Evaluación y comparación del reforzamiento de la PUCE sede Bahía, mediante la utilización de disipadores de energía tipo Shear Link respecto a un reforzamiento con muros de corte

Texto completo

(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. EVALUACIÓN Y COMPARACIÓN DEL REFORZAMIENTO DE LA PUCE SEDE BAHÍA, MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE DISIPADORES DE ENERGÍA TIPO SHEAR-LINK RESPECTO A UN REFORZAMIENTO CON MUROS DE CORTE PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MENCIÓN ESTRUCTURAS. PAÚL XAVIER TORRES JARAMILLO paulbassmax@outlook.com ANDRÉS STALIN MATANGO ANGAMARCA andressta1992@outlook.es. DIRECTOR: ING. MSc EDGAR DAVID MORA MARTÍNEZ edgar.mora@epn.edu.ec. Quito, Octubre 2017.

(2) DECLARACIÓN. Nosotros, Paúl Xavier Torres Jaramillo y Andrés Stalin Matango Angamarca, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa Institucional vigente.. ______________________ PAÚL XAVIER TORRES JARAMILLO. ______________________ ANDRÉS STALIN MATANGO ANGAMARCA.

(3) II. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Paúl Xavier Torres Jaramillo y Andrés Stalin Matango Angamarca, bajo mi supervisión.. _____________________________ M.Sc. Ing. EDGAR DAVID MORA MARTÍNEZ DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) III. AGRADECIMIENTO. A Dios y a la virgen de Guadalupe por darme salud y perseverancia para culminar este trabajo con éxito.. A mis padres y hermanos ya que con su ejemplo y enseñanzas he podido mejorar cada día y sin su apoyo este trabajo no sería posible.. A Andrés por el trabajo en equipo, al Ing. David Mora por el tiempo dedicado a la revisión de este trabajo y por compartir con nosotros sus conocimientos.. A todos los que mediante un correo o un comentario respondieron mis inquietudes. A los profesores de la facultad de Ingeniería Civil que a lo largo de la carrera me han hecho mejorar.. Paul Xavier Torres Jaramillo.

(5) IV. AGRADECIMIENTO. A Dios por darme la vida por darme la vida y la salud. A mis padres, Espirideón y Gloria por su apoyo incondicional y por haberme inculcado valores de honradez, respeto y responsabilidad. A mi hijo Dieguito y a mi esposa Johanna por ser mi inspiración para seguir adelante día a día. A nuestro director de tesis Ing. M.Sc. David Mora por orientarnos durante este proceso. A todos los que me han ayudado a lo largo de mi carrera.. Andrés Stalin Matango Angamarca.

(6) V. DEDICATORIA. A mis padres, Lorgio y Georgina, por su ejemplo, amor y paciencia . A mis hermanos, Santiago y Katherine, por mostrarme el camino a seguir.. A mis sobrinos, Thomas, Martin y Emma.. Paul Xavier Torres Jaramillo.

(7) VI. DEDICATORIA. Este y todos los logros van dedicados para mi hijo Dieguito y para mis padres por el inmenso amor que me han dado. Para mis esposa Johanna y para mis hermanas y hermanos por siempre darme su apoyo.. Andrés Stalin Matango Angamarca.

(8) VII. CONTENIDO. DECLARACIÓN ....................................................................................................... I CERTIFICACIÓN .................................................................................................... II AGRADECIMIENTO ............................................................................................... III AGRADECIMIENTO ............................................................................................... IV DEDICATORIA ........................................................................................................ V DEDICATORIA ....................................................................................................... VI CONTENIDO ......................................................................................................... VII INDICE DE FIGURAS ......................................................................................... XIV INDICE DE TABLAS ............................................................................................ XX RESUMEN ............................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................. II CAPÍTULO 1 ........................................................................................................... 1 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1 1.1. OBJETIVOS .............................................................................................. 1. 1.1.1. OBJETIVO GENERAL ......................................................................... 1. 1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 1. 1.2. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 2. 1.3. ALCANCE ................................................................................................. 3. CAPÍTULO 2 ........................................................................................................... 4 2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ...................................................................... 4 2.1. ANÁLISIS NO LINEAL .............................................................................. 4. 2.2. DISEÑO BASADO EN FUERZAS ............................................................. 4.

(9) VIII. 2.3. DISEÑO BASADO EN DESEMPEÑO....................................................... 6. 2.3.1. NIVELES. DE. DESEMPEÑO. DE. LOS. COMPONENTES. ESTRUCTURALES .......................................................................................... 8 2.3.2. NIVELES. DE. DESEMPEÑO. DE. LOS. COMPONENTES. NO. ESTRUCTURALES ........................................................................................ 14 2.3.3 2.4. NIVELES DE DESEMPEÑO DE UNA EDIFICACIÓN ....................... 16. GENERALIDADES SOBRE ANÁLISIS PUSHOVER .............................. 17. 2.4.1. REQUESITOS PARA REALIZAR LA TÉCNICA DE PUSHOVER ..... 18. 2.4.2. OBJETIVOS DE LA TÉCNICA DE PUSHOVER................................ 18. 2.4.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TÉCNICA PUSHOVER ......... 19. 2.4.3.1. VENTAJAS.................................................................................. 19. 2.4.3.2. DESVENTAJAS .......................................................................... 19. 2.4.4. CAPACIDAD ...................................................................................... 19. 2.4.5. DEMANDA ......................................................................................... 20. 2.4.6. DESEMPEÑO .................................................................................... 21. 2.4.7. PUNTO DE DESEMPEÑO ................................................................ 23. 2.4.7.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE LINEALIZACIÓN. EQUIVALENTE .......................................................................................... 23 CAPÍTULO 3 ......................................................................................................... 30 3. ESTRUCTURA ORIGINAL............................................................................. 30 3.1. MATERIALES ......................................................................................... 31. 3.2. DEFINICIÓN DE ELEMENTOS .............................................................. 32. 3.3. DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS .................................................... 34. 3.3.1. CARGA MUERTA .............................................................................. 34. 3.3.2. SOBRECARGA MUERTA ................................................................. 34. 3.3.3. CARGA VIVA ..................................................................................... 36.

(10) IX. 3.4. ESPECTRO DE RESPUESTA SEGÚN NEC-15 .................................... 37. 3.4.1 3.5. ESPECTRO DE DISEÑO .................................................................. 39. DISTRIBUCION DE FUERZAS LATERALES ......................................... 40. 3.5.1. MÉTODO ESTÁTICO (NEC) ............................................................. 40. 3.5.2. MÉTODO DINÁMICO ........................................................................ 40. 3.5.2.1. ANÁLISIS MODAL ESPECTRAL ESPACIAL.............................. 40. 3.5.2.2. MATRIZ DE RIGIDEZ EN COORDENADAS DE PISO ............... 41. 3.5.2.3. MATRIZ DE MASAS ................................................................... 43. 3.5.2.4. MODOS DE VIBRACIÓN ............................................................ 48. 3.6. COMPARACIÓN DE FUERZAS POR NIVEL ......................................... 50. 3.7. ANÁLISIS PUSHOVER DE LA ESTRUCTURA ORIGINAL .................... 52. 3.7.1. PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DEL ANÁLISIS POR. PUSHOVER EN SAP2000 ............................................................................. 54 3.7.2. ANÁLISIS PUSHOVER, 1ER MODO DE VIBRACIÓN (SENTIDO. X)………… ……………………………………………...…………………………..55 3.7.2.1. CURVA DE CAPACIDAD ............................................................ 55. 3.7.2.2. PUNTO DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA ORIGINAL .... ... ... .................................................................................................... 56. 3.7.3. ANÁLISIS. POR. PUSHOVER,. 2DO. MODO. DE. VIBRACIÓN. (SENTIDO Y) ................................................................................................. 56 3.7.3.1. CURVA DE CAPACIDAD ............................................................ 57. 3.7.3.2. PUNTO DE DESEMPEÑO .......................................................... 57. CAPITULO 4 ......................................................................................................... 60 4. REFORZAMIENTO CON MUROS DE CORTE ............................................. 60 4.1. UBICACIÓN DE LOS MUROS DE CORTE ............................................ 60. 4.2. ESPECTRO DE RESPUESTA SEGÚN NEC-15 .................................... 61.

