CALLAO - PERÚ 2020
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Evaluación estructural para determinar la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH. Ciudadela
Chalaca- Callao 2020
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
Ingeniera Civil
AUTORA:
Novoa Sullcahuaman, Jenifer Dayana (ORCID: 0000-0002-6297-1932)
ASESORA:
Mg. Ramos Gallegos Susy Giovana (ORCID: 0000-0003-2450-9883)
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
Diseño Sísmico y Estructural
DEDICATORIA
A mis hermanos y madre.
Dedicado este proyecto a mis hermanos que fueron el cimiento para ser profesional y mi motivo de salir adelante, el solo hecho de tenerlos conmigo me da fortaleza, también dedico esta tesis a mi madre por darme fuerzas, agallas y coraje para enfrentar todo obstáculo en esta vida, ella mi ejemplo de mujer luchadora.
A mis abuelos
A mis abuelos que me acompañan día a día, son también mis padres y no hay mejores guías que ellos.
A mi esposo e hija
A mi esposo Thayber por ser mi apoyo y amigo en todo momento, gracias por darme una razón más para salir adelante que es nuestra hija. A mi hija Sophia Daniela que está en camino y me ha dado fuerzas para culminar esta última etapa.
A mis tías
A mi tía Julia y Judith por ser amigas incondicionales en mi etapa de crecimiento y porque son un modelo de persona y de mujer emprendedora.
ii
AGRADECIMIENTO
Comenzare el agradeciendo a Nuestro Padre Celestial quien me guio por el buen camino y me ayudo a levantarme ante cualquier dificultad.
A mi casa de estudios que me enseño el mundo profesional como tal y me brindo oportunidades incomparables.
Agradezco a mis docentes, compañeros y asesora Mag.
Ramos Gallegos Susy Giovana por la enseñanza, aprendizaje de nuevas experiencias y por la paciencia infinita hacia mi persona.
A juan Diego un amigo de apoyo incondicional en toda la etapa de mi formación profesional.
A jhoselyne por ser más que una amiga en mi vida, agradezco todas tus palabras de aliento a no rendirme jamás.
iii
3.1. Tipo y diseño de investigación 18
3.2. Variables y operacionalización 19
3.3. Población, muestra y muestreo 19
3.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos 20
3.5. Procedimientos 20
3.6. Métodos de análisis de datos 20
3.7. Aspectos éticos 21
IV. RESULTADOS 22
V. DISCUSIÓN 55
VI. CONCLUSIONES 58
VII. RECOMENDACIONES 60
REFERENCIAS 61
ANEXOS 67
I. INTRODUCCIÓN 1
II. MARCO TEÓRICO 6
III. METODOLOGÍA 18
Agradecimiento ... iii
Índice de contenidos ... vi
Abstract... vii
... iv
Índice de tablas ... v
Índice de figuras...vii
Resumen Índice de contenidos Dedicatoria ... ii
iv Carátula...i
Tabla 01: Categoría de las edificaciones 10
Tabla 02: Categoría y sistema estructural de las edificaciones 10
Tabla 03: Límites para la distorsión de entrepiso 11
Tabla 04: Factor de suelo 13
Tabla 05: Periodos Tp y Tl 13
Tabla 06: Sistemas estructurales 14
Tabla 07: Masa participativa en los casos modales 34
Tabla 08: Deriva inelástica en dirección XX 35
Tabla 09: Deriva inelástica en dirección YY 35
Tabla 10: Patrones de carga en dirección XX 39
Tabla 11: Patrones de carga en dirección YY 40
Tabla 12: Effective stiffness Values 41
Tabla 13: Deriva inelástica en dirección XX con reforzamiento 54
Tabla 14: Deriva inelástica en dirección YY con reforzamiento 54 ÍNDICE DE TABLAS
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 01: Ejemplo de vulnerabilidad sísmica 12
Figura 02: Zonas sísmicas 13
Figura 03: Curva Pseudo Aceleración y factor de reducción R 15
Figura 04: Representación de la curva de capacidad de una estructura 15
Figura 05: Filosofía y principios del diseño sismorresistente 22
Figura 06: Modelo Estructural Figura 07: Armado de aligerado, Planta típica 27
Figura 08: Armado de aligerado, entre ejes 2-3, A-E. 27
Figura 09: Armado de aligerado, entre ejes 1-2, B-E. 27
Figura 10: Diagrama de momento, aligerado entre ejes 2-3, A-E. 28
Figura 11: Diagrama de cortante, aligerado entre ejes 2-3, A-E. 28
Figura 12: Área de acero requerido, aligerado entre ejes 2-3, A-E. 28
Figura 13: Diagrama de momento, aligerado entre ejes 1-2, B-E. 29
Figura 14: Diagrama de cortante, aligerado entre ejes 1-2, B-E. 29
Figura 15: Área de acero requerido, aligerado entre ejes 1-2, B-E. 29
Figura 16: Espectro de sismo de diseño 31
Figura 17: Espectro de aceleraciones 32
Figura 18: Modo de vibraciones en dirección XX 33
Figura 19: Modo de vibraciones en dirección YY 33
Figura 20: Modo de vibraciones en dirección ZZ 33
Figura 21: Desplazamiento lateral de la edificación 36
Figura 22: Desempeño Sísmico de la edificación 36
Figura 23: Espectro elástico de respuesta con formato ADSR 38
Figura 24: Cortante en piso producido por la combinación sísmica 39
