablos y definiciones para el riesgo sísmico que inducían a la confusión, por lo que la UNESCO propuso en 1980, relacionar todos los aspectos del problema mediante la expresión:
Riesgo
Peligrosidad
Vulnerabilida d
Valor Económico
DISEÑO SISMORRESISTENTE Riesgo Sísmico
Riesgo
Peligrosidad
Vulnerabilidad
Valor Económico
Donde: La
peligrosidad es la parte probabilística del problema relacionada con los terremotos, y que debe ser determinada por los sismólogos,
La
vulnerabilidad debe ser evaluada por los ingenieros debido a las diferentes respuestas de una estructura estructura en particular a la ocurrencia de diferentes diferentes sucesos sísmicos,
DISEÑO SISMORRESISTENTE Amenaza Sísmica (Peligro Sísmico o Peligrosidad) Se conoce como Amenaza Sísmica, a un término técnico mediante el cual se caracteriza numéricamente la probabilidad estadística de la ocurrencia (o excedencia) de cierta intensidad sísmica (o aceleración del suelo) en un determinado sitio, durante un período de tiempo. Esta puede calcularse a nivel regional y a nivel local, para lo cual se deben considerar los parámetros de fuentes sismogénicas, así como también los registros de eventos sísmicos ocurridos en cada zona fuente y la atenuación del movimiento del terreno. Cada país tiene su propio mapa de riesgo sísmico, donde se evidencia la posible ocurrencia de un sismo y la máxima aceleración esperada en dicho lugar.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Amenaza Sísmica (Peligro Sísmico o Peligrosidad) Para definir la peligrosidad sísmica, también es importante evaluar el efecto que tendrá el tipo de suelo en la cuantificación del movimiento generado por un sismo. Las ondas de vibración producidas por un movimiento sísmico, se propagan por el suelo donde se apoyan los edificios en formas diferentes, según el tipo de terreno de fundación. En efecto, las vibraciones sueles ser más notables en suelos blandos que en aquellos duros o rocosos, debido a que la vibración se amplifica o atenúa en función del período fundamental del material que forma el suelo.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Vulnerabilidad Sísmica Es la propiedad de una estructura, o un grupo de estructuras en un sitio de tener un comportamiento adecuado ante un evento sísmico de la magnitud esperada según la amenaza sísmica del sitio. Una estructura vulnerable será aquella que durante un evento telúrico genere fallas frágiles, la ocurrencia de esto dependerá de tanto la calidad de los materiales de construcción, como la configuración de los elementos resistentes a sismos, y de la calidad en la ejecución de la obra. El comportamiento adecuado de una estructura (poco o no vulnerable) es mediante la generación de mecanismos de falla dúctil, que permitan un aviso a los ocupantes que dicha estructura está sufriendo daños y que estos puedan desocupar la misma.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Vulnerabilidad Sísmica
DISEÑO SISMORRESISTENTE Filosofía del Diseño Sismorresistente El principio básico del diseño de edificaciones sismorresistentes ha sido proveer a las estructuras la capacidad de soportar el intenso movimiento del suelo sin colapsar, pero sujetas a daño estructural significativo. Para lograr este objetivo los códigos normativos instan a usar configuraciones arquitectónicas, sistemas estructurales, materiales y detalles capaces de desarrollar ductilidad. Una estructura se dice que se comporta de una manera dúctil si es capaz de soportar grandes deformaciones inelásticas sin degradación significativa en su resistencia, y sin desarrollar la inestabilidad que le ocasione el colapso. Las fuerzas de diseño especificadas por los códigos normativos de construcción para sistemas estructurales están
DISEÑO SISMORRESISTENTE Ductilidad: La ductilidad se puede definir como la propiedad de los materiales de experimentar deformaciones sin llegar a producir perdida apreciable de la rigidez y resistencia ante la acción de una carga cíclica. Un elemento estructural dúctil es aquel que ha sido diseñado intencionalmente para admitir deformaciones inelásticas, sin que esto implique una degradación significativa de su resistencia y rigidez. Por ejemplo, al nivel de una sección solicitada a flexión, la denominada ductilidad local se puede obtener mediante un diagrama de momento curvatura, siendo está el cociente entre el valor de la curvatura última y el de la curvatura asociada a la primera plastificación plastificación de la armadura traccionada.