Evaluación técnica económica del diseño por desempeño de edificios con estructura de acero utilizando diversos tipos de arriostramientos laterales

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. EVALUACIÓN TÉCNICA ECONÓMICA DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO DE EDIFICIOS CON ESTRUCTURA DE ACERO UTILIZANDO DIVERSOS TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS LATERALES. TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE MAGÍSTER EN ESTRUCTURAS. DAVID PATRICIO GUERRERO CUASAPAZ [email protected]. DIRECTOR: ING. MSC. JORGE VINTIMILLA [email protected]. Quito, Octubre 2015.

(2) II. DECLARACIÓN. Yo David Patricio Guerrero Cuasapaz, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he 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 vigente.. _________________________________ David Patricio Guerrero Cuasapaz.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por David Patricio Guerrero Cuasapaz, bajo mi supervisión.. Ing. MSc. Jorge Vintimilla DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTO. A Dios por darme fortaleza y sabiduría para la culminación de otra importante meta de mi vida. A mi esposa: Jhuliana, e hijos: Joel David y Matías Ariel por haberme acompañado y por ser un gran sustento en todos los momentos y dificultades que se presentaron durante el transcurso de este proyecto y por su gran capacidad de comprensión y paciencia. A mis padres: José y Patricia por el apoyo que siempre me han brindado. A los docentes de la Escuela Politécnica Nacional por sus grandes conocimientos y experiencias entregados en las aulas. Al Ing. MSc. Jorge Vintimilla, Ing. MSc. Juan Carlos Pantoja; por su gran aporte, dirección y supervisión del presente trabajo. A todos mis compañeros de maestría por el inicio de una gran amistad, en especial al: Ing. MSc. Diego Sosa e Ing. MSc. Carlos Celi por su colaboración en la revisión del proyecto..

(5) V. DEDICATORIA. A mis hijos: Joel David y Matías Ariel; bases fundamentales y gran motivo de inspiración y esfuerzo..

(6) VI. CONTENIDO. DECLARACIÓN ..................................................................................................... II CERTIFICACIÓN .................................................................................................. III AGRADECIMIENTO .............................................................................................. IV DEDICATORIA ....................................................................................................... V CONTENIDO ......................................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................... XIII ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................... XVII ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS................................................................................ XXI RESUMEN ......................................................................................................... XXII ABSTRACT ....................................................................................................... XXIII PRESENTACIÓN ............................................................................................. XXIV CAPÍTULO 1 ....................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 1 1.1. ANTECEDENTES ......................................................................................... 1. 1.2. OBJETIVOS .................................................................................................. 4. 1.2.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................. 4 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 4 1.3. ALCANCE ..................................................................................................... 5. 1.4. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 6. 1.5. DEFINICIONES ............................................................................................ 6. 1.5.1 DISEÑO BASADO EN DESEMPEÑO SÍSMICO .......................................... 7 1.5.2 NIVEL DE DESEMPEÑO.............................................................................. 7 1.5.3 CAPACIDAD ESTRUCTURAL ..................................................................... 7 1.5.4 CURVA DE CAPACIDAD ............................................................................. 7.

(7) VII. 1.5.5 ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL (ANÁLISIS PUSHOVER)....................... 8 1.5.6 PELIGRO SÍSMICO ...................................................................................... 8 1.6. ESTRUCTURAS METÁLICAS EN EL ECUADOR ........................................ 8. CAPÍTULO 2 ..................................................................................................... 11 DESCRIPCIÓN DE CÓDIGOS ......................................................................... 11 2.1. NSR-10 (NORMA SISMO RESISTENTE)................................................... 11. 2.2. MINIMUM. DESIGN. LOADS. FOR. BUILDING. AND. OTHER. STRUCTURES (ASCE 7-10) ...................................................................... 12 2.3. EUROCODIGO ........................................................................................... 12. 2.4. FEMA-273 (FEDERAL EMERGENY MANAGEMENT AGENCY ................ 13. 2.4.1 ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL ............................................................. 15 2.4.1.1. Formación de las rotulas plásticas ............................................. 17. 2.5. ATC-40 (APPLIED TECHNLOGY COUNCIL) ............................................. 17. 2.6. NEC-15 (NORMA ECUATORIANA DE LA CONSTRUCCIÓN) .................. 19. 2.6.1 CARGAS HORIZONTALES (DISEÑO SISMO RESISTENTE NEC15) .............................................................................................................. 21 2.6.1.1. Cortante Basal ........................................................................... 22. 2.6.1.2. Requisitos para el Diseño Sismo resistente ............................... 22. 2.6.1.3. Factor de importancia ................................................................ 23. 2.6.1.4. Espectro de Diseño .................................................................... 24. 2.6.1.5. Periodo de vibración Ta ............................................................. 25. 2.6.1.6. Factor de Zona Sísmica Z .......................................................... 26. 2.6.1.7. Tipos de perfiles de suelos para el Diseño Sísmico 27. 2.6.1.8. Factor de reducción de respuesta sísmica R ............................. 29. 2.6.1.9. Carga Sísmica Reactiva ............................................................. 31. 2.6.2 ESTRUCTURAS DE ACERO -NEC-15 ...................................................... 31.

(8) VIII. 2.6.2.1. Requerimientos Generales de Diseño ....................................... 31. 2.6.2.2. Diseño por Capacidad NEC-15 .................................................. 33. 2.6.2.3. Clasificación de secciones según su relación. ancho-espesor ............................................................................................ 33 2.6.2.4. Arriostramientos para estabilidad en vigas................................. 37. 2.6.2.5. Elementos estructurales (Columnas) ......................................... 37. 2.6.2.6. Pórticos especiales resistentes a momento (SMF) 38. CAPÍTULO 3 ..................................................................................................... 39 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO POR DESEMPEÑO ................ 39 3.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 39. 3.2. GENERALIDADES ..................................................................................... 40. 3.2.1 ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL (PUSHOVER) ...................................... 41 3.2.2 NIVELES DE DESEMPEÑO SÍSMICO (PROPUESTA DE ATC-40) .......... 42 3.2.2.1. Niveles para elementos estructurales ........................................ 42. 3.2.2.2. Niveles para elementos no estructurales ................................... 43. 3.2.2.3. Niveles para las estructuras ....................................................... 44. 3.2.3 TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS ............................................................. 46 3.2.3.1. Diagonales en cruz .................................................................... 46. 3.2.3.2. Diagonales en forma de punta o “V” invertida ............................ 51. 3.2.3.3. Muros de corte de Hormigón Armado ........................................ 52. CAPÍTULO 4 ..................................................................................................... 57 EDIFICIOS Y MODELOS CONSIDERADOS .................................................... 57 4.1. TIPOLOGÍA DE EDIFICIOS ........................................................................ 57. 4.2. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL ...................................................... 57. 4.3. DESCRIPCIÓN DE PROYECTOS A SER ANALIZADOS .......................... 58. 4.3.1 OBSERVACIONES PREVIAS DE EDIFICIOS A SER ANALIZADOS ........ 59.

(9) IX. CAPÍTULO 5 ..................................................................................................... 62 DISEÑO BAJO DESEMPEÑO UTILIZANDO ETABS-13 .................................. 62 5.1. ANÁLISIS SÍSMICO DE ACUERDO A NEC-15 .......................................... 62. 5.2. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL UTILIZANDO ETABS-13 ............................................................................. 66. 5.2.1 PROCEDIMIENTO DE ANALISIS ESTATICO LINEAL CON ETABS13 ................................................................................................................ 66 5.2.2 PROCEDIMIENTO. DE. ANALISIS. ESTÁTICO. NO. LINEAL. (PUSHOVER) CON ETABS-13 .................................................................. 80 5.3. CURVAS DE CAPACIDAD DE EDIFICIOS CONSIDERADOS .................. 86. 5.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE PROCESO ESTATICO LINEAL Y ESTATICO NO LINEAL .............................................................................. 88. 5.5. CONEXIONES PRECALIFICADAS ............................................................ 91. 5.5.1 CONEXIÓN CON VIGA DE SECCIÓN REDUCIDA ................................... 92 5.5.1.1 5.6. Límites de precalificación ........................................................... 93. DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ACERO ..................... 94. 5.6.1 DISEÑO ESTRUCTURAL EDIFICIO PIETRA ............................................ 96 5.6.2 DISEÑO ESTRUCTURAL EDIFICIO CUATRO .......................................... 96 5.6.3 DISEÑO ESTRUCTURAL EDIFICIO TORRE 6 .......................................... 97 5.7. RESUMEN DE MATERIALES Y PLANOS ESTRUCTURALES REFERENCIALES ...................................................................................... 97. 5.7.1 RESUMEN. DE. MATERIALES. EDIFICIO. PIETRA. CON. DIAGONALES EN CRUZ............................................................................ 98 5.7.2 RESUMEN. DE. MATERIALES. EDIFICIO. CUATRO. CON. DIAGONALES EN CRUZ............................................................................ 99 5.7.3 RESUMEN. DE. MATERIALES. EDIFICIO. TORRE. 6. CON. DIAGONALES EN CRUZ.......................................................................... 100.