Figura 25: Vista 3D del edificio con rotulas plásticas 41
Figura 26: Propiedades geometricas de columnas y vigas 42
Figura 27: Punto de desempeño direccion XX 42
Figura 28: Punto de desempeño direccion YY 43
Figura 29: Plano de planta de estructuras 44
Figura 30: Punto de desempeño espectro de capacidad en dirección XX 45
vi
Figura 31: Punto de desempeño espectro de capacidad en dirección XX 46
Figura 32: Método de los coeficientes en dirección XX 46
Figura 33: Método de los coeficientes en dirección YY 47
Figura 34: límite de influencia 48
Figura 35: Planta de cimentación 49
Figura 36: Tensión máxima sobre terreno. 49
Figura 37: Despegue sobre terreno. 50
Figura 38: Sección de análisis de punzonamiento. 50
Figura 39: Tensión máxima sobre terreno. 52
Figura 40: Despegue sobre terreno. 52
Figura 41: Sección de análisis de punzonamiento. 53
vii
RESUMEN
La presente investigación tiene como finalidad la evaluación estructural para determinar la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca, provincia del Callao. La metodología utilizada en esta investigación es tipo aplicada, el diseño de investigación es no experimental, el nivel de investigación es transversal descriptivo y el enfoque es de tipo cuantitativo, la población en estudio es el edificio de 5 pisos en el AA. HH Ciudadela Chalaca Callao, donde la muestra es el edificio de 5 pisos en el AA. HH Ciudadela Chalaca Callao Mz. D Lt 27 y el muestreo es no probabilístico; asimismo está investigación está dividido en 4 etapas.
En el primer capítulo se desarrolla la introducción, que abarca la realidad problemática, antecedentes, formulación del problema, justificación y objetivos de la presente tesis de investigación.
En el segundo capítulo se desarrolla el marco teórico, donde se presentan investigaciones tomadas en cuenta por la similitud al objetivo principal y teorías relacionadas al tema.
En el tercer capítulo se describe la metodológica de la investigación, es decir el diseño de la investigación, variables y su operacionalización, población y muestra, técnicas e instrumentos de recolección de datos que se empleó y su validez y confiabilidad realizada por tres jueces expertos en la materia.
En el cuarto capítulo se expondrán los resultados obtenidos de la evaluación realizada en el proyecto, la propuesta de mejora dada por la tesista para dar solución al problema presentado.
Se podría decir, que las viviendas que fueron construidas usando mano de obra no calificada da como consecuencia el deficiente procedimiento constructivo, son estructuras débiles y muy propensas de sufrir daño severo durante eventos sísmicos calificados como sismos raros.
Palabras claves:
Modelación estructural, vulnerabilidad sísmica, diseño estructural.
viii
ABSTRACT
The purpose of this research is the structural evaluation to determine the seismic vulnerability of a five-story house in the AA. HH Ciudadela Chalaca, Callao province.
The methodology used in this research is applied type, the research design is non- experimental, the research level is descriptive and the approach is quantitative, the study population is the 5-story building in the AA. HH Ciudadela Chalaca Callao, where the sample is the 5-story building in the AA. HH Ciudadela Chalaca Callao Mz. D Lt 27 and the sampling is non-probabilistic; This research is also divided into 4 stages.
In the first chapter the introduction is developed, which covers the problematic reality, antecedents, formulation of the problem, justification and objectives of this research thesis.
In the second chapter the theoretical framework is developed, where investigations taken into account are presented by the similarity to the main objective and theories related to the subject.
The third chapter describes the research methodology, that is, the research design, variables and their operationalization, population and sample, data collection techniques and instruments used and their validity and reliability performed by three expert judges in the matter.
The fourth chapter will present the results obtained from the evaluation carried out in the project, the improvement proposal given by the thesis to solve the problem presented.
It could be said that the houses that were built using unskilled labor result in the deficient construction procedure, they are weak structures and very prone to suffering severe damage during seismic events classified as rare earthquakes.
Keywords:
Structural modeling, seismic vulnerability, structural design.
ix
1 I. INTRODUCCIÓN
Perú es una nación altamente sísmica porque forma parte del Cinturón de Fuego del Pacifico, ha pasado por fuertes acontecimientos sísmicos al largo de estos años que han dejado pérdidas materiales como humanas.