(11) X. 4.2.1 4.3. ESPECTRO DE DISEÑO .................................................................. 62. DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES ......................................... 63. 4.3.1. MÉTODO ESTÁTICO (NEC) ............................................................. 63. 4.3.2. MÉTODO DINÁMICO ........................................................................ 64. 4.3.2.1. MATRIZ DE RIGIDEZ EN COORDENADAS DE PISO ............... 64. 4.3.2.2. MATRIZ DE MASA ...................................................................... 68. 4.3.3 4.4. COMPARACIÓN DE FUERZAS POR NIVEL .................................... 73. ANÁLISIS POR PUSHOVER EN ESTRUCTURA CON MUROS............ 75. 4.4.1. ANÁLISIS. POR. PUSHOVER,. 1ER. MODO. DE. VIBRACIÓN. (SENTIDO Y)…….. ........................................................................................ 76 4.4.1.1. PROCEDIMIENTO ...................................................................... 76. 4.4.1.2. CURVA DE CAPACIDAD ............................................................ 78. 4.4.1.3. PUNTO DE DESEMPEÑO .......................................................... 78. 4.4.2. ANÁLISIS. POR. PUSHOVER,. 2DO. MODO. DE. VIBRACIÓN. (SENTIDO X) ................................................................................................. 81. 4.5. 4.4.2.1. PROCEDIMIENTO ...................................................................... 81. 4.4.2.2. CURVA DE CAPACIDAD ............................................................ 81. 4.4.2.3. PUNTO DE DESEMPEÑO .......................................................... 82. ESTUDIO ECONÓMICO DEL REFORZAMIENTO CON MUROS DE. CORTE .............................................................................................................. 84 4.5.1. RUBROS ........................................................................................... 84. 4.5.2. VOLÚMENES DE OBRA ................................................................... 84. 4.5.3. ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS ............................................... 85. 4.5.4. COSTOS INDIRECTOS .................................................................... 86. 4.5.5. PRESUPUESTO FINAL .................................................................... 87. CAPITULO 5 ......................................................................................................... 88.

(12) XI. 5. REFORZAMIENTO CON DISIPADORES DE ENERGÍA TIPO SHEAR LINK. BOZO (SLB) .......................................................................................................... 88 5.1. IMPORTANCIA DE UTILIZAR DISIPADORES DE ENERGÍA ................ 88. 5.1.1. DISIPADORES METÁLICOS............................................................. 89. 5.1.1.1. DISIPADORES TIPO SHEAR-LINK ............................................ 91. 5.2. UBICACIÓN DE LOS DISIPADORES SLB EN LA EDIFICACIÓN ......... 94. 5.3. SELECCIÓN DE LOS DISIPADORES SHEAR LINK BOZO SLB ........... 97. 5.3.1. ESPECTRO. DE. RESPUESTA. SEGÚN. NEC-15. (MÉTODO. ESTÁTICO) .................................................................................................... 97 5.3.1.1 5.3.2. ESPECTRO DE DISEÑO ............................................................ 98. PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DE LOS DISIPADORES. SHEAR LINK BOZO (SLB)............................................................................. 99 5.4. MODELACIÓN DE LOS DISIPADORES SHEAR LINK BOZO EN. SAP2000.......................................................................................................... 102 5.5. DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES ....................................... 104. 5.5.1. MÉTODO ESTÁTICO NEC ............................................................. 104. 5.5.2. MÉTODO DINÁMICO ...................................................................... 106. 5.5.2.1. MATRIZ DE RIGIDEZ EN COORDENADAS DE PISO ............. 106. 5.5.2.2. MATRIZ DE MASA .................................................................... 108. 5.5.3 5.6. COMPARACIÓN DE FUERZAS POR NIVEL .................................. 110. ANÁLISIS POR PUSHOVER DE LA ESTRUCTURA CON. DISIPADORES…............................................................................................. 111 5.6.1. ANÁLISIS. POR. PUSHOVER,. 1ER. MODO. DE. VIBRACIÓN. (SENTIDO Y)………. .................................................................................... 113 5.6.1.1. PROCEDIMIENTO .................................................................... 113. 5.6.1.2. CURVA DE CAPACIDAD .......................................................... 113.

(13) XII. 5.6.1.3 5.6.2. PUNTO DE DESEMPEÑO ........................................................ 114. ANÁLISIS. POR. PUSHOVER,. 2DO. MODO. DE. VIBRACIÓN. (SENTIDO X) ............................................................................................... 116 5.6.2.1. PROCEDIMIENTO .................................................................... 116. 5.6.2.2. CURVA DE CAPACIDAD .......................................................... 116. 5.6.2.3. PUNTO DE DESEMPEÑO ........................................................ 117. 5.6.3. VERIFICACIÓN DEL DESPLAZAMIENTO DE LOS DISIPADORES. EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO. .............................................................. 119 5.6.4. VERIFICACIÓN. DE. LA. FUERZA. DE. CORTE. EN. LOS. DISIPADORES, EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO ..................................... 120 5.6.5. DIAGONALES. COMPONENTES. DEL. CONTRAVIENTO. CHEVRON…. ............................................................................................... 122 5.7. PLACAS GUSSET ................................................................................ 125. 5.7.1. RESISTENCIA A TENSIÓN ............................................................ 126. 5.7.2. RESISTENCIA A CORTANTE VERTICAL ...................................... 126. 5.7.3. RESISTENCIA POR BLOQUE DE CORTANTE.............................. 127. 5.7.4. RESISTENCIA A COMPRESIÓN .................................................... 127. 5.7.5. SOLDADURA .................................................................................. 129. 5.8. ESTUDIO ECONÓMICO DEL REFORZAMIENTO CON DISIPADORES. DE ENEGÍA SHEAR LINK ............................................................................... 133. 6. 5.8.1. RUBROS ......................................................................................... 133. 5.8.2. VOLÚMENES DE OBRA ................................................................. 133. 5.8.3. ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS ............................................. 133. 5.8.4. PRESUPUESTO FINAL .................................................................. 134. COMPARACIÓN DE RESULTADOS ........................................................... 135 6.1. COMPARACIÓN DE CURVAS DE CAPACIDAD ................................. 135.

(14) XIII. 6.2. COMPARACIÓN DE DESPLAZAMIENTOS Y DERIVAS INELASTICAS. (SENTIDO X, Y) ............................................................................................... 136 6.3. INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN EL. PUNTO DE DESEMPEÑO .............................................................................. 140 6.3.1 EL. INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN ESTADO. DE. RÓTULAS. EN. EL. PUNTO. DE. DESEMPEÑO,. ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS .............................................. 140 6.3.2 EL. INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN PUNTO. DE. DESEMPEÑO,. ESTRUCTURA. REFORZADA. CON. DISIPADORES............................................................................................. 142 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 144 7.1. CONCLUSIONES ................................................................................. 144. 7.2. RECOMENDACIONES ......................................................................... 146. 8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 147. 9. ANEXOS .......................................................................................................... 1.

(15) XIV. INDICE DE FIGURAS. FIGURA 2.1 CURVA DE CAPACIDAD Y LOS DISTINTOS NIVELES DE DESEMPEÑO ......................................................................................................... 7 FIGURA 2.2 ESQUEMA DEL MÉTODO DEL PUSHOVER .................................. 18 FIGURA 2.3 MODELO DE CURVA DE CAPACIDAD DE UNA ESTRUCTURA ....... .............................................................................................................................. 20 FIGURA 2.4 ESPECTRO DE DISEÑO DE LA NORMA NEC15 ........................... 21 FIGURA 2.5 PROCESO PARA DETERMINAR EL PUNTO DE DESEMPEÑO DE UNA ESTRUCTURA. ............................................................................................ 22 FIGURA 2.6 CURVA TÍPICA DE CAPACIDAD ..................................................... 24 FIGURA 2.7 ESPECTRO DE RESPUESTA EN FORMATO TRADICIONAL Y ADRS .................................................................................................................... 25 FIGURA 2.8 APROXIMACIÓN DE DESPLAZAMIENTOS IGUALES .................... 26 FIGURA 2.9 REPRESENTACIÓN BILINEAL DEL ESPECTRO DE CAPACIDAD ……. ...................................................................................................................... 27 FIGURA 2.10 LUGAR GEOMETRICO DE POSIBLE PUNTOS DE DESEMPEÑO USANDO MADRS ................................................................................................. 29 FIGURA 3.1 GEOMETRÍA GENERAL EN PLANTA ............................................. 30 FIGURA 3.2 GEOMETRÍA GENERAL EN ELEVACIÓN ....................................... 31 FIGURA 3.3 MODIFICACIÓN DE LA RIGIDEZ A FLEXIÓN DE COLUMNAS Y VIGAS EN EL PROGRAMA SAP2000 .................................................................. 33 FIGURA 3.4 CARGA VIVA ASIGNADA EN EL NIVEL N+10.2 ............................. 37.