(10) X. 5.7.4 RESUMEN. DE. MATERIALES. EDIFICIO. PIETRA. CON. DIAGONALES EN “V” INVERTIDA ........................................................... 101 5.7.5 RESUMEN. DE. MATERIALES. EDIFICIO. CUATRO. CON. DIAGONALES EN “V” INVERTIDA ........................................................... 102 5.7.6 RESUMEN. DE. MATERIALES. EDIFICIO. TORRE. 6. CON. DIAGONALES EN “V” INVERTIDA ........................................................... 103 5.7.7 RESUMEN DE MATERIALES EDIFICIO PIETRA CON MUROS DE CORTE DE HORMIGÓN ARMADO ......................................................... 104 5.7.8 RESUMEN DE MATERIALES EDIFICIO CUATRO CON MUROS DE CORTE DE HORMIGÓN ARMADO ......................................................... 105 5.7.9 RESUMEN DE MATERIALES EDIFICIO TORRE 6 CON MUROS DE CORTE DE HORMIGÓN ARMADO ......................................................... 106 5.7.10 RELACIÓN PESO/AREA DE PROYECTOS ANALIZADOS CON LOS DIVERSOS TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS LATERALES .......... 106 CAPÍTULO 6 ................................................................................................... 108 FILOSOFÍA DE UN BUEN MODELAMIENTO NO LINEAL ............................. 108 6.1. ELEMENOS DE ARRIOSTRAMIENTO CONCéNTRICO ......................... 108. 6.2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................ 109. 6.3. CUANTIFICACIÓN DE CARGAS ............................................................. 111. 6.3.1 CARGA MUERTA ..................................................................................... 111 6.3.2 CARGA VIVA ............................................................................................ 111 6.4. CÁLCULO DEL CORTANTE BASAL EN BASE A LA NEC-15 ................. 112. 6.5. ESPECTRO ELÁSTICO DE ACELERACIONES ...................................... 114. 6.6. MODELACIÓN EN SOFTWARE SAP2000............................................... 115. 6.6.1 GEOMETRÍA DE EDIFICIO ...................................................................... 115 6.6.2 DEFINICIÓN DE MATERIALES ............................................................... 116 6.6.3 SECCIÓN DE ELEMENTOS EN ESTRUCTURA ..................................... 117 6.6.4 DEFINICIÓN DE PATRONES DE CARGA EN SAP2000 ......................... 117.

(11) XI. 6.6.5 ASIGNACIÓN DE CARGAS ..................................................................... 118 6.6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................. 119 6.6.6.1. Carga reactiva y cortante basal................................................ 119. 6.6.7 CONTROL DE DERIVAS DE PISO SEGÚN NEC-15 ............................... 122 6.6.8 DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES ....................................... 124 6.7. ANÁLISIS NO LINEAL (CURVA DE CAPACIDAD CON SOFTWARE SAP2000).................................................................................................. 125. 6.7.1 MODELO BIDIMENSIONAL DE LA ESTRUCTURA................................. 126 6.7.2 CASOS DE CARGA NO LINEALES ......................................................... 129 6.7.3 ASIGNACIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS EN SAP2000 ......................... 130 6.7.4 OBTENCIÓN DE CURVA DE CAPACIDAD CON SAP2000 .................... 131 CAPÍTULO 7 ................................................................................................... 136 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE EDIFICIOS ANALIZADOS .......................... 136 7.1. PRECIOS UNITARIOS ............................................................................. 136. 7.2. PRESUPUESTO REFERENCIAL ............................................................. 155. CAPÍTULO 8 ................................................................................................... 165 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 165 8.1. CONCLUSIONES ..................................................................................... 165. 8.2. RECOMENDACIONES ............................................................................. 169. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 170 ANEXOS ......................................................................................................... 172 ANEXO 1......................................................................................................... 173 ANEXO 2......................................................................................................... 180 ANEXO 3......................................................................................................... 186 ANEXO 4......................................................................................................... 189 ANEXO 5......................................................................................................... 192 ANEXO 6......................................................................................................... 194.

(12) XII. ANEXO 7......................................................................................................... 206 ANEXO 8......................................................................................................... 213.

(13) XIII. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 2.1 GRADO DE ESFUERZO RESPECTO A LA FLUENCIA F/FY VS RELACIÓN DE GIRO q/qY DEL ELEMENTO ........................................ 14 FIGURA 2.2 CORTANTE BASAL VS DESPLAZAMIENTO EN EL TOPE DE LA ESTRUCTURA ........................................................................................ 15 FIGURA 2.3 DEFINICIÓN RÓTULAS PLÁSTICAS EN VIGAS ............................ 17 FIGURA 2.4 PROCEDIMIENTO ANALÍTICO ATC-40 ......................................... 18 FIGURA 2.5 ESPECTRO DE RESPUESTA ELÁSTICO DE ACELERACIONES ............................................................................................... 24 FIGURA 2.6 ECUADOR, ZONAS SÍSMICAS PARA PROPÓSITOS DE DISEÑO................................................................................................................ 27 FIGURA 2.7 ZONAS EN LAS QUE SE DEBE ESPERAR OCURRA DEFORMACIONES INELÁSTICAS ..................................................... 38 FIGURA 3.1 CURVA DE CAPACIDAD ................................................................. 41 FIGURA 3.2 ZONAS PROTEGIDAS EN ARRIOSTRAMIENTOS EN CRUZ......... 50 FIGURA 3.3 ZONAS PROTEGIDAS EN ARRIOSTRAMIENTOS EN FORMA DE “V” INVERTIDA ................................................................................. 52 FIGURA 3.4 RELACIÓN DE ASPECTO MUROS ESTRUCTURALES ................. 54 FIGURA 3.5 FORMA EN PLANTA DE MUROS ESTRUCTURALES .................... 54 FIGURA 3.6 CONFIGURACIÓN MUROS ESTRUCTURALES ............................. 55 FIGURA 3.7 FORMA DE FALLA MUROS ESTRUCTURALES ............................. 55 FIGURA 4.1 TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE ACERO DEL TIPO PÓRTICO ............................................................................................................. 57 FIGURA 4.2 ESQUEMAS ESTRUCTURALES EDIFICIO PIETRA ....................... 60 FIGURA 4.3 ESQUEMAS ESTRUCTURALES EDIFICIO CUATRO ..................... 60 FIGURA 4.4 ESQUEMAS ESTRUCTURALES EDIFICIO TORRE 6 ..................... 61 FIGURA 5.1 CUADRO INICIAL PARA MODELACIÓN EN ETABS-13 .................. 67 FIGURA 5.2 GRILLA O LÍNEAS DE REFERENCIA AUXILIARES EN ETABS-13 ............................................................................................................ 67.