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Las vigas de concreto pueden llegar a presentar gran ductilidad si son prevista del suficiente acero tanto longitudinal como transversal, observándose que al incrementar el acero transversal en la zona de mayor esfuerzo el concreto comienza a tener un incremento en su capacidad de deformación debido a que se logra confinar mismo. Por esta razón es tan importante lograr realizar un correcto detallado de los elementos que conforman el sistema estructural de una edificación sismorresistente.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Filosofía del Diseño Sismorresistente Ante un sismo se debe evitar el colapso de las estructuras y reducir los daños estructurales en la medida de lo posible considerando en el análisis el comportamiento inelástico de los elementos estructurales cuando se les somete a los efectos de fuertes terremotos terremotos sobre la base, permitiendo que en la edificación se produzcan daños irreparables, pero que no comprometan la estabilidad de la misma. Para lograr este objetivo es necesario diseñar edificaciones dúctiles que sean capaces de desarrollar mecanismos de disipación de energía, sin comprometer la estabilidad de esta. Se busca propiciar la formación de rótulas plásticas en ciertas partes de las estructuras, con la finalidad de producir mecanismos de falla ideales considerados estables ya que disipan energía inelástica sin que se generen fallas no deseadas que pongan en riesgo la estabilidad estructural y seguridad de la edificación. Particularmente en el caso de estructuras aporticadas, el diseño apunta a favorecer la formación de rótulas plásticas en los extremos de las vigas como mecanismo de disipación de energía y evitar la formación de rótulas plásticas en las columnas, dado que esta última situación podría llegar a
DISEÑO SISMORRESISTENTE Articulación o Rótula Plástica: Una zona de cedencia cuya formación se inicia en una sección de un miembro estructural cuando en ésta se excede el momento de cedencia de la sección y por lo tanto se obtiene altos niveles de deformación sin un incremento notable de la carga es lo que se conoce como rótula o articulación plástica. En tal estado, la sección rota como si estuviera articulada, excepto que permanece sometida al momento de agotamiento.
DISEÑO SISMORRESISTENTE
DISEÑO SISMORRESISTENTE FUERZA SÍSMICA Como ya se dijo, la cuantificación de las fuerzas que se producen debido a un sismo, es parte fundamental fundamental de la ingeniería ingeniería estructural. estructural. Estas se determinan determinan mediante mediante el análisis dinámico dinámico de estructuras. Dinámica de Estructuras: Comprende el análisis y la búsqueda de la respuesta de una estructura, cuando se somete a cargas de naturaleza dinámica. El análisis de estas estructuras posee un nivel más alto de complejidad además supone que las masas se encuentran concentradas en puntos discretos de la estructura. Este problema depende de muchos factores, en los cuales influencia directamente la naturaleza de la carga, a continuación se muestra una tabla que indica la respuesta de la estructura ante diferentes tipos de excitaciones, como explosiones sismos, viento entre otros.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DINÁMICA Aunque exista un problema dinámico las leyes de la física siguen siendo aplicables, por lo tanto las ecuaciones de equilibrio siguen siendo validas, gracias a esto y conociendo las fuerzas que se producen en un sistema al estar en movimiento, se puede determinar la llamada ecuación de movimiento, la cual es una ecuación diferencial de segundo orden, cuya solución define la ecuación de los desplazamientos de la estructura en estudio.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DINÁMICA La solución de la ecuación de movimiento va a depender de varios factores. 1. De la cantid cantidad ad de de Gra Grados dos de liber libertad tad.. 2. De Dell tip tipo o de de Vib Vibrració ación. n. 3. De Dell tip tipo o de de fue fuerz rzaa ex excita citado dora ra Sistemas de 1 GDL dinámicos Las edificaciones son sistemas que poseen mas de 1 grado de libertad dinámico, mas es importante comprender comprender los sistemas de 1 GDLD debido a que parte de sus conceptos son utilizados utilizados en los sistemas de n GDLD y además el desarrollo de los espectros de respuestas son realizados con la definición de sistemas de 1 GDLD. Los espectros de respuesta son la base fundamental para el análisis dinámico debido a sismos.
