CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.2. Bases Teóricas
2.2.8. Normativa y Consideraciones para el Análisis y Diseño Sísmico Estructural
2.2.8.1.1. Filosofía y Principios del Diseño Sismorresistente.
Según la (Norma Técnica Peruana E.030, 2018). La filosofía de diseño sismorresistente indica que la estructura debe ser diseñada con nivel de desempeño de seguridad de vida, evitando el colapso total, evitando perdidas de vida y pérdidas económicas muy grandes, es por ello que toma en cuenta los siguientes principios:
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
80 Figura 28 Principios de diseño sismorresistente de la Norma E.030
Principios de diseño sismorresistente de la Norma E.030
Nota. Adaptado de la norma técnica (Norma Técnica Peruana E.030, 2018) 2.2.8.1.2. Zonificación
El Perú está dividido sísmicamente en cuatro zonas respecto a su sismicidad, al movimiento del terreno y a la intensidad del sismo respecto al epicentro, las zonas costeras en general se encuentran dentro del tipo de zona Z4, y se muestra de color rojo en el mapa, estas representan zonas de alta sismicidad con un factor de aceleraciones de 0.45 tal como se aprecia en la siguiente figura
PRINCIPIOS DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE
CON SISMOS SEVEROS:
La estructura puede sufrir daños importantes, pero se deberá evitar el colapso total
CON SISMOS MODERADOS:
La estructura no deberá presentar daños.
LAS EDIFICACIONES ESENCIALES:
Seguiran operativas ante la presencia de sismos severos.
81 Figura 29 Zonas Sísmicas
Zonas Sísmicas
Nota. Extraído de (Norma Técnica Peruana E.030, 2018).
Tabla 5 Valores del factor zona Valores del factor zona
Nota. Adaptado de la (Norma Técnica Peruana E.030, 2018)
2.2.8.1.3. Parámetros de Sitio (S, TP y TL)
La norma de diseño sismorresistente nos permite escoger los parámetros de sitio S y los periodos cortos Tp y periodos largos TL, para realizar el diseño sísmico de la estructura, puesto que estos valores se introducen en el espectro de pseudoaceleraciones tanto para el espectro de diseño como para el espectro
FACTORES DE ZONA “Z”
ZONA Z
4 0.45
3 0.35
2 0.25
1 0.10
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
82 debido a sismo máximo considerado SMC, las siguientes tablas muestran los valores de estos parámetros en función de la zona sísmica y el perfil del estrato del suelo.
Tabla 6 Valores del factor suelo Valores del factor suelo
Nota. Adaptado de (Norma Técnica Peruana E.030, 2018). Elaboración: Autores de la tesis
Tabla 7 Valores de periodos “TP” y “TL” Valores de periodos “TP” y “TL”
Nota. Adaptado de (Norma Técnica Peruana E.030, 2018).
Factor de Amplificación Sísmica (C)
La norma sismorresistente plantea las siguientes expresiones para calcular el factor de amplificación sísmica (C) para estructuras con base fija, cuyo valor depende de la ubicación del periodo del caso modal de la edificación
FACTOR DE SUELO “S”
ZONA -SUELO S1 S2 S3 S4
Z4 0.80 1.00 1.05 1.10 Z3 0.80 1.00 1.15 1.20 Z2 0.80 1.00 1.20 1.40 Z1 0.80 1.00 1.60 2.00
PERÍODOS “TP” y “TL” Perfil de suelo S0 S1 S2 S3
Tp 0.3 0.4 0.6 1.0 TL 3.0 2.5 2.0 1.6
83 con respecto a los periodos cortos y largos Tp y TL tan como se muestra en las siguientes ecuaciones:
𝑇 < 𝑇𝑃 𝐶 = 2.5 ( 2.46)
𝑇𝑃 < 𝑇 < 𝑇𝐿 𝐶 = 2.5 ∙ (𝑇𝑃
𝑇) ( 2.47) 𝑇 > 𝑇𝐿 𝐶 = 2.5 ∙ (𝑇𝑃∙𝑇𝐿
𝑇2 ) ( 2.48) 2.2.8.1.4. Categoría de las Edificaciones y Factor de Uso (U)
La norma de diseño sismorresistente muestra una serie de factores de uso U, que se les va asignar al diseño estructural de la edificación de acuerdo a su categoría como pueden ser edificaciones esenciales, edificaciones importantes, edificaciones comunes, edificaciones temporales, además especifica que, si el diseño símico estructural hace uso de sistemas de protección sísmica, se considerará un factor de uso U=1 y es de carácter obligatorio para zonas sísmicas 3 y 4 el uso obligatorio de sistemas de protección sísmica.