(16) XV. FIGURA 3.5 ESPECTRO ELÁSTICO E INELÁSTICO PARA. EL. SISMO. DE. DISEÑO …………………………………………………………… ............................. 40 FIGURA 3.6 GRADOS DE LIBERTAD POR PLANTA .......................................... 41 FIGURA 3.7 NUMERACIÓN DE NUDOS Y ELEMENTOS DEL PÓRTICO 7. ...... 43 FIGURA 3.8 CENTRO DE MASA EN EL N + 3.4 .................................................. 45 FIGURA 3.9 CENTRO DE MASA EN EL N + 6.8 .................................................. 46 FIGURA 3.10 CENTRO DE MASA EN EL N + 10.2 .............................................. 46 FIGURA 3.11 CENTRO DE MASA EN EL N + 13.6 .............................................. 47 FIGURA 3.12 COMPARACIÓN FUERZAS POR NIVEL (SENTIDO X E Y) .......... 51 FIGURA 3.13 PRIMER Y SEGUNDO MODO DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA SIN REFORZAMIENTO ............................................................... 53 FIGURA 3.14 CURVA DE CAPACIDAD SENTIDO X ........................................... 55 FIGURA 3.15 GRAFICO EN FORMATO ADRS (CURVA DE CAPACIDAD EN VERDE Y CURVA DE DEMANDA EN ROJO) (PUSHOVER SENTIDO X)……….56 FIGURA. 3.16. CURVA. DE. CAPACIDAD. DE. LA. ESTRUCTURA. SIN. REFORZAMIENTO, PUSHOVER EN SENTIDO Y ............................................... 57 FIGURA 3.17 CURVA DE CAPACIDAD Y CURVA DE DEMANDA ...................... 58 FIGURA 4.1 UBICACIÓN DE LOS MUROS DE CORTE EN PLANTA ................. 61 FIGURA 4.2 ESPECTRO ELÁSTICO E INELÁSTICO PARA EL SISMO DE DISEÑO................................................................................................................. 63 FIGURA 4.3 COORDENADAS LOCALES PARA EL ELEMENTO VIGA .............. 66 FIGURA 4.4 COORDENADAS LOCALES PARA EL ELEMENTO COLUMNA ....... .. .............................................................................................................................. 66.

(17) XVI. FIGURA 4.5 NUMERACIÓN DE NUDOS, ELEMENTOS y GRADOS DE LIBERTAD DEL PÓRTICO 7................................................................................. 67 FIGURA 4.6 CENTRO DE MASA EN EL N + 3.4 .................................................. 69 FIGURA 4.7 CENTRO DE MASA EN EL N +6.8 ................................................... 70 FIGURA 4.8 CENTRO DE MASA EN EL N +10.2 ................................................. 70 FIGURA 4.9 CENTRO DE MASA EN EL N +13.6 ................................................. 71 FIGURA 4.10 COMPARACIÓN FUERZAS POR NIVEL EN ESTRUCTURA CON MUROS (SENTIDO X E Y).................................................................................... 74 FIGURA 4.11 PRIMER Y SEGUNDO MODO DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA CON MUROS ............................................................................... 75 FIGURA 4.12 ARMADO DE UN ELEMENTO SHELL, COMPONENTE DEL MURO UBICADO SOBRE EL EJE 7................................................................................. 77 FIGURA 4.13 CURVA DE CAPACIDAD DE LA ESTRUCTURA, PUSHOVER EN SENTIDO Y ........................................................................................................... 78 FIGURA 4.14 PUNTO DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA CON MUROS (PUSHOVER SENTIDO Y).................................................................................... 79 FIGURA 4.15 ESTADO DE RÓTULAS EN LA ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS, EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO. ........................................................ 80 FIGURA 4.16 CURVA DE CAPACIDAD DE LA ESTRUCTURA, PUSHOVER EN SENTIDO X ........................................................................................................... 81 FIGURA 4.17 PUNTO DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA CON MUROS (PUSHOVER SENTIDO X).................................................................................... 82 FIGURA 4.18 ESTADO DE RÓTULAS EN LA ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS, EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO. ........................................................ 83.

(18) XVII. FIGURA 5.1 IDEALIZACIÓN DE LA RELACIÓN CARGA DESPLAZAMIENTO EN UN AMORTIGUADOR METÁLICO ....................................................................... 90 FIGURA 5.2 DIMENSIONES DE UN DISIPADOR SL30_2 Y ENSAYO DE UN MODELO EXPERIMENTAL. ................................................................................. 91 FIGURA 5.3 DISIPADOR DE ENERGÍA SHEAR LINK BOZO (SLB) SOBRE CONTRAVIENTO CHEVRÓN ............................................................................... 94 FIGURA 5.4 IDENTIFICACIÓN EN PLANTA DE LOS PÓRTICOS EN LOS QUE SE HA COLOCADO DISIPADORES SHEAR LINK BOZO (SLB) ......................... 95 FIGURA 5.5 UBICACIÓN DEL CONJUNTO DISIPADOR – CONTRAVIENTO CHEVRON EN LOS DISTINTOS PÓRTICOS....................................................... 95 FIGURA 5.6 ESPECTRO DE DISEÑO PARA LA ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES SLB ..................................................................................... 99 FIGURA 5.7 DEFINICIÓN DE DISIPADOR SLB COMO ELEMENTO FRAME......... ............................................................................................................................ 100 FIGURA 5.8 DETALLE MODELACIÓN DEL DISIPADOR SLB........................... 100 FIGURA 5.9 CORTE 3-3 DEBIDO AL ESPECTRO INELÁSTICO [KN] .............. 101 FIGURA 5.10 COMBINACIÓN DE RESORTES EN SERIE ................................ 104 FIGURA 5.11 RESORTE INCLINADO ................................................................ 105 FIGURA 5.12 NUMERACIÓN DE NUDOS, ELEMENTOS y GRADOS DE LIBERTAD DEL PÓRTICO 7............................................................................... 107 FIGURA 5.13 DIEZ PRIMEROS PERIODOS Y MODOS DE VIBRACIÓN ......... 109 FIGURA 5.14 COMPARACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS POR NIVEL EN ESTRUCTURA CON DISIPADORES DE ENERGÍA (SENTIDO X E Y) ....... 110.

(19) XVIII. FIGURA 5.15 PRIMER Y SEGUNDO MODO DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA CON DISIPADORES ................................................................. 112 FIGURA 5.16 CURVA DE CAPACIDAD DE LA ESTRUCTURA, PUSHOVER EN SENTIDO Y ......................................................................................................... 113 FIGURA 5.17 PUNTO DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA CON DISIPADORES (PUSHOVER SENTIDO Y) ........................................................ 114 FIGURA 5.18 ESTADO DE RÓTULAS, EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO, EN LA ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES (PUSHOVER SENTIDO Y). .... ............................................................................................................................ 115 FIGURA 5.19 CURVA DE CAPACIDAD DE LA ESTRUCTURA, PUSHOVER EN SENTIDO X ......................................................................................................... 116 FIGURA 5.20 PUNTO DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA CON DISIPADORES (PUSHOVER SENTIDO X) ........................................................ 117 FIGURA 5.21 ESTADO DE RÓTULAS, EN LA ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES, EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO (PUSHOVER SENTIDO X)……...…………………………………………………………………………………118 FIGURA 5.22 DETALLE DISIPADOR SHEAR LINK Y CONTRAVIENTO CHEVRÓN .......................................................................................................... 125 FIGURA 5.23 DETALLE PLACA GUSSET INFERIOR ....................................... 125 FIGURA 5.24 DETALLE PLACA GUSSET SUPERIOR ...................................... 126 FIGURA 5.25 TIPOS DE PÓRTICOS PARA INSTALACIÓN DE DISIPADORES..... ............................................................................................................................ 130 FIGURA 6.1 COMPARACIÓN DE CURVAS DE CAPACIDAD (PUSHOVER SENTIDO X E Y) ................................................................................................. 135.

