santana unh
DESCRIPTION
DISEÑO SISMICO E 0.30TRANSCRIPT
-
Ing. Ronald Santana Tapia Docente Asociado
FIC - UNCP
-
CONTENIDO
1 PROBLEMTICA
2 DISEO POR DESEMPEO - CONCEPTO
3 ANLISIS Y DISEO CON LA NTE E.070 Y E.030
4 SELECCIN DE OBJETIVOS DE DESEMPEO
5 MODELOS DE COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES
5.1 Modelo Esfuerzo -Deformacin para el Acero
5.2 Modelo Esfuerzo -Deformacin para el Concreto
6 MODELOS DE COMPORTAMIENTO INELSTICO DE
SECCIONES Y ELEMENTOS
6.1 Relacin Momento -Curvatura de secciones
6.2 Comportamiento Histertico de los elementos
-
7 ANLISIS ESTTICO INCREMENTAL - PUSHOVER
7.1 Demanda Ssmica
7.2 Capacidad Estructural
7.3 Punto de Desempeo
8 DISEO POR DESEMPEO
8.1 Determinacin del Grado de Dao
8.2 Evaluacin del Estado Lmite
8.3 Formacin de Rtulas Plsticas y Mecanismo de
Colapso.
9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
-
Sismicidad en el mundo y en el Per
Viviendas tpicas de albailera confinada
-
Influencia de las cargas gravitacionales y de sismo en el comportamiento
estructural de las edificaciones de albailera confinada
Sistema de albailera confinada
Sistema hbrido
-
El diseo ssmico por desempeo o por comportamiento
estructural, es una metodologa que comienza con el
planteamiento inicial del proyecto y termina cuando la estructura
deja de existir. El proceso consiste en a) seleccin de los objetivos
de desempeo, b) determinacin de la conveniencia y estudio
de sitio, c) diseo conceptual, d) diseo preliminar, e) diseo final, f) verificacin de aceptabilidad, g) revisin del diseo integral, h)
control de calidad durante la construccin, y i) mantenimiento
durante la vida de la estructura .
CONCEPTO DEL ATC-40 (1996) El diseo de edificaciones basado en desempeo, se refiere a la
metodologa de diseo en la cual el criterio estructural se expresa
en trminos de seleccin de un objetivo de desempeo . En
contraste al mtodo convencional en el cual el criterio estructural
se define por exigencias sobre los elementos, que resultan de un
nivel predeterminado de fuerza cortante aplicado
-
CONCEPTO DEL SEAOC (1995)
La ingeniera basada en desempeo sismorresistente de una
edificacin se define como la seleccin de criterios de diseo :
sistema estructural, proporcionalidad y detallado de la estructura y su componente no estructural y contenido ; para asegurar y
controlar la calidad de la construccin y mantenimiento ; para
cada nivel especificado de movimiento ssmico, con niveles
definidos de confiabilidad, la estructura no superar los daos
ante ciertos estados lmites. Los estados lmites referidos se denominan niveles de desempeo . Los niveles de desempeo
son asociados a niveles especificados de movimiento ssmico
probable , para definir los objetivos de desempeo para los
cuales se disea la estructura . El logro de los objetivos de
desempeo nunca se garantiza pero se espera, con niveles definidos de riesgo y confiabilidad (*) .
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
(*) SEAOC Based Seismic Engineering of Buildings
tomo I y II, preparado por la Asociacin de Ingenieros estructurales de
California, comit Visin 2000.
-
Diseo Preliminar
Conveniencia del sitio y anlisis de los
movimientos del terreno
Diseo conceptual: Seleccin del sistema
estructural y su configuracin
Admisibilidad
del diseo
conceptual
Admisibilidad
del diseo
preliminar
Admisibilidad
del diseo
final
Diseo por Desempeo
Revisin del diseo Final
Control de calidad durante la
construccin
Funcin y mantenimiento de
la estructura
Seleccin de los objetivos de desempeo
CONCEPTO
DISEO
CONSTRUCCIN
NO SI
NO
SI
SI NO
Diagrama del marco
conceptual de la
Basada en .