El Cinturón de Fuego del Pacifico también llamado Anillo de Fuego del Pacifico se encuentra expuesta a actividad sísmica y volcánica, donde ocurren el 90% de sismos del mundo y el 80% de los más grandes según U.S. Geological Survey Earthquakes FAQ 2015, la zona costera de nuestro país es donde se dieron orígenes de tsunamis que afectaron a mucha población. Ante estos sucesos de debe tomar medidas de prevención para reducir la vulnerabilidad ante estos fenómenos (Castillejo y Espinoza, 2015, P.1).
En 1949 un fuerte terremoto de intensidad VII-VIII.MM (8.2 grados) sacudió Lima y Callao, Fue el sismo más fuerte del siglo XX que afectó a la costa central del Perú.
Como resultado de dicho sismo fue casi 200 personas que perdieron la vida junto a miles de heridos. Más del 50% de las casas se vieron gravemente afectadas e inundadas. Ya que en esos años las construcciones mayoritariamente se realizaban con materiales de adobe y quincha (CISMID).
Para Evaluar la estructura y determinar la vulnerabilidad sísmica de las infraestructuras vivenciales el programa ETABS V18 “VERSIÓN DE EVALUACIÓN”, revolucionario en análisis estructural se encargará de evaluar la estructura, siguiendo una secuencia de desarrollo, de todos los elementos como Losas, vigas, y columnas, que es la parte inicial de geometría del edificio, según sus parámetros y códigos.
En la presente investigación se refiere a la vulnerabilidad sísmica que pueda presentar una vivienda ya habitada, esta vulnerabilidad es hallada mediante una evaluación estructural, la vivienda de cinco niveles está ubicada Asentamiento Humano Ciudadela Chalaca, Callao.
Una vivienda habitada por familias que presenta vulnerabilidad sísmica significa un peligro constante para la vida humana de quienes lo habitan ya que en cualquier momento puede asentarse causando fisuras en sus elementos estructurales y terminando en colapso; no solo puede ocasionar la perdida humana de quienes lo habitan sino de vecinos continuos.
2
Para el desarrollo de esta investigación se utilizara un software de ingeniería estructural (CSI) llamado ETABS V18 “VERSIÓN DE EVALUACIÓN” es decir un instrumento con una capacidad elevada para un análisis lineal y no lineal, tiene la suficiencia de seguir todos los movimientos para el diseño, creación y generación de especificaciones de una estructura, también da paso al análisis acelerado de diseños múltiples rápido y soporta técnicas de modelado no lineales, como secuencia constructiva y efectos diferidos en el tiempo.
Según la geometría de la estructura que se evaluara implicara el desarrollo de un panel fotográfico para conocer las características a desarrollar en la ficha de observación. Donde Jordán (2017) nos dice que, para asegurar la veracidad de estas fotos, se deberá tener un traslape de un 30% en cada fotografía donde será más fácil reconstruir modelos interiores. Él recomienda fotografías continuas con un mismo eje.
La vulnerabilidad sísmica estructural es un tema de discusión reiterada de opiniones contrarias debido a los acontecimientos de desastres naturales que se han exponen a lo largo de la historia en nuestro país. La vulnerabilidad no solo depende de la peligrosidad del lugar donde se encuentre ubicada la construcción sino también de que manera y por quienes fue construida, las personas que viven en Asentamientos Humanos no tienen el apoyo económico o la solvencia económica para poder construir de manera profesional sus viviendas por ello recurren a la autoconstrucción o mano de obra barata realizada por albañiles que se basan solo a su experiencia.
Según CAMPODONICO ignorar el comportamiento estructural de las viviendas autoconstruidas ante los sucesos naturales se hace visible en la población, construyendo en zonas sin evaluar con terrenos inestables y pendientes altas, las familias construyen casas hasta de 5 niveles sin cuestionarse si el tipo de cimentación utilizada en dicha construcción soportara tantos niveles (2017, p.1).
La N.T.P. E-030; el mapa de zonificación sísmica del territorio nacional, el callao pertenece a una zona sísmica 4, zona con alta vulnerabilidad sísmica basada en repartición sideral de la sismicidad detectada, la particularidad de las actividades sísmicas y atenuaciones de estos con la distancia del epicentro sumando la información de la corteza terrestre (2018, p.8).
La constitución del callao se considera una región con alta sismicidad, en la cual la
3
frecuencia de sismos con intensidad mayor IV en la escala MM es regular; muy vulnerable para la conservación del estado de las edificaciones presentando agresividad en los suelos por sales y sulfatos, asentamientos por erosión del suelo y presencia de suelos blandos.
Esta es una ciudad portuaria, la mayor parte de su territorio se despliega en una espaciosa bahía amparada por islas, tiene un suelo que presenta las mejores características físico-químicas y morfológicas para realizar agricultura bajo riego.
El asentamiento humano ciudadela chalaca se consideró una zona aluvial es por eso que las cimentaciones de las construcciones que se han realizado a lo largo de los años se han encontrado presencia de aguas subterráneas.
La problemática de este asentamiento ubicado en el callao es estar en una zona altamente sísmica y tener una vivienda que tenga vulnerabilidad sísmica alta es un peligro para la vida humana.
Es así como nace el problema general de esta investigación:
• ¿De qué manera influye la evaluación estructural para determinar la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020?