(20) XIX. FIGURA. 6.2. DESPLAZAMIENTOS. PRESENTES. EN. EL. PUNTO. DE. DESEMPEÑO (SENTIDO X E Y) ........................................................................ 137 FIGURA 6.3 COMPARACIÓN DE DERIVAS INELÁSTICAS (SENTIDO X E Y) …………………………………………………………………………………………...138 FIGURA 6.4 INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN. EL. ESTADO. DE. RÓTULAS. EN. EL. PUNTO. DE. DESEMPEÑO,. ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS, PUSHOVER SENTIDO Y (1ER MODO). ............................................................................................................... 140 FIGURA 6.5 INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN. EL. ESTADO. DE. RÓTULAS. EN. EL. PUNTO. DE. DESEMPEÑO,. ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS, PUSHOVER SENTIDO X (2DO MODO). ............................................................................................................... 141 FIGURA 6.6 INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN. EL. ESTADO. DE. RÓTULAS. EN. EL. PUNTO. DE. DESEMPEÑO,. ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES, PUSHOVER SENTIDO Y (1ER MODO)………………………………………………………………… .………..142 FIGURA 6.7 INFLUENCIA DE LA DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS LATERALES EN. EL. ESTADO. DE. RÓTULAS. EN. EL. PUNTO. DE. DESEMPEÑO,. ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES, PUSHOVER SENTIDO X (2DO MODO)……….. ...………………………………………………………………..143.

(21) XX. INDICE DE TABLAS. TABLA 2.1 OBJETIVOS DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO BASADO EN FUERZAS............................................................................................................... 5 TABLA 2.2 NIVELES DE RENDIMIENTO ESTRUCTURAL PARA UN SISMO DE UN PERIODO DE RETORNO DE 475 AÑOS– ELEMENTOS VERTICALES........ 9 TABLA 2.3 NIVELES DE RENDIMIENTO ESTRUCTURAL PARA UN SISMO DE UN PERIODO DE RETORNO DE 475 AÑOS – ELEMENTOS HORIZONTALES ............................................................................................................................ .13 TABLA 2.4 NIVELES DE RENDIMIENTO NO ESTRUCTURAL PARA UN SISMO DE. UN. PERIODO. DE. RETORNO. DE. 475. AÑOS. –. ELEMENTOS. ARQUITECTÓNICOS .......................................................................................... 15 TABLA 2.5 COMBINACIONES DE NIVELES DE DESEMPEÑO ESTRUCTURAL Y NO ESTRUCTURAL ......................................................................................... 17 TABLA 3.1 FACTORES PARA TRASFORMAR LOS LÍMITES INFERIORES DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES A RESISTENCIAS ESPERADAS. .. ............................................................................................................................. 32 TABLA 3.2 SOBRECARGA MUERTA EN LOSA DE ENTREPISO Y CUBIERTA 34 TABLA 3.3 SOBRECARGAS MÍNIMAS UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS..... 36 TABLA 3.4 PARÁMETROS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPECTRO DE RESPUESTA........................................................................................................ 38 TABLA 3.5 CÁLCULO DE LA MASA POR CADA NIVEL ..................................... 44 TABLA 3.6 UBICACIÓN DEL CENTRO DE MASA PARA LOS DISTINTOS NIVELES DE LA ESTRUCTURA ORIGINAL ....................................................... 45.

(22) XXI. TABLA 3.7 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+3.4 ........ 45 TABLA 3.8 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 6.8 ....... 46 TABLA 3.9 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 10.2 ..... 47 TABLA 3.10 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 13.6 ....... ............................................................................................................................. 47 TABLA 3.11 DIEZ PRIMEROS PERIODOS Y MODOS DE VIBRACIÓN ............ 49 TABLA 3.12 PERIODOS Y PARTICIPACIÓN DE MASA MODAL EFECTIVA DE LA ESTRUCTURA ORIGINAL ............................................................................. 50 TABLA 3.13 COMPARACIÓN FUERZAS POR NIVEL (SENTIDO X E Y) ........... 50 TABLA 3.14 COMPARACIÓN DE PERIODOS .................................................... 53 TABLA 4.1 PARÁMETROS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPECTRO DE RESPUESTA........................................................................................................ 61 TABLA 4.2 RIGIDEZ EN CADA NIVEL DE LA ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS ................................................................................................................ 64 TABLA 4.3 CÁLCULO DE LA MASA POR CADA NIVEL ..................................... 68 TABLA 4.4 UBICACIÓN DEL CENTRO DE MASA PARA LOS DISTINTOS NIVELES DE LA ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS ........................... 69 TABLA 4.5 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 3.4 ....... 69 TABLA 4.6 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 6.8 ....... 70 TABLA 4.7 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 10.2 ..... 71 TABLA 4.8 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA MASA N+ 13.6 ..... 71 TABLA 4.9 DIEZ PRIMEROS PERIODOS Y MODOS DE VIBRACIÓN .............. 72.

(23) XXII. TABLA 4.10 PERIODOS Y PARTICIPACIÓN DE LA MASA MODAL EFECTIVA EN LA ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS ........................................... 73 TABLA 4.11 COMPARACIÓN FUERZAS POR NIVEL (SENTIDO X E Y) ........... 73 TABLA 4.12 COMPARACIÓN DE PERIODOS .................................................... 76 TABLA 4.13 NÚMERO DE RÓTULAS EN EL PTO DE DESEMPEÑO (ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS – PUSHOVER SENTIDO Y) ........ 80 TABLA 4.14 NÚMERO DE RÓTULAS EN EL PTO DE DESEMPEÑO (ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS – PUSHOVER SENTIDO X) ........ 83 TABLA 4.15 VOLÚMENES DE OBRA ESTRUCTURA REFORZADA CON MUROS DE CORTE ............................................................................................ 85 TABLA 4.16 PRESUPUESTO ALTERNATIVA REFORZAMIENTO CON MUROS DE CORTE ........................................................................................................... 87 TABLA 5.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA PASIVOS.............................................................................................................. 90 TABLA 5.2 DISIPADORES SHEAR LINK CON SUS CORRESPONDIENTES PARÁMETROS DE DISEÑO................................................................................ 93 TABLA 5.3 PARÁMETROS PARA LA OBTENCIÓN DEL ESPECTRO DE RESPUESTA........................................................................................................ 97 TABLA 5.4 FUERZAS DEBIDO AL ESPECTRO INELÁSTICO EN DISIPADORES “FRAME” DE PÓRTICOS A Y 7. ........................................................................ 101 TABLA 5.5 RIGIDEZ EN CADA NIVEL DE LA ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES SLB ........................................................................................... 106 TABLA 5.6 PERIODOS Y PARTICIPACIÓN DE LA MASA MODAL EFECTIVA EN LA ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES DE ENERGÍA ............. 109 TABLA 5.7 COMPARACIÓN FUERZAS POR NIVEL (SENTIDO X E Y) ........... 110.

(24) XXIII. TABLA 5.8 COMPARACIÓN DE PERIODOS .................................................... 112 TABLA 5.9 NÚMERO DE RÓTULAS EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO (ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES – PUSHOVER SENTIDO Y) ........................................................................................................................... 115 TABLA 5.10 NÚMERO DE RÓTULAS EN EL PTO DE DESEMPEÑO (ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES – PUSHOVER SENTIDO X) ........................................................................................................................... 118 TABLA 5.11 DESPLAZAMIENTO DE LOS DISIPADORES SLB MEDIDO EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO. ................................................................................ 119 TABLA 5.12 FUERZAS EN LOS DISIPADORES SLB MEDIDAS EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO. ............................................................................................. 121 TABLA 5.13 FUERZAS ACTUANTES EN LOS TUBOS ESTRUCTURALES, EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO Y AL PRESENTARSE LA PRIMERA RÓTULA EN COLAPSO. ......................................................................................................... 123 TABLA 5.14. DATOS PARA E CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LAS PLACAS. GUSSET. 130. TABLA 5.15 DETALLE DE CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LAS PLACAS GUSSET............................................................................................................. 131 TABLA 5.16 CAPACIDAD DE LAS PLACAS GUSSET ...................................... 132 TABLA 5.17 VOLÚMENES DE OBRA ESTRUCTURA REFORZADA CON DISIPADORES SLB ........................................................................................... 133 TABLA. 5.18. PRESUPUESTO. ALTERNATIVA. REFORZAMIENTO. CON. DISIPADORES SLB ........................................................................................... 134 TABLA. 6.1. PORCENTAJE. DE. REDUCCIÓN. DE. DESPLAZAMIENTOS. RESPECTO DE LA ESTRUCTURA ORIGINAL (SENTIDO X E Y). .................. 137.