(14) XIV. FIGURA 5.3 DEFINICIÓN DE MATERIALES. ACERO ESTRUCTURAL A-36 ...................................................................................................................... 68 FIGURA 5.4 DEFINICIÓN DE MATERIALES. HORMIGÓN SIMPLE F’C=210 KG/CM² .................................................................................................. 69 FIGURA 5.5 DEFINICIÓN DE MATERIALES. ACERO DE REFUERZO FY=4200 KG/CM² ................................................................................................. 69 FIGURA 5.6 DEFINICIÓN DE SECCIONES. VIGAS TIPO “I” ............................... 70 FIGURA 5.7 DEFINICIÓN DE SECCIONES. COLUMNAS RELLENAS DE HORMIGÓN ................................................................................................... 71 FIGURA 5.8 DEFINICIÓN DE PANEL COLABORANTE ...................................... 72 FIGURA 5.9 DEFINICIÓN DE MUROS ESTRUCTURALES ................................. 73 FIGURA 5.10 COMBINACIONES DE CARGA...................................................... 73 FIGURA 5.11 PATRÓN DE CARGAS A UTILIZAR EN ANÁLISIS ESTRUCTURAL ................................................................................................... 74 FIGURA 5.12 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO EN ACERO ............................. 74 FIGURA 5.13 DEFINICIÓN DE FUENTE DE MASAS ........................................... 75 FIGURA 5.14 OPCIONES PARA DIBUJAR EL MODELO ESTRUCTURAL EN ETABS-13 ........................................................................... 76 FIGURA 5.15 ASIGNACIÓN DE RESTRICCIONES A MODELOS ESTRUCTURALES ........................................................................... 78 FIGURA 5.16 DEFINICIÓN Y ASIGNACIÓN DE DIAFRAGMAS HORIZONTALES ................................................................................................. 79 FIGURA 5.17 OPCIONES DE DISEÑO EN ETABS-13 ......................................... 80 FIGURA 5.18 DEFINICIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS (HINGES) ...................... 81 FIGURA 5.19 DEFINICIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICA (HINGES) PARA VIGAS PRINCIPALES ............................................................................... 81 FIGURA 5.20 DEFINICIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS (HINGES) PARA VIGAS SECUNDARIAS ............................................................................. 82 FIGURA 5.21 DEFINICIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS (HINGES) PARA COLUMNAS .............................................................................................. 82 FIGURA 5.22 DEFINICIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS (HINGES) PARA MUROS DE CORTE DE HORMIGÓN ARMADO ....................................... 83 FIGURA 5.23 DEFINICIÓN DE PUNTO DE CONTROL EDIFICIO PIETRA.......... 84.

(15) XV. FIGURA 5.24 PARÁMETROS NO LINEALES EN ETABS-13 (ANÁLISIS PUSHOVER) ...................................................................................... 85 FIGURA 5.25 DEFINICIÓN DE ESTADO DE CARGA PARA REALIZAR ANÁLISIS PUSHOVER ........................................................................................ 86 FIGURA 5.26 GRÁFICA FUERZA VS DEFORMACIÓN ....................................... 87 FIGURA 5. 27 FRACTURA EN LA UNIÓN VIGA-COLUMNA ............................... 91 FIGURA 5. 28 FRACTURA EN COLUMNA........................................................... 92 FIGURA 5. 29 CONEXIÓN CON LA VIGA DE SECCIÓN REDUCIDA .................. 93 FIGURA 5.30 LONGITUD DE ARRIOSTRAMIENTO ETABS-13 .......................... 95 FIGURA 5.31 COEFICIENTES DE INTERACCIÓN EDIFICIO PIETRA ................ 96 FIGURA 5.32 COEFICIENTES DE INTERACCIÓN EDIFICIO CUATRO.............. 96 FIGURA. 6.1. MECANISMO. PLASTICO. DE. UN. PÓRTICO. ARRIOSTRADO .......................................................................................... 109 FIGURA 6.2 PLANTA ESTRUCTURAL .............................................................. 110 FIGURA. 6.3. ESPECTRO. ELÁSTICO. E. INELÁSTICO. DE. ACELERACIONES SEGÚN NEC-15 ........................................................... 115 FIGURA 6.4 GRILLAS (EJES) PLANTA Y ELEVACIÓN DE EDIFICIO ............... 116 FIGURA 6. 5 DEFINICIÓN MATERIAL ACERO ESTRUCTURAL GRADO 50 ................................................................................................................. 116 FIGURA 6.6 SECCIONES UTILIZADAS NIVEL N+3.10 ..................................... 117 FIGURA 6.7 DEFINICIÓN PATRONES DE CARGA SAP2000 ........................... 117 FIGURA 6. 8 ESPECTRO DE RESPUESTA INELÁSTICO DE ACELERACIONES ...................................................................................... 118 FIGURA 6.9 PÓRTICO SENTIDO “X” UTILIZADO PARA ANALISIS NO LINEAL ........................................................................................................ 126 FIGURA. 6.10. APLICACIÓN. CARGA. MUERTA. EN. PORTICO. ANALIZADO ................................................................................................ 127 FIGURA 6.11 APLICACIÓN CARGA VIVA EN PÓRTICO ANALIZADO ............. 128 FIGURA 6.12 APLICACIÓN DE CARGA HORIZONTAL EN PORTICO ANALIZADO ................................................................................................ 128 FIGURA 6.13 PARÁMETROS CASO DE CARGA “GNL”.................................... 129 FIGURA 6.14 PARÁMETROS CASO DE CARGA “AENL”.................................. 130.

(16) XVI. FIGURA 6.15 ASIGNACIÓN DESPLAZAMIENTO DE CONTROL ..................... 130 FIGURA. 6.16. ASIGNACIÓN. RÓTULAS. PLASTICAS. EN. ARRIOSTRAMIENTOS................................................................................ 131 FIGURA. 6.17. UBICACIÓN. RÓTULA. PLÁSTICA. EN. ARRIOSTRAMIENTOS................................................................................ 131 FIGURA 6.18 PÓRTICO EJE “3” EDIFICIO ANALIZADO ................................... 132 FIGURA 6.19 PÓRTICO EJE “A” EDIFICIO ANALIZADO ................................... 132 FIGURA 6.20 CURVA DE CAPACIDAD PORTICO EJE “3” ................................ 133 FIGURA 6.21 PUNTOS CURVA CAPACIDAD Y ROTULAS PLÁSTICAS PÓRTICO EJE “3” ........................................................................................ 133 FIGURA 6.22 CURVA CAPACIDAD PÓRTICO “A” ............................................ 134 FIGURA 6.23 PUNTOS CURVA CAPACIDAD Y ROTULAS PLÁSTICAS PÓRTICO EJE “A”........................................................................................ 134 FIGURA 6.24 SECUENCIA FORMACIÓN RÓTULAS PLÁSTICAS PÓRTICO “3” ............................................................................................... 135 FIGURA 6.25 SECUENCIA FORMACIÓN RÓTULAS PLÁSTICAS PÓRTICO “A” ............................................................................................... 135.

(17) XVII. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 2. 1 FACTOR DE IMPORTANCIA (I) ........................................................ 23 TABLA 2. 2 COEFICIENTES CT Y a .................................................................... 25 TABLA 2.3 VALORES DEL FACTOR Z EN FUNCIÓN DE LA ZONA SÍSMICA ADOPTADA .......................................................................................... 26 TABLA 2.4 CLASIFICACIÓN DE LOS PERFILES DE SUELO.............................. 27 TABLA 2.5 COEFICIENTES DE PERFIL DE SUELO ........................................... 29 TABLA 2.6 FACTOR DE REDUCCIÓN DE RESPUESTA ESTRUCTURAL R ...... 30 TABLA 2.7 VALORES DM MÁXIMOS, EXPRESADOS COMO FRACCIÓN DE LA ALTURA DE PISO ..................................................................................... 32 TABLA 2.8 RELACIONES ANCHO-ESPESOR: ELEMENTOS SOMETIDOS EN COMPRESIÓN ......................................................................... 34 TABLA 2.9 RAZONES ANCHO-ESPESOR: ELEMENTOS EN COMPRESIÓN ..................................................................................................... 35 TABLA 2.10 MÁXIMAS RELACIONES ANCHO-ESPESOR PARA ELEMENTOS A COMPRESIÓN .......................................................................... 36 TABLA 3. 1 NIVELES DE DESEMPEÑO DE LAS ESTRUCTURAS (ATC-40)............................................................................................................... 45 TABLA 4.1 CARACTERÍSTICAS ARQUITECTÓNICAS EDIFICIOS .................... 59 TABLA 5.1 EVALUACIÓN DE CORTANTE BASAL NEC-15 EDIFICIO PIETRA ................................................................................................ 63 TABLA 5.2 DISTRIBUCIÓN DE FUERZA SÍSMICA EDIFICIO PIETRA ............... 64 TABLA 5.3 EVALUACIÓN DE CORTANTE BASAL NEC-15 EDIFICIO CUATRO .............................................................................................. 64 TABLA 5.4 DISTRIBUCIÓN DE FUERZA SÍSMICA EDIFICIO CUATRO ............. 65 TABLA 5.5 EVALUACIÓN DE CORTANTE BASAL NEC-15 EDIFICIO TORRE 6 .............................................................................................. 65 TABLA 5.6 DISTRIBUCIÓN DE FUERZA SÍSMICA EDIFICIO TORRE 6 ............. 66 TABLA 5.7 CARGA MUERTA Y VIVA APLICADA A LOS.