Los problemas específicos son los siguientes:
• ¿De qué manera la característica de la vivienda influye con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020?
• ¿De qué manera las condiciones del lugar influyen con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020?
• ¿De qué manera las cargas gravitatorias influyen con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020?
La tecnología avanza a gran escala tal que hace unos años atrás hacer un modelo analítico tomaba mucho tiempo de cálculo y hoy en día contamos con el apoyo de herramientas virtuales como hojas de cálculo y softwares que agiliza el tiempo de ejecución.
La aplicación de los puntos conceptuales facilitará al lector a comprender el
4
comportamiento y factores que debemos considerar para diferentes niveles de análisis, como en el caso si fuere un elemento estructural o también un elemento no estructural.
Los elementos estructurales son creados o dimensionados para cumplir una lista de condiciones como resistencia, rigidez, estabilidad y funcionalidad según sus características formales de la construcción y dentro de ellos existen parámetros como estéticos, económicos y tiempo de ejecución (Rodas, 2014, p.19).
Los elementos no estructurales como cielos, paneles, puertas, ventanas, etc., deben soportar movimientos de la estructura es por eso que la seguridad de dichos elementos debe estar muy comprometida (Cardona, 1993, 87 pp.).
La aplicación de evaluación estructural para determinar la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles nos hará conocer el estado de seguridad estructural ante un sismo, en las cuales beneficiará mucho a los habitantes de la zona, como a las personas de su alrededor.
Con el análisis respectivo, tendrías la seguridad vivir en el inmueble sabiendo que la edificación se comportara adecuadamente ante un sismo, esto no tendrán pérdidas significativas antes futuros eventos sísmicos.
Cuando existe un sismo en la cual el edificio no es analizado el rango de seguridad, este podría colapsar provocando pérdidas materiales, lo cual es un gran problema cuando se realiza las autoconstrucciones, y esto afecta al ambiente ya que siempre hay ambientes compartidos, por lo tanto, el polvo que expulsaría el edificio a colapsar contaminaría a los individuos que se encontrarían cerca.
Según Benedetti y Petrini (1984) Su metodología consta de identificar el sistema antisísmico, parámetros importantes que controlan los daños ante un desastre es decir la tipología de la construcción. Estos investigadores italianos calificaban las estructuras según sus condiciones de calidad ante un sismo, los parámetros usados por ellos fueron de un A – (optimo) a D – (desfavorable).
El manual FEMA nos permiten detectar edificios que son potencialmente vulnerables que se ven afectados por intensos sismos, a través de la observación y completando fichas se puede detectar el tipo de estructura e identificar las características claves que den con la debilidad estructural.
Su objetivo general de esta investigación es:
5
• Identificar la influencia de la evaluación estructural para determinar la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca- Callao 2020.Objetivos específicos
Plantear un modelo de diseño que cumpla parámetros y logre un óptimo comportamiento mediante las normas vigentes de forma idónea.
• Identificar de qué manera la característica de la vivienda influye con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020
• Identificar de qué manera las condiciones del lugar influye con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020
• Identificar de qué manera las cargas gravitatorias influye con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020
La hipótesis se verificará exclusivamente cuando se lleve a cabo el análisis estático no lineal de la vivienda de 5 niveles.
• La evaluación estructural influye significativamente en la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca- Callao 2020.
Sus hipótesis específicas serán:
• La característica de la vivienda influye significantemente con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020
• Las condiciones del lugar influyen significativamente con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020
• Las cargas gravitatorias influyen significativamente con la vulnerabilidad sísmica de una vivienda de cinco niveles en el AA. HH Ciudadela Chalaca – Callao 2020
6 ll. Marco teórico
Para llevar a cabo la investigación se tuvo en cuenta otras investigaciones tales como:
A nivel Internacional Aguilar (2014), en su proyecto “Evaluación estructural mediante el fema 154 del NEC y propuesta de reforzamiento de la institución honrar la vida del D.M.Q.”, presentado en la Universidad Central del Ecuador, para obtener el título profesional de ingeniero civil. Dicho proyecto evalúa formas de obtener un resultado del estado en que se encuentra las estructuras de una forma más rápida y resumida ya que es de suma importancia reforzar las edificaciones que no cumplan con las reglas actuales.
Martínez (2014), en su investigación “Evaluación de la vulnerabilidad sísmica urbana basada en tipologías constructivas y disposición urbana de la edificación, aplicación en la ciudad de Lorca, región de Murcia”, presentado en la Universidad Politécnica de Madrid, grado doctoral de ingeniero civil, esta investigación tiene como proposito calificar y estimar los parámetros urbanísticos y verificar con los que tienen una relación similar con el daño en las construcción de edificios tras un suceso sísmico y así brindar aportes que formen parte de una disminución de ciudades sísmicamente vulnerables. Se obtuvo como conclusión que las modificaciones depende del daño detectado en eventos anteriores, cuyas escalas se gradúan en pasos +/- 0.02 y algunos índices que oscilan entre -0.08 y +0.08;
además los daños diferentes que dejan los diferentes fenómenos hacen que aparezcan nuevos modificadores y nuevos implementos para las infraestructuras.