DISEÑO SISMORRESISTENTE ESPECTRO DE RESPUESTA Los espectros de respuesta son representaciones representaciones graficas de las máximas aceleraciones aceleraciones de un oscilador de 1 grado grado de libertad producidas por una aceleración en el terreno, en función de el periodo de vibración del oscilador. Este espectro se utiliza para determinar las fuerzas en una edificación
DISEÑO SISMORRESISTENTE ESPECTRO DE RESPUEST RESPUESTA A Una apreciación aproximada de la respuesta sísmica de una estructura se tiene al estudiar un modelo simple que es un sistema de una grado de libertad, constituido por una masa concentrada y un elemento resistente con cierta rigidez lateral y cierto amortiguamiento. Este sistema se caracteriza por su periodo natural de vibración. La amplitud de su respuesta depende esencialmente de la relación entre el periodo del sistema y el periodo dominante del movimiento. Luego de evaluar los espectros para varios sismos, de diferentes magnitudes y duración, se pueden definir espectros parametrisados, parametrisados, los cuales son introducidos en las normas de diseño sismorresistente para poder determinar determinar las fuerzas sísmicas.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DINÁMICA Sistemas de n GDL dinámicos Las estructuras no siempre pueden ser descritas como por un modelo de un grado de libertad, y en general, tienen que ser representadas por modelos de varios grados de libertad. En realidad, las estructuras son modelos continuos, y como tales, poseen un número infinito de grados de libertad. Los métodos analíticos existentes que describen el comportamiento dinámico de las estructuras continuas, son bastante complejos, debido a que requieren análisis matemático matemático considerable, como la solución de ecuaciones diferenciales diferenciales parciales y además son aplicables solo en estructuras reales simples. Las ecuaciones de movimiento para estructura de n GDLD son sistemas de ecuaciones diferenciales cuya solución es bastante compleja y además también depende del tipo de carga; existen varios métodos para la solución de estas, entre ellos el mas utilizado es el método de superposición modal.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DINÁMICA Sistemas de n GDL dinámicos Las estructuras no siempre pueden ser descritas como por un modelo de un grado de libertad, y en general, tienen que ser representadas por modelos de varios grados de libertad. En realidad, las estructuras son modelos continuos, y como tales, poseen un número infinito de grados de libertad. Los métodos analíticos existentes que describen el comportamiento dinámico de las estructuras continuas, son bastante complejos, debido a que requieren análisis matemático matemático considerable, como la solución de ecuaciones diferenciales diferenciales parciales y además son aplicables solo en estructuras reales simples. Las ecuaciones de movimiento para estructura de n GDLD son sistemas de ecuaciones diferenciales cuya solución es bastante compleja y además también depende del tipo de carga; existen varios métodos para la solución de estas, entre ellos el mas utilizado es el método de superposición modal.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DINÁMICA Método de Superposición Modal Consiste en convertir un problema dinámico de n GDL a n problemas de 1 GDL, esto a través de los denominados modos de vibración, siendo estos las posibles formas que tendrá la estructura de vibrar.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DINÁMICA Análisis Modal Espectral (Análisis Sísmico)
DISEÑO SISMORRESISTENTE FACTOR DE REDUCCIÓN REDU CCIÓN DE RESPUEST RESPUESTA A La filosofía de las normas sismorresistentes aceptan daños en los elementos estructurales, garantizando la prevención del colapso (formación de rótulas plásticas en sitios seguros). El aceptar daños, no es mas que liberar la energía permitiendo que los miembros estructurales se agrieten y disminuyan su rigidez y capacidad para resistir cargas. Factor que divide las ordenadas del espectro de respuesta elástica para obtener el espectro de diseño. Este factor dependerá de la capacidad de ductilidad que tenga la estructura, el cual se puede ver modificado si existiese alguna irregularidad estructural. estructural.