(25) XXIV. TABLA 6.2 PORCENTAJE DE DERIVAS INELÁSTICAS (SENTIDO X E Y) ........... ........................................................................................................................... 138.

(26) RESUMEN. En este proyecto se ha realizado una propuesta teórica para el reforzamiento de una edificación afectada por el sismo del 16 de abril del 2016, mediante el uso de disipadores de energía tipo Shear Link Bozzo. Esta propuesta ha sido comparada con un reforzamiento en el que se ha usado muros de corte. Se ha realizado análisis estático no lineales por el método del espectro de capacidad, tanto en la estructura original como en la estructura reforzada con muros y disipadores de energía con el fin de conocer sus curvas de capacidad y sus puntos de desempeño. La comparación de las curvas de capacidad establece una clara diferencia entre las estructuras reforzadas y la estructura original, permitiendo conocer la magnitud en la que se ha logrado incrementar la resistencia de la estructura. De la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-15), y las características del lugar de implantación de la edificación se ha determinado el espectro de diseño el cual, junto con la curva de capacidad, han permitido determinar los puntos de desempeño de las estructuras original y reforzadas. Estos puntos representan el máximo desplazamiento al que la estructura estará sometida si se presentase el sismo de diseño, razón por la cual se ha realizado una comparación de la capacidad estructural y derivas en este punto. El análisis Pushover ha permitido mostrar también la secuencia de formación de rótulas en vigas y columnas conforme aumenta el corte basal, a partir de lo cual se ha realizado una comparación del estado estructural en el punto de desempeño, estableciéndose así un parámetro a partir del cual se ha establecido si los reforzamientos resultan o no adecuados. El realizar un análisis por Pushover ha requerido una distribución de fuerzas laterales, mismas que han sido calculadas mediante los modos de vibración de la estructura a través de un código de Matlab y mediante métodos simplificados expuestos por la NEC-15. Estas distribuciones de fuerzas han sido utilizadas con el objetivo de conocer y comparar su influencia en el punto de desempeño. Los resultados finales de este análisis han sido comparados en términos de nivel de desempeño, derivas inelásticas y cortantes que presentan cada modelo de la estructura..

(27) II. ABSTRACT. This project presents a theoretical proposal for a structural retrofitting made with Shear Link Bozzo energy dissipation devices applied on a building affected by the earthquake occurred in April 16, 2016 located in Ecuador. This proposal has been compared with a retrofitted alternative using shear walls. A nonlinear static analysis Pushover has been conducted in the original structure as well as the retrofitted ones with walls and energy dissipation devices, in order to obtain its capacity curves and performance points. The comparison of the capacity curves will establish a clear difference between retrofitted structures and the original one, allowing to understand the magnitude increased in the resistance of the structure for each retrofitting option. The Local Building Code NEC-15, and the characteristics of the location of the building, guided the definition of the design response spectrum. Altogether, the design response spectrum and the capacity curve of the structures, have allowed to obtain the performance points of the retrofitted structures and the original one. These points represent the maximum displacement at which each structure will be subjected if there were a strong earthquake; for this reason, there are comparisons for the structural capacity and the inelastic drifts at that points. The Pushover analysis has allowed to show the sequence of the occurrence of inelastic hinges on beams and columns, according with the base shear increased. From the Pushover analyses we have developed a comparison of the structural condition in the performance points, thus establishing a parameter in order to let us know whether the retrofitting is appropriate or not. Carrying out a pushover analysis requires a distribution of lateral forces, these forces have been calculated using MATLAB algorithms and simplified methods like the ones presented by the NEC-15, as well for retrofitted structures as the original one. These two alternatives of distributions for the lateral forces have been used in the objective to know and compare their influence on the performance point. The final results of these analyses have been compared in function of performance levels, inelastic drifts and total base shear, that are obtained in each structural model..

(28) 1. CAPÍTULO 1 1. INTRODUCCIÓN. La región Latinoamericana al encontrase en una zona geográfica de confluencia de las placas tectónicas de América del Sur, Nazca, y del Caribe, presenta gran actividad sísmica y volcánica. A lo largo de la historia se han producido sismos de gran magnitud en estas zonas y uno de los más recientes es el sismo de Pedernales (2016), el cual dejó a su paso graves daños estructurales, pérdidas económicas y pérdidas humanas. Estas pérdidas no se deben directamente al evento sísmico sino a fallas en las estructuras las cuales son diseñadas para el bienestar y seguridad de las personas y no cumplen con este propósito de diseño. Debido a los daños que se han producido en las estructuras durante los sismos, se ve la necesidad de utilizar nuevas técnicas de diseño para mejorar el desempeño de las estructuras, dentro de estas tecnologías tenemos los disipadores de energía. Pero el solo uso de disipadores de energía no es suficiente, es también necesario realizar un análisis de las edificaciones más real y para esto tenemos los análisis de estructuras no lineales. En el presente trabajo utilizaremos el análisis estático no lineal por el método del espectro de capacidad (Pushover).. 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 OBJETIVO GENERAL Reducir la vulnerabilidad sísmica del edificio de la Pontificia Universidad Católica Del Ecuador Sede Bahía, mediante la implementación de disipadores de energía tipo Shear-Link o el reforzamiento con muros de corte. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ·. Exponer las ventajas y limitaciones del Diseño Basado en Fuerzas..

(29) 2. ·. Poner en evidencia la motivación y necesidad del Diseño Basado en Desempeño.. ·. Dar a conocer los límites del análisis estático lineal.. ·. Determinar el punto de desempeño original de la estructura (previo al evento sísmico).. ·. Determinar el punto de desempeño de la estructura una vez colocados los disipadores tipo Shear-Link.. ·. Comparar eficiencia y costos del reforzamiento de un edificio con disipadores de energía tipo Shear-Link respecto de uno con muros de corte.. 1.2 JUSTIFICACIÓN Durante el sismo del 16 de abril del 2016, en el edificio de la PUCE, sede Bahía, varias paredes colapsaron, otras se agrietaron sin posibilidad de reparación. Pero la estructura no colapsó ni tampoco hubo fallecidos, cumpliendo sin duda el objetivo del diseñador, de garantizar la seguridad de vidas. El nivel de desempeño que presentó esta estructura, construida hace más de 20 años, parecería adecuado, pero los centros educativos son lugares que con frecuencia se usan como alberges, y al igual que hospitales, estaciones de bomberos, estaciones de policía, entre otros, deben presentar una funcionalidad inmediata luego de un sismo. En el presente trabajo se intenta lograr la meta antes mencionada, mediante la disipación de la energía sísmica, que ingresa a la estructura durante un sismo, utilizando mecanismos de amortiguamiento. Estos dispositivos, también llamados amortiguadores mecánicos, buscan reducir la respuesta dinámica de la estructura ante el sismo, activándose mediante el movimiento de la estructura, y debido a su alta rigidez “atrae” la energía sísmica protegiendo así a la estructura. Posterior al evento sísmico y a partir de una inspección se decidirá si los dispositivos deben.