Según Ayala (2017) en su estudio “Influencia del planeamiento urbanístico en el riesgo sísmico a escala urbana”. Esta tesis tiene como finalidad disminuir de forma significativa la exposición de destrucción de sus viviendas ante un sismo, como solución plantea controles y normas urbanísticos para dicha población con el dominio de la autoridad. También busca dar orientación a la gente para no cometer errores en el proceso de sus construcciones y así evitar el colapso de más estructuras.
Aguilar (2010) en su proyecto de investigación titulada “Dynamic Structural identificación using Wireless Sensor Networks” explica que estos sensores permiten evaluar el estado dinámico de las estructuras en estado de operación, y nos recalca que es de suma importancia conservar el buen estado de las
7
construcciones. Este sistema es empleado en estructuras que son representativas para cada país, cumplen la función de herramientas que pueden evaluar el estado real de las infraestructuras y ayuda a una toma de decisiones rápida durante un suceso sísmico agresivo.
Lang (2002) en su proyecto de investigación titulada “Seismic vulnerability of existing buildins” tiene como objetivo determinar la vulnerabilidad sísmica de los edificios existentes, que tiene como modelos de ingeniería de las estructuras con una evaluación basado en procedimientos no lineales donde se evaluara la capacidad de deformación y resistencia de la estructura. Es de suma importancia saber las distorsiones y resistencia de la estructura ya que es predominante para saber en qué estado se encuentra lo habitado.
A nivel nacional En la revista científica Roca-Fernández, Estrella Yadira; Vaz- Suárez, Coralina; Calderín-Mestre, Francisco; (2013). En la revista científica titulada: “El terremoto y sus efectos en el medio ambiente: el patrimonio construido y su vulnerabilidad sísmica estructural”. Índico que el método usual en la evaluación de vulnerabilidad de las infraestructuras ante un terremoto, frecuentemente se ha basado en usar métodos reducidos esencialmente en noción de la fortaleza. Pero cuando estas infraestructuras son creadas con este concepto incluyendo de manera brusca el concepto de ductilidad, no hay la seguridad que se desempeñe adecuadamente ante lo solicitado.
Oviedo (2014), En el artículo de investigación titulada “Métodos de reforzamiento en Edificación de Concreto Armado”. El reforzamiento es muy importante para las infraestructuras porque cada construcción está expuesta a terremotos en cualquier lugar del planeta y a cualquier hora. Este autor nos da a notar las distintas formas de realizar un reforzamiento con un servicio a favor y con posibles inconvenientes.
Valenzuela Beltrán, Federico; Ruiz Gómez, Sonia E.; Reyes Salazar, Alfredo; Terán Gilmore, Amador; (2018) en su revista “Factores de amplificación de resistencia para el diseño de estructuras con asimetría en fluencia”. Este artículo nos habla de los diferentes tipos de suelos y sus construcciones donde se plantea varias propuestas para ampliar la solidez en la asimetría de los edificios.
Huapaya (2017) "Evaluation of the seismic behavior indicators of buildings with a system contributed through the non-linear static method" Con el uso de software estructural, los valores de resistencia y ductilidad de la estructura se pueden ver
8
más rápidamente. Estos valores dependerán de las características del edificio, como la zona sísmica a la que pertenece, el suelo, el uso, su peso y el sistema con el que está diseñado. Su capacidad de carga y flexibilidad.
Jaramillo (2014) in his project “Holistic evaluation of seismic risk in urban areas and strategies for its mitigation. Application to the city of Merida-Venezuela” exhibited by the Polytechnic University of Catalonia, Su objetivo principal es reducir las pérdidas sociales y físicas presentando una lista de propuestas para combatir esta vulnerabilidad que es la realidad de muchos países. La ciudad de Mérida debe actualizar anualmente sus bases de datos sobre su población y hogares para tener un control más riguroso sobre estas nuevas metodologías propuestas, logrando así los objetivos establecidos.
Bojórquez Mora, Edén; Leyva Madrigal, Herian; Reyes Salazar, Alfredo; et. to the.
(2018) they tell us in “Multi-objective optimum design of r / c frames using genetic algorithms” Los logaritmos genéticos nos permiten encontrar una solución ante las dificultades de optimización estructural, sabemos que existe una gran variedad de software para facilitar el cálculo y disminuir el costo de los proyectos en poco tiempo, a lo largo de los años se desarrollan nuevos métodos rentables que permiten nosotros para reducir los costos de tiempo con datos precisos y confiables.
Douglas (2007), En el artículo de investigación titulada “PHYSICAL VULNERABILITY MODELLING IN NATURAL HAZARD RISK ASSESSMENT”. Nos explica que la vulnerabilidad física está mal modelada y la causa de las pérdidas humanas se debe directamente al suceso sísmico y no al daño observado en la estructura. Este autor nos recalca que es la falta de datos y observación sobre el peligro que hace que se subestime el nivel de peligro, una solución es realizar el seguimiento a las evoluciones de los terremotos y daños estructurales que se presentan.