(18) XVIII. EDIFICIOS (LOSAS ENTREPISOS) .................................................................... 77 TABLA 5.8 CARGA MUERTA Y VIVA APLIACADA A LOS EDIFICIOS (LOSA CUBIERTAS) ......................................................................... 77 TABLA 5.9 CARGA MUERTA Y VIVA APLIACADA A LOS EDIFICIOS (PARQUEADEROS) .......................................................................... 78 TABLA 5.10 PUNTO DE CONTROL PARA EL EDIFICIO PIETRA ....................... 84 TABLA 5.11 RESUMEN DE CORTANTE BASAL Y DESPLAZAMIENTO LATERAL DE EDIFICIOS ..................................................................................... 89 TABLA 5.12 RESUMEN DE EVALUACIÓN NO LINEAL DE LOS EDIFICIOS CON DIFERENTES TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS .................... 90 TABLA 5.13 RESUMEN DE VALORES DE CARGAS LATERALES EN RELACIÓN AL PESO DE ESTRUCTURAS CON DIFERENTES ARRIOSTRAMIENTOS ................................................................. 90 TABLA 5.14 ACERO MÍNIMO EN MUROS ESTRUCTURALES ........................... 97 TABLA 5.15 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO PIETRA. DIAGONALES EN CRUZ .................................... 98 TABLA 5.16 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO CUATRO. DIAGONALES EN CRUZ .................................. 99 TABLA 5.17 RESUMEN DE MATERIALES Y PEOS ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO TORRE 6. DIAGONALES EN CRUZ................................ 100 TABLA 5.18 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO PIETRA. DIAGONALES EN “V” INVERTIDA ................... 101 TABLA 5.19 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO CUATRO. DIAGONALES EN “V” INVERTIDA ................. 102 TABLA 5.20 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO TORRE 6. DIAGONALES EN “V” INVERTIDA ................. 103 TABLA 5.21 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO PIETRA. MUROS CORTE HORMIGÓN ARMADO .......... 104 TABLA 5.22 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO CUATRO. MUROS CORTE HORMIGÓN ARMADO........ 105 TABLA 5.23 RESUMEN DE MATERIALES Y PESO ESTRUCTURA METÁLICA EDIFICIO TORRE 6. MUROS CORTE HORMIGÓN ARMADO ....... 106 TABLA 5.24 RELACIÓN PESO/ÁREA DE EDIFICIOS CON DIVERSOS.

(19) XIX. TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS LATERALES ............................................... 107 TABLA 6.1 APU-RUBRO: EXCAVACIÓN A MÁQUINA Y DESALOJO ............... 137 TABLA 6.2 APU-RUBRO: REPLANTILLO H.S. VIGAS Y LOSA CIMENTACIÓN F’C=180 KG/CM² ......................................................................... 138 TABLA 6.3 APU-RUBRO: HORMIGÓN MUROS F’C=210 KG/CM² ....................... 139 TABLA 6.4 APU-RUBRO: HORMIGÓN LOSA CIMENTACIÓN F’C=240 KG/CM² .................................................................................................... 140. TABLA 6. 5 APU-RUBRO: HORMIGÓN VIGAS CIMENTACIÓN F’C=240 KG/CM² .................................................................................................... 141. TABLA 6.6 APU-RUBRO: HORMIGÓN TANQUE CISTERNA F’C=240 KG/CM² .................................................................................................... 142. TABLA 6.7 APU-RUBRO: ACERO DE REFUERZO FY=4200 KG/CM² ................. 143 TABLA 6.8 APU-RUBRO: RELLENO TIERRA COMPACTADA.......................... 144 TABLA 6.9 APU-RUBRO: RELLENO LASTRE COMPACTADO ........................ 145 TABLA 6.10 APU-RUBRO: MALLA ELECTROSOLDADA 4MM CADA 100 MM............................................................................................................... 146 TABLA 6.11 APU-RUBRO: HORMIGÓN EN COLUMNAS F’C=240 KG/CM² ........ 147 TABLA 6.12 APU-RUBRO: HORMIGÓN EN COLUMNAS F’C=280 KG/CM² ........ 148 TABLA 6.13 APU-RUBRO: HORMIGÓN EN DIAFRAGMAS F’C=240 KG/CM² .................................................................................................... 149. TABLA 6.14 APU-RUBRO: HORMIGÓN EN ESCALERA F’C=210 KG/CM² .......... 150 TABLA 6.15 APU-RUBRO: HORMIGÓN LOSETAS F’C=210 KG/CM² ALTURA PROMEDIO 10 CM .............................................................................. 151 TABLA 6.16 APU-RUBRO: PANEL METÁLICO ESPESOR 0.65 MM, CONECTORES DE CORTE VARILLA DIÁMETRO 12MM .................. 152 TABLA 6.17 APU-RUBRO: MALLA ELECTROSOLDADA 5MM CADA 100 MM............................................................................................................... 153 TABLA 6.18 APU-RUBRO: ACERO ESTRUCTURAL A-36 ................................ 154 TABLA 6.19 PRESUPUESTO EDIFICIO PIETRA. ARRIOSTRAMIENTO: DIAGONALES EN CRUZ ............................................... 155 TABLA 6.20 PRESUPUESTO EDIFICIO CUATRO. ARRIOSTRAMIENTO: DIAGONALES EN CRUZ ............................................... 156.

(20) XX. TABLA 6.21 PRESUPUESTO EDIFICIO TORRE 6. ARRIOSTRAMIENTO: DIAGONALES EN CRUZ ............................................... 157 TABLA 6.22 PRESUPUESTO EDIFICIO PIETRA. ARRIOSTRAMIENTO: DIAGONALES EN PUNTA ............................................. 158 TABLA 6.23 PRESUPUESTO EDIFICIO CUATRO. ARRIOSTRAMIENTO: DIAGONALES EN PUNTA ............................................. 159 TABLA 6.24 PRESUPUESTO EDIFICIO TORRE 6. ARRIOSTRAMIENTO: DIAGONALES EN PUNTA ............................................. 160 TABLA 6.25 PRESUPUESTO EDIFICIO PIETRA. ARRIOSTRAMIENTO: MUROS DE CORTE DE H. ARMADO ................................................................ 161 TABLA 6.26 PRESUPUESTO EDIFICIO CUATRO. ARRIOSTRAMIENTO: MUROS DE CORTE DE H. ARMADO ................................................................ 162 TABLA 6.27 PRESUPUESTO EDIFICIO TORRE 6. ARRIOSTRAMIENTO: MUROS DE CORTE DE H. ARMADO ................................................................ 163 TABLA 6.28 RESUMEN GENERAL DE PRESUPUESTOS EDIFICIOS CON ALTERNATIVAS DE ARRIOSTRAMIENTOS ......................... 164 TABLA 6.29 RESUMEN DE COSTO POR M2 DE ESTRUCTURA METÁLICA CON ALTERNATIVAS DE ARRIOSTRAMIENTOS ......................... 164.