Visin 2000 (SEAOC, 1995)
-
Planta Tpica (04 PISOS)
-
- Altura de piso a techo : 2.4 m - Espesor de muros de albailera : 0.13m
- Mdulo de elasticidad : Em=27.5ton/cm 2
- Mdulo de elasticidad : Ec=217.4ton/cm 2
ISOMETRA
Caractersticas Generales:
Estructuracin del Techo con Losa Maciza (e = 0.12 m)
-
Parmetros ssmicos NTE 030:
PR
ZUCSV g
R
ZUCSSa
ALE: ALD:
-
Los objetivos de la Norma E070, son fundamentalmente dos:
1) Sismo Moderado comporte en el rango elstico.
2) Sismo Severo en estado econmicamente reparable.
CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS LATERALES
DIRECCIN X-X DIRECCIN Y-Y
.
CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS LATERALES
DIRECCIN X-X DIRECCIN Y-Y
.
CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS LATERALES
DIRECCIN X-X DIRECCIN Y-Y
.
Periodo Fundamental
(To, seg)
Direccin X
0.219
Periodo Fundamental
(To, seg)
Direccin Y
0.224
-
DISEO CON LA NTE 070
Ubicacin de las columnas de confinamiento:
-
Detalle del acero de refuerzo de las columnas de confinamiento:
-
Los niveles de desempeo para estructuras de albailera
confinada son los propuestos por Astroza y Schmidt, los mismos
que son definidos por un patrn de daos el que depende del nivel
de deformacin (deriva o distorsin angular) alcanzado por los
elementos primarios de la estructura.
NIVELES DESEMPEO DISTORSIN
(%)
Estado Lmite de Servicio (ELS) 0.05
Estado Lmite Operacional (ELO) 0.10
Estado Lmite de Dao Controlado (ELDC) 0.17
Estado Lmite de Resistencia (ELR) 0.22
Estado Lmite ltimo (ELU) 0.44
El primer paso para el diseo ssmico por desempeo, es la
seleccin de los objetivos de desempeo, en relacin a:
-
Servicio Operacional Dao Controlado
Resistencia Ultimo
Fuente: Astroza y Schmidt
-
El sismo puede ser expresado en trminos de probabilidad de
ocurrencia - propuesta probabilstica, o en trminos de la mxima
sacudida esperada para una fuente especfica de falla - propuesta
determinista.
NIVEL DE SISMO DE DISEO
TIEMPO DE RETORNO
PROBABILIDAD DE EXCEDENCIA
Sismo de Servicio SS 72 aos 50% en 50 aos
Sismo de Diseo SD 475 aos 10% en 50 anos
Sismo Mximo SM 975 aos 5% en 50 aos
Propuesta del ATC-40.
-
:
El movimiento del suelo debido a un sismo se combina con un
deseado nivel de desempeo de la estructura formando as un
Objetivo de Desempeo.
NIVEL DE SISMO DE DISEO
NIVEL DE DESEMPEO DE LA ESTRUCTURA
Servicio Operacional Dao
Controlado Resistencia Ultimo Nominal
Sismo de Servicio NA NA NA NA
Sismo de Diseo NA NA NA NA
Sismo Mximo NA NA NA NA
NA: No Aceptable.
Propuesta de objetivos de desempeo con niveles de sismo del ATC-40.
-
:
Se emple el modelo TRILINEAL. Este modelo contempla
incremento de esfuerzos en la zona de pos fluencia mediante una
variacin lineal.
0
20
40
60
80
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Esfu
erz
o (
kip
s/In
ch
2)
Deformacin
ESFUERZO-DEFORMACIN DEL ACERO
ESFUERZO DEFORMACION
FS : Esfuerzo a la Fluencia
FSU : Esfuerzo ltimo
ES : Modulo de Elasticidad
ESH : Modulo de Endurecimiento
EPSH : Deformacin al principio de
endurecimiento Diagrama Esfuerzo -Deformacin de aceros Grado 60 ( fy=4200 kg/cm 2)
-
:
Se trabaja con la seccin transformada de los muros confinados y
se considera la albailera como un equivalente de concreto de
baja o mediana resistencia. El modelo usado es para concreto no
confinado de HOGNESTAD. Este modelo se compone de un tramo
parablico de segundo grado y otro lineal. La ecuacin de la
parbola viene dada por la siguiente expresin:
El esfuerzo mximo del concreto en la estructura real esta
asociado a una deformacin unitaria que se calcula por la
expresin:
El tramo recto parte en el punto ms alto de la curva, se extiende
hasta una deformacin unitaria de 0.0038 al cual le corresponde un
esfuerzo de 0.85 .