Las estructuras con un diseño y un detalle deficientes a menudo han sufrido un rápido deterioro de sus propiedades mecánicas que afectan tanto la resistencia como su rigidez, lo que conlleva graves daños y, en el peor de los casos, colapso.
Evaluación estructural
La evaluación estructural ha alcanzado un importante desarrollo que permite
9
conocer las características mecánicas de las edificaciones ya construidas enfocadas al estudio del comportamiento sísmico (MESTA, 2014, p.49)
Reza (2013) en su revista científica indico que el comportamiento de los movimientos estructurales dependerá de un suceso sísmico, estas estarán afectadas en la flexibilidad de la base y distribución de la infraestructura.
La variable evaluación estructural se desarrollará en función a los indicadores de cada dimensión, para conocer las características mecánicas de la vivienda y determinar la vulnerabilidad a la que está expuesta.
AIS (2001) menciona que considerar el origen fundamental de los desgastes en la construcción para confirmar que las formulaciones justamente solucionen los problemas mostrados, e impedir que se presenten las mismas dificultades en un futuro (pág. 85).
Realizar un peritaje estructural consiste en ejecutar una serie de estudios matemático de la estructura ya construido en presencia cargas gravitacionales y cargas laterales (sismo o viento) con el fin de determinar el estado actual en que se encuentra la estructura.
Las estructuras con un diseño y un detalle deficientes a menudo han sufrido un rápido deterioro de sus propiedades mecánicas que afectan tanto la resistencia como su rigidez, lo que conlleva graves daños y, en el peor de los casos, colapso.
Según nuestra N.T.P. norma E-0.30 define el factor de amplificación de la reacción estructural respecto a la aceleración del suelo “C” y queda explicado por una expresión matemática según sea el caso. Este coeficiente se le denomina el factor de amplificación de la aceleración estructural respecto a la aceleración del suelo.
El factor de uso reconoce la utilidad de la edificación.
10
Tabla 01: Categoría de las edificaciones Fuente: Articulo 15, E-030
Factor de reducción sísmica, indica el sistema estructural.
Tabla 02: Categoría y sistema estructural de las edificaciones Fuente: Articulo 17, E-030
Fuerza cortante en la base (V), se determina por la siguiente expresión matemática:
Un criterio que menciona la norma es respetar el valor de C/R, lo cual no debe ser
11 menor que 0.11
Aceleración espectral – se expresa con el espectro inelástico p-seudo aceleraciones.
Las distorsiones se calcularán multiplicando por 0,75R para edificaciones regulares y 0.85R para edificaciones irregulares los productos logrados de un análisis lineal y elástico son las solicitaciones sísmicas reducidas. El máximo desplazamiento relativo de entrepiso, no deberá superar la fracción de la altura de entrepiso (distorsión) que se indica en el artículo 32 de la N.T.P, E-030 2018.
Tabla 03: Limites para la distorsión de entrepiso Fuente: Articulo 32, E-030
Vulnerabilidad sísmica
La vulnerabilidad sísmica es la escala de deterioro que pueden sufrir las edificaciones durante un sismo, para determinar el grado de vulnerabilidad se debe conocer las características de la estructura que actúan de manera integrada (FLORES, 2015, p.9).
Vizconde Capos (s.f) sustenta que es llamada vulnerabilidad sísmica al rango de daño que sufre una construcción ante un suceso sísmico de determinadas características. Es así que las edificaciones se pueden determinar en “más vulnerables” o “menos vulnerables” ante dicho suceso (pág. 1).
El autor menciona que para realizar un estudio de vulnerabilidad es necesario definir su naturaleza y alcance, lo cual está condicionado por diversos factores como el tipo del daño causado, los niveles de amenazas ubicados en la zona de estudio, información sobre la estructura y el historial de daño que ha recibido dicha zona de estudio.
Una vez obtenido esos factores, será posible proceder a la evaluación de la vulnerabilidad a través de una correcta definición de la acción sísmica y la
12
capacidad portante de la estructura, donde Vizconde Campos (2017) menciona que una edificación de hormigón puede ser creado en el lugar ya se prefabricado o una unión de ambos, menciona que los edificios construidos con concreto -in situ-, en particular las estructuras construidas antes del uso de pórticos resistentes a momentos y en muros de mampostería o corte, han sido frecuentemente dañados ante la presencia de cargas laterales (sismo).
Figura 01: Ejemplo de vulnerabilidad sísmica Fuente: Asociación colombiana de ingeniería sísmica
Consideraciones sísmicas.
En la N.T.P, E-030, 2018 señala que para cada sector se fija un determinado factor de zona, este se expone como la rapidez máxima horizontal en el suelo rígido con una posibilidad de 10% de ser excedida en 50 años, sismo de diseño (pág. 8).