2.2.8.1.5. Coeficiente Básico de Reducción de las Fuerzas Sísmicas (Ro)
El sistema estructural que definirá a la edificación en análisis está en función del tipo de material empleado para la construcción de la estructura, así como el sistema estructural empleado para cada dirección de análisis X-X e Y-Y. Para estructuras de concreto armado de pórticos de concreto armado considera un factor de R0=8, mientras que para un sistema dual de concreto armado considera un factor de reducción R0=7, así mismo para el resto de sistemas estructurales considera un determinado coeficiente básico de reducción de fuerza sísmica (Norma Técnica Peruana E.030, 2018).
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
84 2.2.8.2. Criterios de la Norma E.031 “Aislamiento Sísmico”
2.2.8.2.1. Requisitos Generales de Diseño
2.2.8.2.1.1. Configuración del Sistema Estructural
Según la (Norma Técnica Peruana E.031, 2019) especifica que sistemas protección sísmica se les puede dar a estructuras regulares como irregulares, pero tomando en cuentas las restricciones de irregularidades según la categoría y zona donde se ubique la edificación, dichas condiciones nos muestran en la Tabla 8.
La verificación de las irregularidades estructurales se realiza bajo los lineamientos de la norma E.030 tanto en planta como en altura previamente al diseño con aislamiento sísmico.
Tabla 8 Categoría y regularidad de edificaciones aisladas Categoría y regularidad de edificaciones aisladas
Categoría de la edificación
Zona Restricciones
A y B 4 y 3 No se permiten
irregularidades extremas 2 y 1 Sin restricciones
C 4 No se permiten
irregularidades extremas 3, 2 y 1 Sin restricciones
Nota. Extraído de (Norma Técnica Peruana E.031, 2019).
2.2.8.2.1.2. Consideraciones en el Diseño del Sistema de Aislamiento.
Según la (Norma Técnica Peruana E.031, 2019):
✓ Las edificaciones que contaran son sistema de aislamiento sísmico no permitirán el empleo de materiales inflamables en todo el nivel de protección símica. Además, contaran para el sistema de protección al fuego con rociadores automáticos, agua pulverizada, cobertores contra fuego, etc.
85
✓ El sistema de aislamiento sísmico generará una fuerza restitutiva que deberá ser mayor al 2.5% del peso de la edificación para una fuerza cortante que produzca el 50% del desplazamiento máximo.
✓ La estructura del sistema de asilamiento permanecerá estable bajo la actuación de las combinaciones de cargas propuestas en dicho reglamento, y para ello se deberá verificar un factor de seguridad igual a 3 si la estructura se analiza con cargas promedio y un factor igual a 1 si la estructura se analiza o se diseña con cargas máximas.
✓ Se analiza la estructura aislada por volteo, verificando el pandeo de los dispositivos en caso fuera un aislador LRB para lo cual se empleará el espectro correspondiente al sismo máximo considerado (SMC)
2.2.8.2.1.3. Efectos de las Cargas Sísmicas y Combinaciones de Cargas.
Las estructuras con sistemas de aislamiento sísmico deben ser diseñadas con dispositivos capaces de soportar las siguientes combinaciones de carga.