-
FC : Esfuerzo a la compresin
EC : Inicial Modulo de Elasticidad del concreto.
EPSO : Deformacin en la mxima fuerza del concreto (%)
FT : Esfuerzo rotura a la Tensin
EPSU : ltima deformacin en compresin (%)
ZF : Parmetro de gradiente definido de la ramificacin de falla
Diagrama Esfuerzo -Deformacin de muros de Albailera
-
Las relaciones momento-curvatura en una seccin de concreto
armado, nos permiten calcular la CAPACIDAD DE DUCTILIDAD DE
LA SECCIN o denominada DUCTILIDAD POR CURVATURA LOCAL:
Es muy importante que el valor de u sea lo ms alto posible para
que la estructura sea capaz de disipar la mayor energa posible ante
un sismo muy severo.
Curvatura ltima u Curvatura de fluencia (cedencia) y
-
Diagrama Momento -Curvatura. Modelo trilineal
-
Si una seccin tiene muy poca capacidad de ductilidad por
curvatura va a presentar una falla frgil cuando la estructura
ingrese al rango no lineal. Por lo que es importante que la seccin
presente una buena ductilidad local para disipar la mayor energa y
as dar paso a la distribucin de momentos.
Relaciones momento -curvatura para secciones de viga simplemente
reforzadas, (a) Seccin que falla a tensin, < b . (b) Seccin que falla a
compresin, > b . (Tomada de Park y Paulay , 1997)
-
En el diagrama momento-curvatura del modelo Bilineal, al crecer el
momento flector M aplicado en una seccin determinada del
elemento, la curvatura crecer proporcionalmente al momento,
hasta alcanzar en la seccin el valor de MA a partir del cual la
curvatura crecer sin incremento del momento aplicado,
constituyendo lo que se denomina como RTULA PLSTICA.
Diagrama momento -curvatura. Modelo Bilineal
-
Entonces si un elemento estructural tiene suficiente ductilidad y es
capaz de alcanzar su momento mximo y despus de esto, seguir
incrementado sus deformaciones, ser capaz de redistribuir
momentos, y si el elemento estructural forma parte de un sistema
hiperesttico, entonces en los puntos donde se localicen esos
momentos mximos ser donde aparezcan las llamadas RTULAS
PLSTICAS, y al tiempo que las rtulas plsticas supere el grado de
hiperestaticidad de la estructura, se puede decir que la estructura se
convierte en una estructura inestable y llega a un MECANISMO DE
FALLA y la estructura colapsar,
Formacin de rtulas plsticas en estructuras aporticadas
-
Los modos de falla que pueden presentarse en este tipo de
elementos de albailera confinada, son:
FALLA POR FLEXIN
FALLA DE CORTE POR DESLIZAMIENTO
FALLA DE CORTE
FALLA DE APLASTAMIENTO POR COMPRESIN DIAGONAL
Formacin de rtulas plsticas en estructuras duales
-
Falla de corte por deslizamiento
Falla de corte sin y con armadura horizontal en el pao
Falla por aplastamiento por compresin
diagonal
-
Ante acciones ssmicas son los extremos de los elemntos los que
van a estar sujetos a grandes esfuerzos, en consecuencia el dao
se inicia en estos puntos y se va propagando hacia el centro de
luz. Existen varios modelos de plasticidad que han sido
propuestos para simular este comportamiento. Los mas usados
son el modelo de plasticidad concentrada de Giberson y el modelo
de plasticidad extendida de Valles.
MODELO DE VALLES. Este modelo considera la longitud de las
zonas que ingresan al rango no lineal y permite que el centro de luz
pueda ingresar al rango no lineal. Los trminos de la matriz de
flexibilidad incluyen el efecto de corte.
Modelo de Plasticidad
de Valles para el
anlisis no lineal.