(30) 3. ser reemplazados. Idealmente si toda la energía es absorbida por los dispositivos mecánicos, la estructura principal no presenta daños1.. 1.3 ALCANCE Se supondrá que la mampostería es un elemento puramente arquitectónico, es decir que se negarán sus efectos de incrementar la rigidez de la estructura y aumentar la resistencia inicial del sistema resistente a cargas laterales, esto por la suposición que el reforzamiento dará a la estructura principal una gran rigidez que hará que los elementos no estructurales no trabajen, o que si las mamposterías tendrán un rápido fallo que pueden provocar patologías como pisos blandos, al ser este un edificio de baja altura no se tendrán momentos de segundo orden influyentes. Si bien la modelación de la mampostería no se realizará, si se tomará en cuenta su carga, como se detalla posteriormente. Para el análisis de la estructura se usará el espectro de aceleraciones calculado según la norma (NEC, 2015) mas no acelerogramas reales ya que no se tiene registros de esta zona del sismo ocurrido en abril de 2016, es decir, se realizará un análisis estático no lineal, mas no un análisis dinámico no lineal. Es conocido que el procedimiento del análisis estático no lineal solo toma en cuenta el aporte del primer modo de vibración, esta limitación se salvará mediante la utilización de un código en Matlab, el cual tomará en cuenta el aporte de todos los modos de vibración. En ningún caso se modelará o tomará en cuenta la interacción sueloestructura [ASCE 41-13].. 1. Christopoulos C., Filitrault A., (2006), Principles of Passive Suplemental Damping and Seismic Isolation, Pavia – Italy, Primera Edicion..

(31) 4. CAPÍTULO 2 2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. La disipación de la energía que ingresa al sistema, mediante energía histerética conlleva directamente a daño estructural, el cual se considerará aceptable mientras la estructura no supere los niveles de desempeño a la que fue diseñada. [ASCE 41-13, NEC-15].. 2.1 ANÁLISIS NO LINEAL El análisis no lineal de estructuras tiene un mayor grado de dificultad porque este análisis toma en cuenta la variación de la rigidez de los elementos que conforman la estructura (vigas, columnas, etc.) durante el proceso de deformación, es por esto que es necesario un proceso iterativo que modifique la rigidez. El análisis no lineal estático es una de las opciones para encontrar la respuesta sísmica estructural y es la que se va a utilizar en el presente trabajo.. 2.2 DISEÑO BASADO EN FUERZAS Este enfoque determina la resistencia lateral que la estructura presenta al realizar un análisis lineal con una supuesta ductilidad impuesta según códigos ante un espectro de diseño de aceleraciones. Este proceso se resume en obtener las fuerzas laterales de diseño de la estructura y dividirlas por el factor de reducción de resistencia sísmica R, el cual toma en cuenta la sobre resistencia inherente, la capacidad de ductilidad del sistema resistente a cargas laterales y el amortiguamiento que la estructura desarrollará. Los objetivos que se buscan al utilizar este procedimiento de diseño varían de acuerdo al nivel de amenaza sísmica, así:.

(32) 5. TABLA 2.1 OBJETIVOS DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO BASADO EN FUERZAS Sismo Frecuente Ocasional. Raro. Objetivo Brindar una suficiente rigidez lateral para proteger a los elementos estructurales como no estructurales. Daños importantes en la estructura principal. Una suficiente ductilidad de la estructura para tener en cuenta grandes desplazamientos inelásticos pero sin el colapso del sistema de carga vertical.. FUENTE: Christopoulos , 2016 ELABORADO POR: Paúl Torres y Andrés Matango Donde la ductilidad deseada se logra a través de detallamiento adecuado especificado en los códigos de diseño. El procedimiento de diseño, a través del método basado en fuerzas, se lo realiza, generalmente, usando el análisis lineal estático, donde se calcula el corte basal que el sistema resistente de cargas laterales debe resistir. Este corte basal elástico es dividido para el factor de reducción sísmica R, para tomar en cuenta factores como la ductilidad de la estructura, la redundancia y el amortiguamiento producido por el daño de elementos. Entonces el diseño de los elementos se realiza mediante la combinación de las fuerzas de diseño laterales, distribuidas en la altura de la edificación, y las cargas de diseño muertas y vivas. Completándose el diseño con el cálculo de la deriva inelástica, verificándose que en cada nivel no se supere el límite establecido en el respectivo código local, en este caso la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC, 2015)..

(33) 6. 2.3 DISEÑO BASADO EN DESEMPEÑO Resulta natural el considerar que, de acuerdo a la importancia de la estructura y el nivel de peligro sísmico, del lugar en el que se construirá, se debería seleccionar un objetivo de diseño de un conjunto de niveles de desempeño estructural. Este enfoque se denomina “Diseño Basado en Desempeño” (DBD), el cual provee las herramientas para que el ingeniero diseñador se asegure que el nivel de desempeño se logre para cada nivel de acción sísmica al que la estructura podría estar sometida. Al usar el Diseño Basado en Fuerzas, se busca un único nivel de desempeño, el cual consiste en garantizar la seguridad de vida ante el sismo de diseño, objetivo que se ha logrado ante varios sismos, pero no se ha considerado el costo de reparación o rehabilitación, pérdida de equipos, horas que las industrias dejan de producir, los cuales pueden ser muy elevados. Es por esto que se busca niveles de desempeño que correspondan a diferentes estados límite de daño estructural y no estructural tolerables. (FEMA 440 ,2005) Si bien la filosofía del DBD es adecuada para el diseño de una estructura nueva, también se la puede utilizar para evaluar estructuras existentes, diseñadas con códigos deficientes, las cuales se espera muestren un comportamiento inelástico severo, ante sismos severos, esto con el fin de tomar la mejor decisión en cuanto a su rehabilitación o mejora. En los códigos convencionales de diseño no se establece un nivel de desempeño específico, pero si el diseño cumple con el código la estructura no colapsará ante un sismo fuerte. (Guía Práctica NEC 2015,2016) Los niveles de desempeño más comunes son: ·. Ocupación inmediata (IO: Immediate Occupancy): daño insignificante o sin ningún daño. Comportamiento estructural prácticamente lineal..

(34) 7. ·. Seguridad de vida (LS: Life Safety): daños ligeros, permite un considerable Comportamiento inelástico.. ·. Prevención de colapso (CP: Collapse Prevention): la estructura sufre graves daños, pero aún no alcanza el colapso, llega a los límites de capacidad de ductilidad de sus elementos.. FIGURA 2.1 CURVA DE CAPACIDAD Y LOS DISTINTOS NIVELES DE DESEMPEÑO. FUENTE: Avramidis ,2016 Para mostrar de un modo gráfico los niveles de desempeño se los han representado en la Figura 2.1, para una construcción de hormigón armado con paredes de ladrillo, mediante un gráfico de la curva de capacidad. El desempeño de una edificación es una combinación del desempeño tanto de los componentes estructurales como de los no estructurales. (FEMA 356, 2000).

(35) 8. 2.3.1 NIVELES. DE. DESEMPEÑO. DE. LOS. COMPONENTES. ESTRUCTURALES En el FEMA 356 y ASCE 41-13 se establecen los distintos niveles de desempeño de elementos estructurales y sus posibles estados de daño, para un sismo de un periodo de retorno de 475 años. ·. Ocupación inmediata (S-1): estado de daño de la estructura posterior al terremoto que sigue siendo seguro para ocupar, conserva esencialmente la fuerza de diseño previo al terremoto y la rigidez de la estructura y cumple con los criterios de aceptación especificados para este nivel de desempeño estructural.. ·. Control de Daño (S-2): punto intermedio entre ocupación inmediata y seguridad de vida, proporciona una estructura fiable de prevenir el colapso y presentar daños menores a una estructura diseñada para el nivel de seguridad de vida.. ·. Seguridad de vida (S-3): estado de daño posterior al terremoto en el que se ha producido un daño significativo a la estructura, pero aún queda cierto margen de resistencia contra el colapso estructural parcial o total. Algunos elementos estructurales no estructurales están gravemente dañados, pero esto no ha dado lugar a grandes riesgos de caída de escombros, dentro o fuera del edificio.. ·. Seguridad limitada (S-4): se establece como el punto intermedio entre la seguridad de vida y prevención de colapso.. ·. Prevención de colapso (S-5): estado de daño posterior al terremoto que incluye graves daños a componentes estructurales de tal manera que la estructura continúa soportando cargas gravitacionales, pero no retiene margen contra cargas sísmicas.. ·. No considerado (S-6): cuando una rehabilitación del edificio no se refiera al desempeño..