(21) XXI. ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS FOTOGRAFÍA 1.1 SISMO NORTHRIDGE-USA, 1994-01-17................................. 3 FOTOGRAFÍA 1.2 EDIFICIO SECTOR AV. 12 DE OCTUBRE. QUITO .................. 9 FOTOGRAFÍA 1.3 EDIFICIO SECTOR CALACALÍ .............................................. 10 FOTOGRAFÍA 1.4 EDIFICIO SECTOR AV. AMAZONAS. QUITO ........................ 10 FOTOGRAFÍA 3.1 HOTEL ARTS, TORRES GEMELAS DE BARCELONA .......... 47 FOTOGRAFÍA 3.2 EDIFICIO CON ARRIOSTRAMIENTOS EN FORMA DE “V”INVERTIDA ........................................................................... 51.

(22) XXII. RESUMEN El principal objetivo que tiene esta investigación es de analizar varios edificios de acero, que tienen diferentes características geométricas, en los que se utiliza diferentes tipos de arriostramientos laterales tales como: diagonales en cruz, diagonales en punta y muros de hormigón armado; estas estructuras serán analizadas con la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-15 y las normas AISC para el diseño en acero. De acuerdo a las características arquitectónicas de cada proyecto, se procede con el análisis de cargas verticales, para luego evaluar la fuerza sísmica, tomando en cuenta la configuración y tipología estructural de cada edificio para de esta manera tomar los diferentes parámetros para la aplicación de la fuerza sísmica. Para este análisis se utiliza el software Etabs-13 y Sap2000, que son herramientas de diseño estructural, que permiten ingresar los diferentes elementos estructurales tales como, columnas, vigas principales, vigas secundarias, losas, etc. Luego de haber cumplido con los requisitos mínimos en lo referente al análisis lineal de las estructuras, se procede con en análisis conocido como Pushover (análisis no lineal) cuyos parámetros se encuentran descritos en las normas del FEMA, en este se obtienen curvas de capacidad (cortante basal vs desplazamiento lateral). Después de realizado el análisis no lineal de las estructuras, se realiza un presupuesto de la estructura metálica, es decir, se obtiene un dato muy importante para los constructores dedicados a la fabricación y montaje, este dato es la relación del peso sobre el área; y finalmente se observa a las estructuras que cumpla tanto con los parámetros técnicos como los económicos..

(23) XXIII. ABSTRACT The main objective of this research is to analyze several steel buildings, which have different geometric characteristics, which will use different types of bracing side such as: diagonal cross, diagonals in tip and walls of reinforced concrete; these structures will be analyzed with the Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-15 and the AISC standards for the design of steel. According to the architectural characteristics of each project, it will proceed with the analysis of vertical loads and then assess the seismic force, taking into account the structural configuration and typology of each building for in this way take different parameters for the application of the seismic force. For this analysis will be used the software ETABS-13, which is a tool for structural design, which will enable us to enter the different structural elements such as columns, girders, secondary beams, slabs, etc. After having met the minimum requirements with regard to the analysis of linear structures, shall be in analysis with known as Pushover Analysis (non-linear analysis) whose parameters are described in the rules of FEMA, in this you will get capacity curves (base shear vs lateral displacement). After the non-linear analysis of the structures, a quotation will be the structure of metal, that is to say, you will get a very important factor for builders dedicated to the manufacturing and assembly, this data is the ratio of the weight on the area; and finally you will observe the structures that will meet both the technical parameters such as the economic..

(24) XXIV. PRESENTACIÓN El presente trabajo de tesis contiene siete capítulos en los cuales se analizará estructuralmente varios edificios de acero en el rango lineal y posteriormente en el rango no lineal; luego se procederá a realizar un análisis económico con los resultados obtenidos. El Capítulo 1. Introducción contiene Antecedentes, Justificación, Objetivos, Alcance, Definiciones, Estructuras metálicas en el Ecuador. En el Capítulo 2. Descripción de Códigos, se realiza una breve descripción de códigos de diseño estructural internacionales y además se incluye la evaluación de fuerza horizontal que consta en la vigente Norma Ecuatoriana de Construcción NEC-15. En el Capítulo 3. Principios fundamentales de diseño por desempeño, contiene Introducción, Generalidades de análisis estático no lineal (NSP), Niveles de desempeño; además se presentan los diferentes tipos de arriostramientos laterales que se utilizaran en el presente proyecto tales como diagonales en cruz, diagonales en punta y muros de corte de hormigón armado. En el Capítulo 4. Edificios y modelos considerados, se presenta los edificios de acero que se analizará, tipología de edificios indicando varios parámetros que serán utilizados para la determinación de carga horizontal y además se describe el comportamiento estructural de cada edificio. En el Capítulo 5. Diseño bajo desempeño utilizando ETABS-13, se describe y analiza sísmicamente los edificios de acero de acuerdo a la normativa vigente NEC15; se realiza análisis no lineal (Pushover) utilizando el software Etabs-13 y se indica de manera breve el procedimiento de análisis; además se indica de manera general las conexiones precalificadas y resumen de materiales con planos de referencia..

(25) XXV. En el Capítulo 6. Filosofía de un buen modelamiento no lineal, se procede a realizar modelamiento no lineal de un edificio de 7 pisos cuyo sistema estructural corresponde a SCBFs (elementos especiales de arriostramientos concéntricos), con luces que varían entre 5.00 a 11.00 metros, se describe de manera rápida el proceso para realizar en análisis no lineal con la ayuda del software SAP2000, posteriormente se obtiene curvas de capacidad. En el Capítulo 7. Evaluación económica de edificios analizados, se procede a realizar análisis económico con los datos obtenidos en capítulos anteriores; se presenta algunos precios unitarios y un presupuesto referencial de cada edificio. El Capítulo 8. Conclusiones y recomendaciones, contiene las conclusiones y recomendaciones de los resultados obtenidos de análisis estructural como del análisis económico; recomendaciones del proyecto; bibliografía y anexos..

(26) 1. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 ANTECEDENTES El diseño de las estructuras se basan en métodos propios de los códigos de construcción, en donde las cargas que se encuentran aplicadas son relativamente bajas y se obtienen como resultado que trabajan en el rango elástico, sin embargo, ante la presencia de un movimiento sísmico, las estructuras en realidad pueden estar sometidas a la presencia de fuerzas que sobrepasan el limite elástico, aunque de cierta manera en los códigos de la construcción se puede presentar indicativos fiables de rendimiento de cada elemento constitutivo de la estructura. En la actualidad se tiene disponible programas de computadora donde el análisis estructural inelástico se combina con la evaluación del peligro sísmico con el rendimiento de la estructura y este análisis se va convirtiendo cada vez más factible. Cuando una estructura es diseñada bajo lineamientos de resistencia en este se toma en cuenta de una manera burda los conceptos de ductilidad, pues no se garantizará que dichas estructuras se desempeñen adecuadamente en caso de un evento sísmico. Cuando se habla de diseño por desempeño de las estructuras, este concepto abarca mucho más del hecho de evitar el colapso de la estructuras ante sismo. En una edificación es posible que el diseño se lo haga de tal forma que se comporte bajo ciertos niveles de desempeño para los cuales ha sido diseñada, también es posible que se determine la vulnerabilidad sísmica de la estructura que ha sido conceptualizada bajo criterios de demandas sísmicas que se encuentran descritas en un determinado código de diseño..