DISEÑO SISMORRESISTENTE IRREGULARIDADES
DISEÑO SISMORRESISTENTE
DISEÑO SISMORRESISTENTE
DISEÑO SISMORRESISTENTE
DISEÑO SISMORRESISTENTE ANÁLISIS EST ESTÁ ÁTICO NO LINEAL El diseñar estructuras que permanezcan elásticas bajo grandes movimientos sísmicos es muy costoso y se considera poco realista. Los métodos de análisis no lineales se clasifican en dos grupos bastante definidos: análisis dinámicos no lineales y análisis estáticos no lineales. Para el análisis dinámico, se utiliza el Análisis Dinámico Cronológico No Lineal, el cual permite conocer la variación de cualquier respuesta de la edificación (desplazamiento de piso, derivas, fuerza cortante, etc.) en el tiempo. Para los análisis estáticos, éstos se realizan mediante la aplicación del Análisis Estático No Lineal (AENL) también llamado Pushover. A pesar de tener ciertas limitaciones desde el punto de vista metodológico, pues los resultados no son muy exactos, es el procedimiento de mayor aceptación y uso. Dentro de las limitaciones del Pushover se encuentra que este análisis solo tiene en cuenta el aporte del primer modo de vibración, el cual representa un sentido en la dirección de la fuerza símica. Asimismo, un aspecto importante en la aplicación de esta metodología es la construcción construcción de la curva de capacidad de la edificación.
DISEÑO SISMORRESISTENTE ANÁLISIS EST ESTÁ ÁTICO NO LINEAL Definición: El análisis estático no lineal de carga incremental, mejor conocido como Pushover muy práctica para encontrar la respuesta sísmica de una estructura, en lugar de un análisis no lineal dinámico que sería lo más adecuado, pero que a la vez es bastante bastante complejo. El análisis no lineal estático, es un gran avance en comparación con la forma de análisis actual que utiliza la teoría lineal. En este contexto el análisis estático no lineal es un paso intermedio entre el análisis elástico lineal y el análisis no lineal dinámico. Dentro del análisis no lineal estático lo que más se utiliza es la Técnica de Pushover para encontrar la curva de capacidad descarga descarga de las estructuras bajo demandas sísmicas.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Pushover: Consiste en llevar al colapso la estructura ya diseñada, de la cual se conoce su armado; esto se logra mediante la aplicación de un patrón de cargas laterales incrementales y bajo cargas gravitacionales constantes, constantes, que se aplican en la misma dirección hasta que la estructura estructura colapse o hasta cierto valor de carga. Con este análisis es posible evaluar el desempeño esperado de la estructura por medio de la estimación de fuerzas y demanda de deformaciones en el diseño sísmico, además se puede aplicar: Para verificar o revisar la proporción de sobre resistencia. Para estimar mecanismos de plasticidad esperada, además de estimar una distribución de daño. Verificar que las conexiones críticas permanezcan con capacidad de transmitir cargas entre los elementos.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Curva de Capacidad: La relación entre la fuerza cortante basal y el desplazamiento en el nivel superior de la estructura se representan en la curva de capacidad para cada incremento. Esta curva generalmente se construye para representar la respuesta del primer modo de vibración de la estructura basado en la suposición que el modo fundamental de vibración es el que predomina en la respuesta estructural. Esta suposición generalmente es válida para estructuras con un periodo fundamental de vibración alrededor de un segundo. Para edificios más flexibles con un periodo fundamental de vibración mayor de un segundo, el análisis debe considerar los efectos de los modos más altos de vibración. Para determinar la curva de capacidad resistente, se necesita conocer la geometría de la estructura, el detallado del acero de refuerzo para cada elemento, la calidad de los materiales constructivos y las curvas constitutivas del concreto y el acero.
DISEÑO SISMORRESISTENTE Desempeño Sísmico: El desempeño sísmico es la cuantificación real del comportamiento que tendrá una edificación ante la acción de un sismo de X magnitud. Se desarrolla para evaluar si las hipótesis establecidas durante el diseño de una estructura son realmente validas, con esto se puede observar si las normativas para el diseño sismorresistente cumplen con su objetivo y mantienen su filosofía. La aceptación de un desempeño depende del sismo analizado y de la importancia que tiene la edificación estudiada.