(36) 9. TABLA 2.2 NIVELES DE RENDIMIENTO ESTRUCTURAL PARA UN SISMO DE UN PERIODO DE RETORNO DE 475 AÑOS– ELEMENTOS VERTICALES Niveles de rendimiento estructural y daños. Elementos verticales Niveles de rendimiento estructural. Elementos Secundarios Deriva. Marcos de hormigón. Elementos Primarios. Componentes Tipo. Prevención de colapso (S-5) Agrietamiento y formación de rótulas en elementos ductiles. Fractura limitado y/o falla en columnas no dúctiles Daño severo en columnas cortas.. Seguridad de vida (S-3). Ocupación inmediata (S-1). Daño extenso en vigas Pérdida de Agrietamiento recubrimiento y pequeño. agrietamiento por Fluencia limitada corte en en algunos columnas lugares. dúctiles.. Gran agrietamiento y formación de Poco rótulas en desprendimiento Extenso elementos en algunos desprendimiento en dúctiles. lugares in vigas y columnas. Agrietamiento columnas Daño articular limitado o fallo de dúctiles y severo. Algunos empalme en vigas.agrietamie reforzamientos algunas nto frexural en pandean. columnas no vigas y dúctiles. Daño columnas. severo en columnas cortas. 4% transitoria o permanente. 2% transitoria o 1% permanente. 1% transitoria o despreciable permanente.

(37) 10. Elementos Secundarios Elementos Primarios Deriva y secundarios Deriva. Bastidores de acero reforzado. Bastidores de acero. Elementos Primarios. TABLA 2.2 CONTINUACIÓN. Distorsión extensa de vigas y paneles de columnas. Algunas fracturas en conexiones a momento pero las conexiones a corte permanecen intactas.. Formación de rótulas. Pandeo local de algunos elementos viga. Gran distorsión de la articulación. Fractura en conexiones de momento aislada. Las conexiones a corte permanecen intactas.. Menor fluencia local en algunos lugares. Pandeo menor o distorsión observable de elementos.. Distorsión extensa de vigas y paneles de columnas. Algunas Lo mismo que Lo mismo que para fracturas en para elementos elementos primarios conexiones a primarios momento pero las conexiones a corte permanecen intactas. 0.7% transitoria 5% transitoria o 2.5% transitoria o o despreciable permanente 1% permanente permanente Gran fluencia y pandeo de tirantes. Muchos tirantes y sus conexiones pueden fallar.. Algunos tirantes fluyen o pandean pero no fallan Poca fluencia o pandeo de totalmente. tirantes. Algunas conexiones podrían fallar.. 2% transitoria o permanente. 1.5% transitoria o 0.5% transitoria 0.5% o despreciable permanente permanente.

(38) 11. Elementos Primarios. Algunos elementos de borde se agotan, incluso hay pandeo limitado Agrietamiento mayor de de flexión o corte. reforzamiento. Pequeñas Agrietamiento y Algunas juntas fisuras en pandeo de se deslizan. paredes y las reforzamiento. Daño en vigas de acople Deslizamiento de aberturas. experimentan juntas. Grave daño Fisuras de corte agrietamiento. en elementos de y flexión en vigas borde. de acople. El hormigón generalmente permanece en su lugar.. Elementos Secundarios. Agrietamiento mayor de flexión o corte. Pequeñas Agrietamiento y fisuras en pandeo de paredes. Paneles destrozados reforzamiento. Evidencia de y prácticamente Deslizamiento de deslizamiento desintegrados juntas. Grave en juntas de daño en construcción. elementos de borde.. Deriva. Paredes de concreto. TABLA 2.2 CONTINUACIÓN. 2% transitoria o permanente. 1% transitoria o 0.5% transitoria 0.5% o despreciable permanente permanente.

(39) 12. Elementos Primarios. Agrietamiento extenso. Los enlucidos pueden desprenderse. Desplazamientos perceptibles en el plano y fuera de el.. Elementos Secundarios. Los paneles no portantes se desprenden.. Deriva. 1% transitoria o permanente. 0.6% transitoria o 0.3% transitoria o 0.6% 0.3% permanente permanente. Elementos Primarios. Aplastamiento, agrietamiento extenso. Daño en aberturas y en las esquinas.algunas unidades caen.. Agrietamiento extenso Pequeñas distribuido en fisuras. No hay toda la pared. desplazamientos Algunos fuera del plano. aplastamientos aislados.. Agrietamiento Agrietamiento en extenso. Desplazamiento las esquinas. No se observa en el plano de la mampostería y desplazamientos . menores fuera del plano.. Lo mismo que para elementos primarios. Elementos Secundarios. Lo mismo que para elementos primarios. Los paneles no portantes se desprenden.. Aplastamiento, agrietamiento extenso. Daño Lo mismo que en aberturas y en para elementos las esquinas. primarios Algunas unidades caen.. Deriva. Paredes de mampostería reforzada. Paredes de mampostería no reforzada. TABLA 2.2 CONTINUACIÓN. 1.5% transitoria o permanente. 0.6% transitoria o 0.2% transitoria o 0.6% 0.2% permanente permanente.

(40) 13. Elementos Primarios Elementos Secundarios General. Cimentaciónes. Conexiones prefabricadas de hormigón. TABLA 2.2 CONTINUACIÓN Aplastamiento local y Algunas conexiones Menor trabajo en desprendimiento fallan pero no las conexiones y de conexiones elementos fisuras pequeñas pero no un fallo desalojados. en las conexiones. grave de las conexiones. Algunas Menor conexiones fallan aplastamiento y Lo mismo que para pero no desprendimiento elementos primarios elementos en conexiones. desalojados. Asentamientos principales e inclinación de la edificación. Asentamiento total y diferencial. Asentamientos pequeños e inclinación despreciable. NOTA.- Los estados de daño indicados en esta tabla se proporcionan para permitir una comprensión de la gravedad del daño que pueden ser sostenidos por varios elementos estructurales cuando están presentes en estructuras que cumplen con las definiciones de los Niveles de Desempeño Estructural. Estos estados de daño no están diseñados para ser usados en la evaluación de daños después del terremoto o para juzgar la seguridad o el nivel requerido de reparación de una estructura después de un terremoto.. FUENTE: FEMA 356, 2000 ELABORADO POR: Paúl Torres y Andrés Matango TABLA 2.3 NIVELES DE RENDIMIENTO ESTRUCTURAL PARA UN SISMO DE UN PERIODO DE RETORNO DE 475 AÑOS – ELEMENTOS HORIZONTALES Niveles de rendimiento estructural y daños. Elementos horizontales Niveles de rendimiento estructural Componentes Prevención de colapso Seguridad de vida Ocupación inmediata (S-5) (S-3) (S-1). Plataforma de metal. Gran distorsión con pandeo de algunas unidades. Rótura de soldadura y uniones.. Algunas fallas localizadas de conexiones Conexiones entre la soldadas de la placa deck y el marco placa deck al marco intactas. Pequeñas y entre paneles. distorsiones. Pandeo local de la placa metálica..

(41) 14. TABLA 2.3 CONTINUACIÓN Aplastamiento extensivo Agrietamiento y desplazamiento extenso. Diafragmas de observable a través de Aplastamieto local y concreto muchas grietas. desprendimiento. Diafragmas de madera. pequeñas fisuras distribuidas. Algunas conexiones se separan. Pérdida No se observa de recubrimiento. Distorsión permanente aflojamiento o retirada Aflojamiento o con retirada parcial de de los sujetadores. No retirada de los clavos y separación de hay fraccionamiento de sujetadores. elementos. entramado y Fraccionamiento de recubrimiento. entramado y recubrimiento.. Conexiones entre unidades fallan. Las Agrietamiento Algunas pequeñas unidades cambian entre Diafragmas extenso. grietas a lo largo de las sí. Aplastamiento y prefabricados Aplastamieto y juntas. desprendimiento en desprendimiento juntas. NOTA.- Los estados de daño indicados en esta tabla se proporcionan para permitir una comprensión de la gravedad del daño que pueden ser sostenidos por varios elementos estructurales cuando están presentes en estructuras que cumplen con las definiciones de los Niveles de Desempeño Estructural. Estos estados de daño no están diseñados para ser usados en la evaluación de daños después del terremoto o para juzgar la seguridad o el nivel requerido de reparación de una estructura después de un terremoto.. FUENTE: FEMA 356, 2000 ELABORADO POR: Paúl Torres y Andrés Matango 2.3.2 NIVELES. DE. DESEMPEÑO. DE. LOS. COMPONENTES. NO. ESTRUCTURALES Se establecen los distintos niveles de desempeño de elementos no estructurales y sus posibles estados de daño para un sismo de un periodo de retorno de 475 años. Se definen cuatro estados de daño: operacional, ocupación inmediata, seguridad de vida y amenaza reducida. ·. Operacional (N-A): se define como el estado de daño posterior al terremoto en el que los componentes no estructurales son capaces de.