(27) 2. En las normativas y códigos más usados, las estructuras que se encuentran diseñadas por resistencia sísmica, tienen como objetivos fundamentales que las estructuras tengan la capacidad para resistir sismo de baja intensidad sin que estas sufran de daños significativos en los elementos estructurales, es decir; que no se produzca el colapso posterior de la estructura y además que se tenga la capacidad de reparar los elementos bajo sismo moderados y de mucho mayor intensidad. El diseño de las estructuras basadas en la resistencia sísmica que se encuentran propuestas en las normativas y códigos, tiene como principal objetivo que las estructuras resistan sismos de baja intensidad sin que sufran daños estructurales significativos, sismos moderados con daños que sean reparables y sismos de mayor intensidad sin que en estas se llegue a producir el colapso. Al seguir la filosofía de diseño por desempeño sísmico en lo que se refiere al daño potencial que va a sufrir la estructura, no se tiene una norma a la que tenemos que regirnos en nuestro medio, es decir, que normalmente se diseña para un sismo y no se revisa su desempeño ante otras solicitaciones. Es de vital importancia el reconocer que la seguridad ante el colapso de una estructura, debido a la presencia de grandes sismos, no implica necesariamente un comportamiento aceptable del edificio durante sismos de pequeña y mediana intensidad, como lo ocurrido en sismos recientes (Northridge-USA, 1994-01-17, Fotografía 1; Umbria Marche Italia, 1997-09-26 y 1997-10-14), en donde se observó que muchas estructuras diseñadas con un concepto sismo resistentes no sufrieron el colapso pero si las pérdidas económicas fueron de gran importancia, debido a que no existió una definición clara de objetivos para el diseño por desempeño de estructuras, frente a los sismo de diferente intensidad. No necesariamente un incremento en la resistencia en la estructura puede garantizar la seguridad de ésta, y como consecuencia no se reducirá el daño de la estructura. Los principios de diseño por capacidad fueron introducidos en Nueva Zelanda por Park y Paulay (1975), se comenzó a desarrollar una nueva filosofía de diseño..

(28) 3. En las últimas investigaciones se han incorporado de manera explícita el punto de desempeño y los parámetros o características de respuesta inelástica, en la que se incluye el daño acumulado en el procedimiento de diseño. El principal método de análisis inelástico, es el análisis dinámico no lineal de las estructuras, para efectos prácticos resulta muy complejo y por esta razón incluso es impracticable. Por lo tanto han surgido los métodos de análisis estático no lineal, estos permiten tener una visión más compresible de cómo trabajan las estructuras cuando están sometidas a movimientos sísmicos y sobrepasan la capacidad elástica de los elementos. FOTOGRAFÍA 1.1 SISMO NORTHRIDGE-USA, 1994-01-17. FUENTE: Internet. Los principios o filosofía de diseño por desempeño se han constituido como una alternativa mucho más viables para el planteamiento de varios métodos de diseño sísmico para que se obtengan estructuras que satisfagan las más complejas necesidades de las modernas sociedades; avances logrados hasta la presente han permitido replantear nuevos requerimientos de diseño sísmico basados en esta filosofía y sugieren que las próximas generaciones de códigos estarán basados en ella..

(29) 4. A mediados de 1988, ingenieros, investigadores estadounidenses y japoneses iniciaron una serie de discusiones informales en las que se trataron tema de como diseñar estructuras sismo-resistentes con desempeño predecible. La Sociedad de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC) estableció el Comité Vision 2000 y de manera paralela se empezó a plantear en Japón, el desarrollo de varios enfoques de diseño basados en esta filosofía de diseño.. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Comprobar que el diseño en edificios de estructuras de acero mediante un análisis estático No Lineal incide en aspectos estructurales, constructivos y económicos; tomando como referencia los principios establecidos en Código FEMA (Federal Emergency Management Agency), ATC (Applied Technology Council), etc.. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ·. Modelar, calcular y diseñar edificios con estructuras de acero, utilizando diferentes tipos de arriostramientos laterales, tales como: diagonales en cruz, diagonales en punta y muro de corte de hormigón utilizando la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-15.. ·. Utilizar software ETABS-13 y realizar una análisis no lineal de los edificios de una manera más ágil, manteniendo los niveles de seguridad de acuerdo a la excitación sísmica, debiendo las estructuras comportarse de acuerdo a los niveles de desempeño esperados.. ·. Determinar el Punto de desempeño de la Estructura mediante un análisis No Lineal Pushover utilizando el software ETABS-13.. ·. Realizar un análisis del presupuesto obtenido de las alternativas de diseño y comparar los resultados económicos de cada estructura..

(30) 5. 1.3 ALCANCE El diseño sismo-resistente de las estructuras de acero en la actualidad, se basan en prever un buen comportamiento de las estructuras frente al sismo de diseño en el rango elástico, produciendo en varias ocasiones incertidumbres en otros medios a las secciones de diseño de los elementos estructurales para de esta forma tratar de satisfacer las normas vigentes en lo referente al diseño sísmico afectando de esta manera al costo de las estructuras. Al realizar un análisis lineal, se está verificando la capacidad que tienen las estructuras para soportar las solicitaciones sometidas a la misma, y se propone límites permisibles en las derivas de piso, y este análisis no determina el comportamiento de las estructuras cuando estas sobrepasan más allá del rango elástico, ni tampoco miden las ductilidad del sistema, dejando una incertidumbre en cuanto al comportamiento de las estructuras en el rango no lineal. De persistir la situación actual de los diseño de estructuras, el diseño sismoresistente seguirá basándose en investigaciones, normativas y experiencias internacionales en escenarios que son totalmente diferentes al nuestro, por lo tanto se obtendrá edificaciones cuya exactitud en la modelación de estructuras de acero sismo-resistentes y estos resultados serán discutibles. En el presente trabajo se tratará de conocer e interpretar los niveles de vulnerabilidad sísmica en las estructuras de acero aplicando un diseño bajo desempeño mediante el análisis Pushover, ante la aplicación de fuerzas laterales a los edificios que poseen diferentes tipos de arriostramientos laterales tales como, diagonales en cruz, diagonales en punta y muros de corte de hormigón armado, se tomara en cuenta varias recomendaciones dadas en códigos como el FEMA. Luego de realizado el análisis no lineal para los edificios en cuestión, se procederá a revisar el peso total de cada una de las estructuras, obteniéndose un factor que es de vital importancia en la construcción (relación del peso/área) y posteriormente.

(31) 6. se realiza un análisis de precios unitarios y de esta manera se obtendrá una evaluación de la alternativa más económica.. 1.4 JUSTIFICACIÓN Las estructuras metálicas en nuestro país, están en función de códigos, referencias, experiencias y documentos que son métodos tradicionales en lo referente al diseño sismo-resistente, estas referencias no toman en cuenta un factor esencial, que es el diseño por desempeño de estructuras. Por esta razón es muy importante el plantear nuevas soluciones o diseños que contemplen el diseño por desempeño de estructuras para de esta manera obtener estructuras más seguras y confiables en cuanto al funcionamiento estructural frente a sismos de diferente intensidades, y escenarios posibles frente a cualquier tipo de requerimientos. Los diseños actuales frente a las normativas vigentes pueden resultar sobredimensionados, pero no efectivos ni óptimos para las necesidades que se tienen en nuestro país, por lo tanto es imperativo que se plantee este tipo de solución que beneficiará en varios aspectos tales como: seguridad, economía y en el campo social. Para el presente trabajo se tomará como referencia base el código FEMA, éste nos ofrece varias tablas, ábacos y directrices de cálculo para facilitarnos un adecuado modelamiento de las estructuras y de esta forma que los ingenieros estructurales puedan realizar diseño mucho más confiables y por lo tanto afianzar de mejor manera el diseño por desempeño de estructuras en nuestro país.. 1.5 DEFINICIONES A continuación se presentan algunas definiciones importantes, que serán utilizadas de alguna manera en los capítulos siguientes..

(32) 7. 1.5.1 DISEÑO BASADO EN DESEMPEÑO SÍSMICO Consiste en la selección de apropiados esquemas de evaluación que permitan el dimensionado y detallado de los componentes estructurales, no estructurales, de manera que para un nivel especificado de movimiento sísmico y con diferentes niveles de confiabilidad, la estructuras no debe sufrir daños más allá de ciertos estados límites.. 1.5.2 NIVEL DE DESEMPEÑO Es aquel que describe un estado límite de daño discreto y representa una condición tolerable que está en función de tres aspectos que son fundamentales como son: los posibles daños físicos que se presentan en los elementos estructurales y no estructurales, las amenazas en los referente a la seguridad de los ocupantes de la edificación y la funcionalidad de la edificación posterior al evento sísmico.. 1.5.3 CAPACIDAD ESTRUCTURAL De una estructura depende de la resistencia y deformación máxima de sus componentes individuales. Para determinar la capacidad más allá del límite elástico es necesario utilizar otro tipo de análisis, el denominado análisis estático no lineal (análisis Pushover).. 1.5.4 CURVA DE CAPACIDAD Procedimiento que se usa una serie de análisis elásticos secuenciales, que se superponen para aproximarse y representarse en un diagrama, esta representación (curva) relaciona el cortante basal y los desplazamientos en el nivel superior de la estructura, se aplican una serie de fuerzas horizontales, las cuales se van incrementando de manera monotónica hasta que la estructura alcanza su capacidad máxima..