DISEÑO SISMORRESISTENTE NIVELES DE DESEMPEÑO ESTRUCTURAL Nivel de diseño sísmico
Período de Retorno Promedio
Probabilidad de Excedencia
Tasa Anual de Excedencia
Objetivo del Nivel de Desempeño
Frecuente
43 años
50% en 30 años
0.2310
Operatividad
Ocasional
72 años
50% en 50 años
0.01386
Control de daño
Raro
475 años
10% en 50 años
0.00211
Seguridad estructural
Muy Raro
970 años
10% en 100 años
0.00105
Prevención del colapso
DISEÑO SISMORRESISTENTE Diseño por Desempeño: El diseño por desempeño nace ante la necesidad de obtener mayor confiabilidad en el diseño estructural y porque la mayoría de las normas de diseño sismorresistente no contempla en sus objetivo la claridad necesaria para poder conocer el comportamiento de la estructura ante un sismo. La metodología por desempeño es difundida y aplicada por diversas entidades en todo el mundo: SEAOC (Asociación de Ingenieros Estructurales de California), ATC-40 (Consejo de Tecnología Aplicada – California), FEMA (Agencia Federal para el Manejo de Emergencias), entre otras. En el caso de ésta tesis, se va a basar el análisis según la Agencia Federal para el Manejos de Emergencias (FEMA). Asimismo, antes de describir el procedimiento según el FEMA, existen dos términos clave los cuales rigen el concepto general del desempeño estructural: niveles y objetivos de desempeño.
NIVEL DE DESEMPEÑO SÍSMICO
NIVEL DE DESEMPEÑO SÍSMICO
DISEÑO SISMORRESISTENTE Sismo de Servicio (SS) ; correspondiente a movimientos de baja a moderada intensidad, de ocurrencia
frecuente, generalmente asociados con un 50% de probabilidad de ser excedido en un per í o íodo do de 50 años, con un per í odo medio de retorno de aproximadamente 72 a ños, de manera que pueda llegar a ocurrir varias veces durante í odo la vida útil de una edificación. En base a los resultados de peligrosidad t picos de un emplazamiento determinado, í este movimiento representa aproximadamente la mitad del nivel de movimiento asociado al sismo de diseño tradicionalmente especificado en los c ódigos, por tratarse de sismos m ás frecuentes y de menor severidad. Sismo de Dise ño (SD); correspondiente a movimientos de moderada a severa intensidad, de ocurrencia poco frecuente, generalmente asociados con un 10% de probabilidad de ser excedido en un per í odo de 50 años, con un í odo per í o íodo do medio de retorno aproximadamente 475 años. Se corresponde con el nivel de movimiento tradicionalmente especificado por la mayor í í a de los códigos de diseño para edificaciones convencionales y se espera que ocurra al menos una vez en la vida útil de una edificación. Sismo Máximo (SM); correspondiente a movimientos de intensidad entre severos o muy severos, de muy rara ocurrencia, generalmente asociados con un 5% de probabilidad de ser excedido en un per í odo odo de 50 años, con un per í odo medio de retorno de aproximadamente 975 a ños. Se corresponde con el nivel de movimiento í odo tradicionalmente especificado por los códigos de diseño para edificaciones esenciales y representa cerca de 1.25 a 1.50 veces el nivel de movimiento asociado al sismo de diseño tradicionalmente especificados en los códigos, de allí que la mayor í ía asocian esta relaci ón al factor de importancia de las edificaciones esenciales, por tratarse de sismos menos frecuentes de mayor severidad.
DISEÑO SISMORRESISTENTE En la actualidad existen muchos software que permiten la realización de análisis no lineales y con este obtener la curva de desempeño desemp eño de una un a edificación, entre estos softwares tenemos los de la casa CSI, SAP2000 y ETABS. Para la realización de esto, se debe tener conocimiento del las propiedades no lineales tanto de los materiales como de los elementos estructurales, ya que es necesario asignar la ubicación de las rotulas plásticas en los elementos y el mecanismo de falla que se debería producir, este puede ser por flexión, corte o axial. A lo largo del curso estableceremos ejemplos de aplicación con ambos programas y evaluaremos el desempeño estructural de diversas edificaciones.