-
Cuando un elemento es sometida a la accin permanente de carga y
descarga como sucede con los efectos de los sismos, existen
cambios en su composicin fsico-mecnica como la degradacin
de la rigidez, perdida de resistencia y la disminucin de la
capacidad de disipar energa. Para considerar estos cambios de
estos parmetros existen varios modelos propuestos y el modelo
que es considerado como uno de los mas completos es el modelo
propuesto por Kent y Park.
Lazos histerticos ante
carga y descarga
-
MODELO DE KENT Y PARK:
Este modelo es ampliamente utilizado para el anlisis dinmico no
lineal de estructuras. El modelo incorpora tres parmetros de
control para el modelo histertico:
DEGRADACIN DE RIGIDEZ
PERDIDA DE RESISTENCIA
EL EFECTO DE ESTRECHAMIENTO.
a) Modelamiento de la degradacin de rigidez
c) Representacin esquemtica de la degradacin de resistencia
-
b) Modelamiento del efecto de estrechamiento o pinching
Dado que el comportamiento de la albailera sujeto a cargas laterales
cclicas suele estar dominado por la componente de deformacin por
corte, su respuesta tiende a estar caracterizada, an para
deformaciones relativamente pequeas, por un importante deterioro
de sus propiedades estructurales
-
La envolvente del comportamiento histertico aporta informacin
relevante sobre el comportamiento de muros de albailera sujetos
a cargas laterales cclicas. Dicha envolvente corresponde a los
puntos mximos asociados a cada ciclo de carga aplicado
experimentalmente.
Envolvente del comportamiento histertico
de muros de albailera confinada.
-
En base a ensayos experimentales, Flores y Alcocer, proponen un
modelo trilineal para caracterizar la envolvente del ciclo histertico
de muros de albailera confinada.
Envolvente para Albailera Confinada (Flores y Alcocer, 1995)
-
Evolucin del dao estructural en muros de
albailera confinada
-
Calibrar consiste en reproducir mediante un programa de computo
el modelo de comportamiento histertico de un muro o estructura
de albailera confinada obtenido por ensayos de laboratorio, para
el cual deben definirse los parmetros de control que incluyan la
degradacin de rigidez, la perdida de resistencia y la capacidad de
disipacin de energa.
Comparacin de Respuesta experimental y analtica de un
espcimen ensayado
-
Sistema Parmetros del modelo analtico
HC HBD HBE HS
RUIZ Y
MIRANDA
Albailera
Confinada 3.5 0.06 0.06 0.015
ZUIGA Y
TERAN
Albailera
Confinada 2.5 0.02 0.04 0.01
Parmetros de calibracin de la regla Histertica
Los parmetros de calibracin usado es el de Ruiz y Miranda. Los
parmetros de calibracin obtenidos por Ziga y Tern son para
un modelo estructural de columna ancha.
En donde :
HC : Parmetro de Degradacin de Rigidez
HDB : Parmetro de prdida de fuerza basada en la ductilidad.
(Deterioro de resistencia)
HBE : Parmetro de prdida de fuerza basada en la energa.
(Deterioro de resistencia)
HS : Parmetro de estrechamiento
-
El anlisis no lineal esttico es una tcnica simple y eficiente para
estudiar la capacidad de una estructura, bajo una distribucin de
fuerzas inerciales esperadas. Emplea el mtodo Pushover, cuyo
procedimiento se basa en una serie de anlisis elsticos
secuenciales, superpuestos para aproximar un diagrama de
capacidad fuerza-desplazamiento de toda la estructura. La curva
de capacidad aproximadamente nos ndica como la estructura se
comporta despus de exceder su lmite elstico.
MTODOS:
o Mtodo de Espectros de Capacidad y Demanda (ATC-40)
o Mtodo del Mdulo Secante (SEAOC)
o Mtodo del Desplazamiento Objetivo (FEMA 273)
Para nuestro anlisis esttico no lineal, usaremos el mtodo del
Espectro de Capacidad y Demanda propuesto por el ATC-40.