(33) 8. 1.5.5 ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL (ANÁLISIS PUSHOVER) Es una técnica simple y eficiente para determinar la capacidad, resistenciadeformación, de un tipo de estructura, bajo una distribución esperada de fuerzas inerciales.. 1.5.6 PELIGRO SÍSMICO En un lugar depende principalmente de tres factores: la sismicidad de las fuentes sísmicas que puedan afectarlo, la distancia que existe entre dichas fuentes y el sitio, y por último de los efectos de la geología local. La sismicidad corresponde a la descripción estadística de la frecuencia con la que ocurren sismos de diferentes magnitudes en cada fuente.. 1.6 ESTRUCTURAS METÁLICAS EN EL ECUADOR Actualmente se está empezando a utilizar con mayor frecuencia las estructuras metálicas en la construcción de viviendas, edificio, centros comerciales, etc; en nuestro país, esto se debe algunas ventajas tales como: cubren grandes luces, secciones menores en columnas, peso de la estructura, gran facilidad de montaje, rapidez de ejecución. La gran mayoría de edificaciones en nuestro país son en hormigón armado, su buen comportamiento estructural a lo largo del tiempo se ha posicionado fuertemente en el campo de la industria de la construcción; pero en estos últimos años, los constructores no han sido renuentes a los cambios en la construcción con el empleo de nuevos materiales como el acero y aprovechar las bondades estructurales y arquitectónicas que ofrecen estos materiales. En el campo industrial un factor fundamental para el desarrollo de la misma es el tiempo, mientras este sea menor en la ejecución de una tarea, mayor será la producción y por lo tanto mayor ganancia..

(34) 9. La utilización de estructuras metálicas en la construcción, permiten una mayor industrialización en la ejecución de edificaciones prefabricadas de ahí la importancia de empezar a realizar el cálculo, diseño y construcción de edificios con estructuras metálicas de forma masiva. A continuación se presenta una serie de fotografías de edificios con estructura metálicas en la ciudad de Quito:. FOTOGRAFÍA 1.2 EDIFICIO SECTOR AV. 12 DE OCTUBRE. QUITO. FOTOGRAFIADO POR: Guerrero Patricio.

(35) 10. FOTOGRAFÍA 1.3 EDIFICIO SECTOR CALACALÍ. FOTOGRAFIADO POR: Guerrero Patricio. FOTOGRAFÍA 1.4 EDIFICIO SECTOR AV. AMAZONAS. QUITO. FOTOGRAFIADO POR: Guerrero Patricio.

(36) 11. CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DE CÓDIGOS En este capítulo se realizará un resumen de normas y códigos que indican parámetros y recomendaciones para evaluar en primera instancia la parte estática lineal y posteriormente se presentará los lineamientos para la aplicación del análisis no lineal; además se presentan los parámetros utilizados para determinar las cargas horizontales que serán aplicadas a cada modelo estructural.. 2.1. NSR-10 (NORMA SISMO RESISTENTE). La Norma Sismo Resistente de Colombia 2010 (NSR-10) fue introducido en abril del 2010 y entró en vigencia desde diciembre del mismo año, reemplazando a la normativa anterior que data del año 1998 (NSR-98). En la NSR-10 toma en cuenta normas internacionales tales como el FEMA 4502006 y el Intenational Building Code (IBC-2009), los cuales bajo la dirección de la Comisión Asesora Permanente del Régimen de Construcciones Sismo Resistentes procedieron a realizar las respectivas actualizaciones de la norma colombiana. El NSR-10 tabula valores del factor de disipación de energía de una forma muy bien resumida, en la que se ubica el tipo de estructura y el tipo de material incluso toma en cuenta la zona de amenaza sísmica; adicionalmente se muestra el valor del coeficiente de sobre-resistencia para cada estructura, el cual es útil para cuando el material de la estructura y el grado de disipación de energía requieran que los elementos frágiles o las conexiones entre elementos, se diseñen para fuerzas sísmicas amplificadas por este coeficiente. En la tabla de valores del Código Colombiano NSR-10 se presenta la notación de R0, esto se debe a que cuando una estructura se la clasifica como una estructura irregular, el valor del coeficiente de respuesta sísmica R0 se lo debe reducir.

(37) 12. multiplicando por fa debido a irregularidades en altura, por fp debido a irregularidades en planta y por fr debido a ausencia de redundancia en el sistema estructural de resistencia sísmica. Es necesario indicar que los valores de los coeficientes de reducción de resistencia sísmica R0 que se presentan en el código colombiano son con fuerzas sísmicas ultimas, es decir, que su espectro es de cargas ultimas. Los valores de capacidad de disipación de energía para estructuras de edificación fluctúan entre 8 y 1. Anexos.. 2.2. MINIMUM DESIGN LOADS FOR BUILDING AND OTHER STRUCTURES (ASCE 7-10). El ASCE 7-10 es el código que norma la construcción en los Estados Unidos de Norteamérica, el cual establece requisitos para el cálculo y diseño estructural y establece la determinación de cargas de mínimas de diseño, entre estas las cargas utilizadas para evaluar sismo. Los valores de la capacidad de disipación de energía (R) del ASCE -10 se encuentran tabulados de una manera detallada en la que se debe conocer el material y tipo de estructura, además se indica el coeficiente conocido como sobreresistencia (Ω0) y el factor de amplificación de la deflexión (Cd) para cada estructura; inclusive se indica la categoría de diseño sísmico. Cabe mencionar, que los valores del coeficiente (R) que se presentan en el ASCE 7-10 fluctúan entre 8 y 1.5 para estructuras de edificaciones. Adicionalmente se presenta una tabla de valores para (R) para estructuras que son diferentes a las edificaciones, estos valores fluctúan de 3 hasta 1.25. Anexos.. 2.3. EUROCODIGO. Los Eurocódigos estructurales son un conjunto de normas europeas para la ingeniería de carácter voluntario, redactadas por el Comité Europeo de Normalización (CEN) y que.

(38) 13. pretenden unificar criterios y normativas en las materias de diseño, cálculo y dimensionado de estructuras y elementos prefabricados para edificación. Las directrices de los eurocódigos se dividen en principios y reglas. Los principios comprenden afirmaciones generales para los que no existe elección alternativa y por tanto deben ser satisfechos por todo proyecto al eurocódigo, también comprenden requerimientos técnicos y modelos analíticos obligatorios. Por otro lado las reglas de aplicación por el contrario son recomendaciones o procedimientos que siguen los principios pero para los cuales pueden considerarse procedimientos alternativos, siempre y cuando satisfagan los principios al mismo nivel que las reglas recomendadas por el propio eurocódigo. En cuanto a las bases de cálculo más propiamente dicha los eurocódigo siguen el método de los estados límites. Los estados límites incluyen aspectos como la capacidad resistente, la funcionalidad y la durabilidad. Existen 10 Eurocódigos Estructurales, desde la EN 1990 a EN 1999, divididos a su vez en varias partes y sub-partes. Para el presente trabajo se puede tener como referencia a los siguientes:. 2.4. ·. EN 1993 Eurocódigo 3: Proyecto de estructuras de acero.. ·. EN 1998 Eurocódigo 8: Proyecto de estructuras sismo-resistentes.. FEMA-273 (FEDERAL EMERGENY MANAGEMENT AGENCY. Han sido desarrollados varios procedimientos para el modelado, parámetros o criterios de aceptación y lineamientos para el análisis conocido como Pushover, adicionalmente en el FEMA-273 se presentan criterios de fuerza-deformación para las articulaciones usadas en el análisis tipo Pushover. Los puntos A, B, C, D, y E; que están indicados en la Figura 2.1, son utilizados para definir el comportamiento de deflexión de la articulación además de tres puntos IO, LS y CP que son usados para definir los criterios de aceptación para la articulación, los valores que pertenecen a cada uno de estos puntos varían dependiendo del tipo.