Carga vertical promedio:
𝑃𝑝𝑟𝑜𝑚 = 1,0 𝐶𝑀 + 0,5 𝐶𝑉 ( 2.49) Carga vertical máxima:
𝑃𝑚á𝑥= 1,25 (𝐶𝑀 + 𝐶𝑉) + 1,0 (𝐶𝑆𝐻 + 𝐶𝑆𝑉) + 0,2 𝐶𝑁 ( 2.50) Carga vertical mínima:
𝑃𝑚í𝑛 = 0,9 𝐶𝑀 − 1,0 (𝐶𝑆𝐻 + 𝐶𝑆𝑉) ( 2.51) Donde:
CM: Carga muerta.
CV: Carga viva.
CSH: Carga sísmica horizontal.
CSV: Carga sísmica vertical = 0,5 (1,5 ZS) CM.
CN: Carga de nieve.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
86 2.2.8.2.2. Definición del Movimiento del Terreno
2.2.8.2.2.1. Espectros de Diseño.
El espectro de diseño debió al sismo máximo considerado SMC es igual a 1.5 veces el periodo de la estructura en base fija, para la construcción de este espectro se asignan los mismos valores que se emplea para la construcción del espectro normal que indica la norma E.030 de diseño sismorresistente y se realiza de la siguiente manera:
Espectro de pseudoaceleraciones de sismo de 2475 años:
𝑆𝑎𝑀 = 1,5𝑍𝑈𝐶𝑆 ∙ 𝑔 ( 2.52) Donde Z, U y S son los parámetros definidos en la Norma Técnica E.030. Para la obtención de la ordenada del espectro de estructuras aisladas siempre se considerará un factor U igual a 1.
2.2.8.2.2.2. Factor de Amplificación de Fuerza Sísmica de la Norma E.031.
El factor de amplificación sísmica C para estructuras sísmicamente aisladas será definido por las siguientes ecuaciones, y su valor dependerá del periodo de participación modal de la estructura sísmicamente aislada
𝑇 < 0.2 ∙ 𝑇𝑃 𝐶 = 1 + 7.5 ∙ (𝑇
𝑇𝑃) ( 2.53) 0.2 ∙ 𝑇𝑃 < 𝑇 < 𝑇𝑃 𝐶 = 2.5 ( 2.54)
𝑇𝑃 < 𝑇 < 𝑇𝐿 𝐶 = 2.5 ∙ (𝑇𝑃
𝑇) ( 2.55) 𝑇 > 𝑇𝐿 𝐶 = 2.5 ∙ (𝑇𝑃∙𝑇𝐿
𝑇2 ) ( 2.56)
87 2.2.8.2.2.3. Ensayo de Microtrepidación del Suelo
Este ensayo se realiza con la finalidad de obtener el periodo fundamental de vibración del estrato Ts, con la finalidad de descartar que el suelo sea de tipo blando, puesto que suelos blandos amplificar las respuestas en el tiempo, impidiendo aislar la estructura. Para valores de periodo fundamental del estrato Ts mayores a 0,6 segundos, será necesario realizar un estudio del sitio. En cambio, si el Ts del estrato concuerda con los estudios de micro trepidación, se empleará el espectro del SMC.
Tabla 9 Tipo de suelo y periodos fundamental del estrato.
Tipo de suelo y periodos fundamental del estrato.
Suelo tipo Ts (s)
S0 Roca dura < 0,15
S1 Roca o suelos muy rígidos < 0,30 S2 Suelos intermedios < 0,40 S3 Suelos blandos < 0,60
Nota. Extraído de (Norma Técnica Peruana E.031, 2019) .
2.2.8.2.2.4. Registros de Aceleración del Suelo.
Las aceleraciones consideradas para el análisis tiempo historia deben ser como mínimo un conjunto de siete pares de registros sísmicos y deben ser concordantes con el espectro para el sismo máximo considerado SMC. Estos espectros deben ser escalados con el método de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (SRSS) con un rango de periodos del 0,75 TM obtenido haciendo uso del límite superior, hasta el 1,25 TM que se obtienen haciendo uso del límite inferior y con un amortiguamiento de 5%.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
88 Escalados el sismo se procede a hacerlos espectrocompatibles con el sismo máximo considerado SMC asignado al espectro escalado el rango de periodos que va desde 0,2 TM, calculado usando el límite superior hasta el 1,25 TM calculado con el límite inferior considerando un espectro mínimo de participación del 90% en la dirección de análisis más el 44% de participación en la dirección perpendicular.