-
LIMITACIONES DE LA TCNICA DEL PUSHOVER:
o Solo permite hacer Evaluaciones Globales .
o Modela a la estructura como de un grado de libertad (1GDL),
as como considera solo el primer modo para su anlisis.
o No es adecuado para estructuras que no tienen un primer
modo lineal .
o No es adecuado para estructuras en que la participacin de los modos superiores es importante .
o El procedimiento del anlisis Pushover implcitamente asume
que el dao depende slo de la deformacin lateral de la
estructura, despreciando los efectos de duracin y disipacin de la energa acumulada . Por lo tanto, la aplicabilidad de esta medida del dao es algo simplista, particularmente para
estructuras no dctiles, cuyos ciclos histerticos inelsticos
presentan un fuerte estrechamiento .
-
o Los cambios progresivos en las propiedades dinmicas
modales que ocurren en la estructura cuando experimenta
cedencia no lineal cclica durante un sismo, no son
considerados en este tipo de anlisis.
o El anlisis Pushover se centra slo en la energa de
deformacin de la estructura, con lo cual, este
procedimiento puede conducir a despreciar la energa
asociada a las componentes dinmicas de las fuerzas (energa cintica) y la energa de amortiguamiento viscoso .
o Los efectos de torsin producidos por las variaciones de
resistencia y rigidez, no pueden ser considerados con un
anlisis Pushover, debido a que es un anlisis en dos dimensiones .
o El Pushover tradicional es sensible al patrn de cargas
aplicada : triangular inversa, parablica, rectangular o
combinaciones de estas.
-
:
La demanda ssmica que afectar a la estructura, se obtiene en
funcin al estudio y anlisis de peligro ssmico de la zona o regin,
en trminos determinsticos o probabilsticos.
El anlisis de peligro ssmico determinstico involucra el desarrollo
de un terremoto escenario sobre el cual se basa la evaluacin del
peligro ssmico en un lugar. El escenario consiste en la ocurrencia
de un terremoto de tamao especificado en una ubicacin
determinada. Este anlisis de peligro ssmico determinstico,
puede ser descrito como un proceso de cuatro pasos:
Para un sitio especfico, seleccionar para cada fuente un sismo
de cierta magnitud, a una cierta distancia.
Seleccionar el terremoto dominante. Suele usarse el mayor
sismo capaz de ocurrir en una fuente y que produzca los
mayores niveles de movimiento del suelo en el sitio.
-
El peligro ssmico en el sitio es formalmente definido,
usualmente en trminos de PGA, PGV y PGD. Estos parmetros
son obtenidos mediante registros aplicables, basadas
fundamentalmente en ecuaciones de atenuacin de ondas.
Se procede a un anlisis estadstico para obtener un espectro
de diseo de parmetro designado, usualmente Sa.
LIMITACIONES: Este mtodo proporciona directamente la
evaluacin del movimiento ssmico para las condiciones ms
severas y generalmente se aplica para el diseo de estructuras
cuyas fallas podran tener consecuencias catastrficas, como es el caso de plantas nucleares o grandes presas. Sin embargo, ste
no provee informacin sobre la probabilidad de ocurrencia del
terremoto dominante, ni de la probabilidad de que ste ocurra
en la ubicacin asumida . Tampoco provee informacin sobre los
niveles del movimiento ssmico que pueden ser esperados en un determinado periodo de tiempo (tal como la vida til de la
estructura), ni de los efectos de las incertidumbres de los
parmetros asumidos en el proceso de estimar las caractersticas del movimiento ssmico.
-
Hasta la actualidad no se ha resuelto el problema de la seleccin
del tipo y nmero de registros de aceleraciones a usarse en un
anlisis no lineal tiempo historia. Los registros que presenta la
data peruana son solamente para la costa, esto complica ms en la
seleccin de los registros que usaremos para el anlisis de la
edificacin ubicada en la zona central del pas.
En efecto, en un anlisis no lineal esttico, el principal problema es
la seleccin de registros a usar, normalmente la seleccin de estos
registros apunta a que los sismos tengan un rango de contenido
de frecuencias adecuado a los alrededores del dominio de inters.
Adems, en la seleccin se debe tener en cuenta las magnitudes
que deben presentar, la cantidad de energa, la duracin, la
atenuacin con la distancia, entre otros.
El criterio propuesto por A. Glvez (UNI), para la seleccin de los
registros del movimiento del terreno, toma en cuenta las mayores
ordenadas de la intensidad ssmica Sa[T0,%], en el periodo
fundamental T0 y para un nivel de amortiguamiento de la estructura
de 7%.