13
Figura 02: Zonas sísmicas Fuente: Articulo 10, E-030
Factor de suelo– Según N.T.P, E-030 2018, señala que “Se considera el tipo de perfil que mejor describa las condiciones locales”.
Tabla 04: Factor de suelo Fuente: Articulo 13, E-030
Tabla 05: Periodos Tp y Tl Fuente: Articulo 13, E-030
14
Análisis de empuje (Pushover), al realizar el diseño de una construcción, se delimita la acción sísmica mediante la aplicación de un “Espectro de diseño inelástico”, a través de un factor de reducción sísmica R, dicho factor se aplica mediante el tipo de sistema estructural.
Tabla 06: Sistemas estructurales
Fuente: Art. 18 E-030
Cuando incluimos el factor R, estamos asumiendo que la estructura va resistir un factor de esa fuerza en su rango elástico.
Tomemos la premisa de que, si se trabajara con todo el espectro elástico, la edificación estaría preparada para no recibir daño alguno al momento de un evento sísmico. Pero al hacer eso resultaría demasiado costoso.
Teniendo en cuenta la poca probabilidad de que ocurra un sismo de esa magnitud, podemos aprovechar de pretender hacer una estructura mucho más liviana, pero a su vez sabiendo que esta es vasto de recibir daño en presencia de un evento sísmico, se prepara de manera elástica a la estructura para que responda a cierto porcentaje de cortante mientras que la demás cortante será resistido en un rango de deformaciones inelásticas, donde la estructura resiste y a su vez no genera cualquier tipo de falla frágil. Caso contrario, la estructura entraría al colapso.
15
Figura 03: Curva Pseudo Aceleración y factor de reducción R Fuente: Elaboración propia
Con el análisis pushover se consigue la curva por capacidad de la estructura expresada en términos de “Desplazamiento – Corte”
Figura 04: Representación de la curva de capacidad de una estructura Fuente: Elaboración propia
Donde:
• Línea morada – Actual curva “Desplazamiento – Corte”
• Línea roja – Curva bilineal
• Punto cedente ∆𝑦− 𝑉𝑦
• Punto ultimo ∆𝑑− 𝑉𝑑
El área (plomo) que sale de la curva bilineal debe compensarse con el área (celeste)
16
que está dentro de la misma curva produciendo un balance y que la disipación de energía sea similar. Deduciendo a que la ductilidad de dicho sistema sea de la siguiente manera:
𝜇 =∆𝑑
∆𝑦
Prácticamente, la ductilidad del sistema es factor de reducción sísmica, o al menos se asemeja de 80% a 100%.
Determinar un primer caso no lineal asociado a la carga en sentido a la gravedad tomando en cuenta el tipo de carga (carga viva y carga muerta).
Determinar un segundo caso no lineal el cual inicia al final del primer caso, asociando un patrón de cargas lateral, de tal modo que en algunos elementos estén con esfuerzos de al 10% de su capacidad.
Determinar un punto control donde se va controlar el movimiento en mención al incremento de su cortante.
Aplicar las rotulas plásticas en cada elemento estructural, puede tomar los lineamientos de la norma ASCE 41-13.
Se genera un patrón de rotulas plásticas y la curva de capacidad, es el movimiento en el techo ante el cortante de la base.
Vizconde Capos (2019) nos dice, que el diseño por desempeño está basado en el soporte de la estructura obteniendo cálculos más precisos a diferencia del diseño tradicional que requería de métodos para determinar una respuesta esperada y relacionarlo con medidas por desempeño (p.1).
Si determinamos resiliencia en el entro sísmico, podría definirse como la capacidad de un sistema, potencialmente expuesto a una amenaza sísmica del cual debe adaptarse, resistir y cambiar para alcanzar y mantener cierto grado de nivel aceptable de funcionamiento, de tal manera que este sea capaz de aceptar el daño producido por un evento sísmico, pero, aun así, mantenerse en pie, así como aprender de los desastres pasados para mejorar la reducción del riesgo.
El diseño por desempeño sísmico de estructuras se fundamenta en la deducción de su conducta pueda predecirse y efectivamente, examinar con bastante certeza tanto para el cliente como para el ingeniero encargado del proyecto, se tiene por objetivo el tomar decisiones más acertadas, teniendo información sustentada en
17
consideraciones con relación al ciclo de vida de la edificación y no solo en el costo de la misma.
Tenemos que tomar en cuenta que el objetivo es minimizar la vulnerabilidad para que la estructura sea “construible”, esto se subdivide en:
Los actuales objetivos de diseño en las normas, señalan a la seguridad de vida y control en acontecimientos telúricos pequeños y moderados, y prevención de colapso.
• Evaluación sísmica – evaluación de deficiencias de una determinada estructura que impida alcanzar un objetivo de desempeño.
• Rehabilitación sísmica – corrección de deficiencias identificadas en una evaluación sísmica, relativas a un objetivo de desempeño.