2.2.8.2.2.5. Procedimientos de Análisis de Estructuras Aisladas
La (Norma Técnica Peruana E.031, 2019) establece cada una de las consideraciones a tomar en cuenta para el análisis sísmico de las estructuras diseñadas con sistemas de aislamiento sísmico, en la que nos muestra una serie de requerimientos que debemos cumplir para poder diseñar una estructura con dispositivos de aislamiento. A continuación, mostraremos las condiciones de derivas que se deben cumplir obligatoriamente en una estructura aislada para su análisis dinámico modal espectral y análisis dinámico tiempo historia con un nivel de desempeño operacional.
➢ Límites de deriva.
• Para el análisis modal espectral la deriva máxima de entrepiso de la super estructura deberá ser menor o igual a 0.0035
• Para el análisis tiempo – historia la deriva máxima de entrepiso de la super estructura deberá ser menor o igual a 0.005.
• Ambos análisis se realizarán considerando el coeficiente de reducción de fuerza sísmica en estructuras asiladas igual a 1 (Ra=1).
89 2.2.8.3. Criterios de Funcionabilidad Continua en base Códigos de Diseño por
Desempeño
Los criterios de funcionabilidad continua para diseños con sistemas de aislamiento sísmico y estructuras convencionales en base a resultados de derivas máximas, derivas promedio de entrepiso y aceleraciones máximas y aceleraciones promedio, son condiciones que debemos alcanzar con el análisis estructural tanto análisis dinámico Modal Espectral como Tiempo-Historia, para lograr diseñar estructuras para un determinado nivel de desempeño en base a los códigos y comités que tienen establecidos estos criterios dentro de sus diseños estructurales, es por ello que en esta investigación se ha tomado el código Hazus 99, el SISCF 2019 y el comité del Vision 2000 para determinar el desempeño alcanzado de la estructura aislada.
Tabla 10 Límites de desempeño propuestos por el SISCF con requerimientos de funcionabilidad continua
Límites de desempeño propuestos por el SISCF con requerimientos de funcionabilidad continua
Structure Design Criteria Applicable Under ASCE 7-16 Base Criteria for the Design Earthquake
Target Limit for Building Architectural
& Structural Damage
Average Floor Spectra Aceleratión Limit
Average of Peak Story Drift Limits
Maximun of
Peak Story Drift Limits
Maximun of
Peak Residual Story Drift Limits SISCF Category IV 2% 0.3g 0.0020 0.0030 0.0000
SISCF Category III 4% 0.4g 0.0030 0.0045 0.0000
SISCF Category II 8% 0.6g 0.0067 0.0100 0.0000
Chapter 17 no SISCF 30% 1.0g 0.0133 0.0200 0.0000
Fixed Base DE 60% 1.3g 0.0200 0.0300 0.0200
Fixed Base MCE 100% 1.5g 0.0400 0.0500 0.0400
Nota. Adaptado de (SISCF, 2019)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
90 La Tabla 10 propuesta por el Estándar de Aislamiento sísmico para la Funcionabilidad Continua (SISCF) muestra los valores límites a los que debe alcanzar la estructura luego de haber obtenido los picos máximos de derivas, de aceleraciones y sus promedios luego de haber realizado un análisis no lineal Tiempo – Historia, esta serie de límites conllevan a evaluar el nivel de desempeño de la edificación en base a su comportamiento estructural para evaluar los daños estructurales en términos de derivas y los daños no estructurales ni del contenido en términos de aceleraciones.