(42) 15. seguir cumpliendo las funciones que proporcionaron a la edificación antes del terremoto. ·. Ocupación inmediata (N-B): se establece como el estado de daño posterior al terremoto que incluye daño a componentes no estructurales, pero los sistemas de acceso y seguridad de vida, incluyendo puertas, escaleras,. ascensores,. iluminación. de. emergencia,. generalmente. permanecen operables, siempre y cuando se disponga de energía. ·. Seguridad de vida (N-C): Se define como el estado de daño postterremoto que incluye el daño a componentes no estructurales, pero el daño no representa peligro para los ocupantes.. ·. Amenaza reducida (N-D): representa un estado de daño posterior al terremoto en el que se ha producido un daño extenso en componentes no estructurales, pero los elementos grandes o pesados que representan un alto riesgo de peligro de caída para un gran número de personas como techos de yeso pesado, o bastidores de almacenamiento, no caen.. TABLA 2.4 NIVELES DE RENDIMIENTO NO ESTRUCTURAL PARA UN SISMO DE. UN. PERIODO. DE. RETORNO. DE. 475. AÑOS. –. ELEMENTOS. ARQUITECTÓNICOS Niveles de rendimiento no estructural y daños. Componentes Arquitectónicos Niveles de rendimiento no estructural Componentes Seguridad de vida Ocupación inmediata Operacional (N-C) (N-B) (N-A) Distorsión severa en conexiones, Las conexiones Las conexiones agrietamiento y producen pequeñas producen daños desprendimiento Revestimiento de componentes de grietas o flexiones en el insignificantes en el revestimiento. revestimiento. revestimiento. Los paneles aéreos no caen. Gran cantidad de Algunos paneles cristales agrietados y No hay paneles agrietados y ninguno Acristalamiento algunos rotos rotos ni agrietados. roto. totalmente..

(43) 16. TABLA 2.4 CONTINUACIÓN Escaleras y chimeneas. Algunos estanques y losas agrietadas. Usable.. Paredes. Daño distribuido, agrietamiento severo en algunas partes.. Techos. Puertas Toldos y marquezinas. Agrietamiento pequeño en las aberturas. agrietamiento muy Triturado menor y pequeño agrietamiento en las esquinas.. Daño extenso, los Daño menor, algunas azulejos del techo se tejas de los techos desprendieron y cayeron, pequeño cayeron, agrietamiento agrietamiento en moderado en techos techos duros. duros. Daño distribuido, Daño menor, puertas algunas puertas totalmente operables. atascadas y atoradas. Daño moderado. Daños insignificantes.. Pequeños daños.. Daño menor. Daño insignificante sin impacto en la reocupación o funcionalidad. Daño insignificante, puertas totalmente operables. Daño insignificante. NOTA.- Los estados de daño indicados en esta tabla se proporcionan para permitir una comprensión de la gravedad del daño que pueden producir en varios elementos no estructurales que cumplen con los Niveles de Desempeño No Estructural definidos en esta norma. Estos estados de daño no están diseñados para ser usados en la evaluación post-terremoto de daños o para juzgar la seguridad o el nivel de reparación requerido después de un terremoto.. FUENTE: FEMA 356, 2000 ELABORADO POR: Paúl Torres y Andrés Matango 2.3.3 NIVELES DE DESEMPEÑO DE UNA EDIFICACIÓN Los distintos niveles de desempeño de una estructura se los obtiene de la combinación del nivel de desempeño de elementos estructurales y no estructurales. (FEMA 356, 2000) Un Nivel de Desempeño se designará alfanuméricamente, con un número que represente el Nivel de Desempeño Estructural y una letra que represente el Nivel de Desempeño No Estructural, por ejemplo: 1-A, 2-B, 4-D, etc..

(44) 17. A continuación se muestra una tabla con las distintas combinaciones de niveles de desempeño estructural y no estructural para formar los niveles de desempeño de una edificación. TABLA 2.5 COMBINACIONES DE NIVELES DE DESEMPEÑO ESTRUCTURAL Y NO ESTRUCTURAL Niveles de desempeño del objetivo Niveles de desempeño estructural Niveles de Ocupación Control de Seguridad Seguridad Prevención desempeño inmediata daño de vida limitada de colapso no estructural (S-1) (S-2) (S-3) (S-4) (S-5) Operacional operacional no no no 2-A 1-A recomendado recomendado recomendado (N-A) Ocupación Ocupación inmediata no no 2-B 3-B inmediata (N-B) recomendado recomendado 1-B Seguridad Seguridad de vida 1-C 2-C 4-C 5-C de vida (N-C) 3-C Amenaza reducida no 2-D 3-D 4-D 5-D (N-D) recomendado Prevención No considerado no no no 4-E de colapso recomendado recomendado recomendado (N-E) 5-E. No considerado (S-6) no recomendado no recomendado 6-C 6-D No rehabilitación. FUENTE: FEMA 356, 2000 ELABORADO POR: Paúl Torres y Andrés Matango. 2.4 GENERALIDADES SOBRE ANÁLISIS PUSHOVER Existen varios métodos de análisis estructural, elásticos (lineales) e inelásticos (no lineales), para la evaluación de construcciones existentes. El método de análisis inelástico más básico es el análisis no lineal completo de historia en el tiempo, el cual es algunas veces considerado complejo e impráctico para uso general. Un análisis simplificado es el análisis estático no lineal, con el cual podemos encontrar la curva de capacidad de la estructura y la formación secuencial de mecanismos y fallas en los elementes estructurales. (ATC-40, 1996).

(45) 18. FIGURA 2.2 ESQUEMA DEL MÉTODO DEL PUSHOVER. FUENTE: ATC-40, 1996 ELABORADO POR: Paúl Torres y Andrés Matango. 2.4.1 REQUESITOS PARA REALIZAR LA TÉCNICA DE PUSHOVER Para realizar el procedimiento de Pushover se necesita: ·. Conocer las dimensiones y la armadura de todos los elementos.. ·. Determinar las propiedades no lineales de las distintas secciones.. 2.4.2 OBJETIVOS DE LA TÉCNICA DE PUSHOVER Los objetivos del NSP (Nonlinear Static Pushover) son: ·. Determinar la capacidad lateral de la estructura.. ·. Identificar cuáles son los elementos susceptibles a fallar.. ·. Determinar la ductilidad global de la estructura.. ·. Determinar la degradación global de la resistencia.. ·. Verificar los desplazamientos relativos inelásticos.. ·. Chequear los criterios de aceptación a nivel local de cada uno de los elementos..

(46) 19. 2.4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TÉCNICA PUSHOVER 2.4.3.1 VENTAJAS ·. Se usa un espectro de respuesta antes que un registro de movimientos del suelo.. ·. Considera a la estructura como un sistema de un grado de libertad.. ·. El análisis estático no lineal es más simple que un análisis dinámico no lineal.. 2.4.3.2 DESVENTAJAS ·. Es un método aproximado, se usa el análisis estático para representar cargas dinámicas y deformaciones cíclicas.. ·. No funciona de manera correcta en estructuras de gran altura e irregulares en planta o elevación.. 2.4.4 CAPACIDAD La capacidad general de una estructura depende de la resistencia y de la habilidad de deformación de cada uno de los componentes de la estructura. Para determinar la capacidad de una estructura más allá de su límite elástico, se requiere de un análisis no lineal tal como el procedimiento Pushover. Este procedimiento usa una serie de análisis lineales de manera secuencial y luego son superpuestos para aproximar un diagrama de fuerza-desplazamiento de toda la estructura. El modelo matemático de la estructura es modificado en cada paso, para tomar en cuenta la reducción de rigidez de los componentes que alcanzaron su fluencia, posteriormente se aplica un incremento en la fuerza externa de manera que otros componentes también alcancen la fluencia. Este proceso es.