(39) 14. de elemento estructural así como muchos otros parámetros definidos por el FEMA273. La respuesta de un elemento se mide en función del criterio de aceptación establecido y es usado para establecer los límites de desempeño en término de las deformaciones.. ·. Un elemento cuya respuesta esté entre B y IO indica que la estructura puede ser ocupada de inmediato luego de producido el evento sísmico.. ·. Si la respuesta está en el tramo entre IO y LS se debe definir con un criterio técnico la seguridad de las vidas de los ocupantes.. ·. En el punto CP será necesario prevenir el colapso por medio de rehabilitación de la estructura.. FIGURA 2.1 GRADO DE ESFUERZO RESPECTO A LA FLUENCIA F/FY VS RELACIÓN DE GIRO q/qY DEL ELEMENTO. FUENTE: Informe Técnico Edificio Plaza 2000 En donde:. A = Origen correspondiente a la condición sin carga lateral. B = Límite de fluencia nominal que corresponde al inicio de daños estructurales. C = Límite de seguridad estructural. Representa el punto de máxima capacidad. Más allá de esta deformación no puede ser garantizada la reversión de las fuerzas laterales cíclicas. Para los elementos frágiles como el concreto, esta deformación.

(40) 15. está muy cerca de la deformación a la que se alcanzó la fluencia. Para los elementos de acero esta deformación es mayor que la deformación de fluencia. D = Esfuerzo residual. La caída en la resistencia entre C y D representa el fracaso inicial del elemento estructural. Puede estar asociado con fenómenos como la fractura del refuerzo longitudinal, desprendimiento del hormigón o fallas de confinamiento del refuerzo transversal. E = Colapso. El punto E es el punto que define la máxima deformación más allá de la cual el elemento ya no puede sostener la carga gravitacional.. 2.4.1 ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL El análisis estático no lineal “Pushover” es una técnica simple y eficiente que sirve para estudiar la capacidad, resistencia-deformación, de una determinada estructura bajo una distribución esperada de fuerzas inerciales, la cual se debe incrementar de manera monotónica hasta que la estructura alcance el desplazamiento máximo, en la Figura 2.2. FIGURA 2.2 CORTANTE BASAL VS DESPLAZAMIENTO EN EL TOPE DE LA ESTRUCTURA. FUENTE: Vulnerabilidad y riesgo sísmico de edificios. El sistema de cargas a las cuales se somete a la estructura, Fi, se incrementa de manera monotónica hasta que la estructura alcanza su capacidad máxima, de esta.

(41) 16. forma se puede identificar la formación sistemática de grietas en los elementos estructurales, cedencia de juntas y la falla mecánica de los componentes, el estado límite de serviciabilidad de la estructura, deformaciones máximas y cortantes de la estructura, este último corresponde a lo que se conoce como curva de capacidad. Se utiliza la conocida técnica Pushover, que es la más apropiada para obtener la Curva de Capacidad Lateral de la estructura más allá del Rango Elástico y además obtener la formación secuencial de mecanismos y fallas en los elementos de la estructura. El procedimiento del Pushover consiste en un proceso sucesivo de análisis estáticos incrementales que toman en cuenta la variación de la rigidez en los elementos en cada elemento. Este análisis se efectúa incrementando carga lateral hasta que la estructura alcanza ciertos límites de desplazamientos o hasta cuando se produzca la inestabilidad. Para este proceso es necesario conocer las dimensiones y el acero en los elementos de la estructura e incursionar en las propiedades no lineales de fuerzas y deformaciones en las secciones. Los objetivos a determinar del análisis Pushover son: ·. Capacidad Lateral de la estructura.. ·. Identificar cuáles son los elementos susceptibles a fallar primero.. ·. La ductilidad Local de elementos.. ·. La ductilidad global de estructura.. ·. Concepto de vigas débiles y columnas fuertes.. ·. Degradación global de resistencia.. ·. Verificar los desplazamientos relativos inelásticos.. ·. Chequear los criterios de aceptación a nivel local de cada elemento..

(42) 17. 2.4.1.1 Formación de las rotulas plásticas Cuando se produce un evento sísmico, el comportamiento inelástico en las estructuras, el sitio en el cual se estima la formación de las rótulas plásticas se suele concentrar en zonas en donde se produce una alta demanda sísmica y corresponden a las zonas que se encuentran adyacentes de las vigas a los nudos. Se acostumbra el considerar una zona de daño equivalente en la cual se ve concentrada toda la deformación elástica, a esta zona se la conoce como rótula plástica y le corresponde la longitud “Lp” como se muestra en la Figura 1.3, una aproximación para longitud efectiva “Lp” es de 0.4 a 0.5 veces el peralte del elemento y se asume además que en esta longitud la curvatura es constante. Para los modelos matemáticos analizados en el presente proyecto se definirán las rótulas plásticas de los elementos Viga y Columna al 5% y 95% de la longitud total del elemento. La hipótesis para que este modelo se cumpla, es que el nudo de la unión viga-columna no falle. FIGURA 2.3 DEFINICIÓN RÓTULAS PLÁSTICAS EN VIGAS. ELABORADO POR: Guerrero Patricio. 2.5. ATC-40 (APPLIED TECHNLOGY COUNCIL). En el ATC-40 capítulo 8, se hace hincapié en el uso de los procedimientos estáticos no lineales en general y se centra en el método de espectro de capacidad. Este método no ha sido desarrollado previamente y proporciona un tratamiento particularmente riguroso de la reducción de la demanda sísmica para aumentar el desplazamiento. A continuación se presenta un esquema del procedimiento analítico indicado en ATC-40..

(43) 18. FIGURA 2.4 PROCEDIMIENTO ANALÍTICO ATC-40. FUENTE: ATC-40. Capítulo 8. EDITADO POR: Guerrero Patricio. Los métodos para realizar el análisis estático no lineal simplificado, se presenta dos claves para el desarrollo del análisis: ·. La demanda, es una representación del movimiento sísmico y la capacidad es una representación de la capacidad de la estructura para resistir la demanda sísmica.. ·. Para cuando se realiza el análisis se requiere la determinación de la capacidad, la demanda (desplazamientos) y el rendimiento..

(44) 19. La capacidad de una estructura depende de la resistencia y capacidad de deformación de sus componentes individuales. 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 determinada serie de análisis elásticos de manera secuencial y luego éstos son superpuestos para tratar de aproximar a 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, luego se aplica un incremento en la fuerza externa de manera que otros componentes también alcancen su fluencia. Este proceso continúa hasta que la estructura se vuelve inestable o hasta que se alcance un límite pre establecido. En cuanto a la demanda; A diferencia de los métodos de análisis lineal que emplean fuerzas laterales para representar una condición de diseño, los métodos de análisis no lineal emplean desplazamientos laterales como una condición de diseño, ya que son más directos y fáciles de usar. Para una determinada estructura y una solicitación sísmica, el desplazamiento de demanda es una estimación de la respuesta máxima esperada durante el movimiento sísmico. El desempeño; Una vez que se han determinado la curva de capacidad y se ha definido el desplazamiento de demanda, se puede evaluar el desempeño de la estructura. La verificación del desempeño verifica que los componentes estructurales y no estructurales no estén dañados más allá de los límites aceptables del desempeño objetivo.. 2.6. NEC-15 (NORMA ECUATORIANA DE LA CONSTRUCCIÓN). El objetivo primordial de la NEC, es el de regular los procesos para dar fiel cumplimiento a las exigencias básicas en la parte de seguridad y calidad de todo tipo de estructuras en las fases de diseño, construcción y mantenimiento de las mismas..