Figura 30 Daños en elementos no estructurales y en contenidos Daños en elementos no estructurales y en contenidos
Nota. Daño de elementos no estructurales y en contenidos por aceleraciones mayores a 0.30g. Extraído de (Muñoz A. , 2017)
91 Tabla 11 Niveles de servicio de acuerdo a la máxima deriva de entrepiso
Niveles de servicio de acuerdo a la máxima deriva de entrepiso
Base Criteria for the Design Earthquake
Permissible Maximum Drift, %
Fully Operational 0.2
Operational 0.5
Life Safe 1.5
Near Collapse 2.5
Nota. Adaptado de (VISION 2000, 1995)
La Tabla 11 desarrollada por el comité Vision 2000 muestra valores permisibles para los niveles de servicio alcanzado por la estructura en base a los criterios de diseño sísmico, en el que se puede apreciar que las estructuras aisladas deben alcanzar en los criterios de operación inmediata y totalmente operacional (Operational and Fully Operational), mientras que las edificaciones comunes deben llegar al nivel de desempeño de seguridad de vida ( Life Safe), todo estos criterios es aplicable a los valores máximos del análisis dinámico Tiempo – Historia.
Figura 31 Niveles de desempeño según distorsiones angulares máximas de entrepiso Niveles de desempeño según distorsiones angulares máximas de entrepiso
Nota. Adaptado de (VISION 2000, 1995)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
92 La Figura 31 muestra los niveles de desempeño alcanzados para una estructura convencional como estructura aislada, en términos de distorsiones angulares de entrepiso, para estructuras aisladas debemos diseñar para el nivel de desempeño Operational según establece la norma técnica E.031, pero este nivel de desempeño indica que la estructura va a presentar daños estructurales puesto que sus derivas de entrepiso llegan a valores menores a 0.5% lo cual considera daños estructurales bajos, la funcionabilidad continua garantiza daños insignificantes estructuralmente y diseña para un nivel de desempeño Fully Operational, bajo este requerimiento las derivas promedio máximas debe ser menores 0.2%, lo cual hace que la estructura se mantenga totalmente operativa después de un sismo muy severo o muy raro, garantizando un buen funcionamiento estructural. Con sistemas aislados debemos llegar siempre a niveles de diseño de Operational y Fully Operational, mientras que para edificaciones comunas debemos llegar a nivel de desempeño de seguridad de vida Life safe.
Tabla 12 Criterios de daño según Hazus 99 para elementos no estructurales.
Criterios de daño según Hazus 99 para elementos no estructurales.
Design Level Nonstructural Damage States – All Building Types
Slight Moderate Extensive Complete Inter-Story Drift Ratio (Δds) – Drift – Sensitive Components
All 0.004 0.008 0.025 0.050
Peak Floor Acceleration (Amax,ds) – Acceleration-Sensitive Components/Contents (g’s)
Special High-Code 0.45 0.9 1.8 3.6
High - Code 0.30 0.6 1.2 2.4
Moderate-Code 0.25 0.5 1.0 2.0
Low-Code 0.20 0.4 0.8 1.6
Pre - Code 0.20 0.4 0.8 1.6
Nota. Extraído de (FEMA, 1999)
93 El código Hazus muestra en la Tabla 12 valores de límites de aceleraciones para no incurrir en daños de componentes no estructurales y lo limita a un valor de 0.3g la aceleración máxima de piso que puede existir en toda la edificación, las aceleraciones a comparar serán las máximas aceleraciones del análisis dinámico Tiempo-Historia y las aceleraciones máximas del análisis modal espectral con la finalidad de evitar causar grandes daños en el contenido de la edificación, en elementos no estructurales, provocar gran sensación de pánico de los ocupantes y en el performance durante un evento sísmico.
Figura 32 Aceleraciones de piso para control de daños de elementos no estructurales y contenidos
Aceleraciones de piso para control de daños de elementos no estructurales y contenidos
Nota. Aceleraciones máximas del análisis tiempo historia y aceleraciones máximas del análisis modal espectral para controlar daños en elementos no estructurales y en contenidos para cumplir requerimientos de funcionabilidad continua con nivel de desempeño totalmente operacional. Adaptado de (Muñoz A. , 2017).
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
94