Cuando vamos a evaluar una estructura, se recomienda hacerlo con tres sismos, un sismo de servicio (un temblor), un sismo de diseño (sismo típico de la zona sísmica) y un sismo máximo (en teoría no ha sido preparado).
• Sismo de servicio (SS)
Nivel de movimiento del terreno: 50%
Probabilidad de excedencia: 50 años Periodo de retorno: 75 años
• Sismo de diseño (SD)
Nivel de movimiento del terreno: 10%
Probabilidad de excedencia: 50 años Periodo de retorno: 475 años
• Sismo máximo (SM)
Nivel de movimiento del terreno: entre 2 – 5%
Probabilidad de excedencia: 50 años Periodo de retorno: entre 975 – 2475 años
¿Cómo medimos un SS, SD y SM?
Con la variación de la aceleración.
18 III. METODOLOGÍA
3.1. Tipo y diseño de Investigación Tipo de investigación:
El tipo de esta investigación es Aplicada, ya que los conocimientos generados en esta investigación serán de ayuda para solucionar los problemas.
La investigación aplicada, aprendida como el uso de los conocimientos en la práctica, para utilizarlos positivamente en proyectos de grupos que interactúan en esos procesos y en la sociedad en general (Vargas, 2009, p. 159).
Diseño de investigación:
El diseño de investigación será no experimental, se efectuará la observación de la estructura para poder llenar la ficha de recolección de datos.
Una Investigación no experimental se realiza sin manipular deliberadamente sus variables. Se basa principalmente en la observación de fenómenos tal y como se dan en su contexto natural para analizarlos con posterioridad (Hernández, 2004).
Nivel de investigación:
Las investigaciones de diseño transversal descriptivo recogen información en un tiempo y momento único. Su finalidad es detallar variables y analizar su incidencia e interrelación en un momento dado, es como capturar una foto de algo que ocurre (Hernández, Fernández y Baptista, 2010, p. 151).
El proyecto se efectuará con el diseño no experimental transversal descriptivo simple. Teniendo como esquema a emplear:
𝑀 → 𝑂 Dónde:
• M: vivienda de 5 niveles de 90 m2 que se ubicará en el Callao.
• O: Recolección de datos del proyecto.
Enfoque de investigación:
Analiza datos numéricos en relación a las variables, construye una conexión entre los elementos numéricos y los objetivos.
Características del enfoque cuantitativo es que se trabaja con experimentaciones y análisis de causa-efecto, también se debe resaltar que este tipo de investigación conlleva a un proceso secuencial y deductivo (Hernández,
19 Fernández y Baptista, 2006, p. 45).
3.2. Variables, operacionalización de variables Variable independiente: Evaluación estructural Variable dependiente: Vulnerabilidad sísmica 3.3. Población, muestra y muestreo
Población:
La población es un grupo de sujetos que se desea evaluar y suele ser inmenso.
Es un grupo homogéneo que reúnen determinadas características (Pita y Pértega, 2001, p.1).
La población investigada en el presente estudio lo conforman las familias que viven en el AA. HH Ciudadela Chalaca Callao, 2020.
• Población: El edificio de 5 pisos en el AA. HH Ciudadela Chalaca Callao.
• Muestra: El edificio de 5 pisos en el AA. HH Ciudadela Chalaca Callao Mz. D Lt 27.
Muestra:
La muestra es un subgrupo de la población, cuyos elementos que los identifica pertenece a un conjunto más específico (Hernández, Fernández y Baptista, 2014, p. 175).
El edificio de 5 pisos en el AA. HH Ciudadela Chalaca Callao Mz. D Lt 27.
Muestreo:
Según (Cuesta, 2009) El muestreo no probabilístico es una técnica de muestreo donde la muestra no es aleatoria sino seleccionados ya que toda la población no tiene la oportunidad de ser escogidos.
Esta investigación tiene como clase de muestreo la no probabilista que como característica toma la tipología de la vivienda, el cual tiene por objetivo seleccionar uno varios propósitos, no pretendiendo que los casos sean representativos.
20
3.4. Técnica e instrumentos de recolección de datos Técnica
El método empleado para la realización del proyecto de investigación fue la observación.
Instrumentos de medición
En los instrumentos se utilizó equipos y aparatos tales como:
• memorias USB y discos para el almacenamiento de información
• laptops que contaron con softwares que están mencionados más adelante para el procesamiento y cálculo de la información.
Validez y confiabilidad
La validez refiere que un instrumento mida correctamente la variable, y la confiabilidad de este instrumento de medida que se determinara con distintas técnicas (Hernández, Fernández y Baptista, 2006, p. 45).
Los softwares utilizados para realizar el análisis y diseño del modelamiento construido, fueron validados por mi asesor un ingeniero civil, que verifico cada proceso en la etapa de elaboración de la misma, además cuenta con la aplicación de hojas de cálculo de elaboración propia la cual funciona bajo los lineamientos de las actuales normas técnicas de edificación.
3.5. Procedimientos
Luego de plantear las hipótesis se procederá con el desarrollo y conclusión de esta investigación, donde está conformada por diversos procedimientos a seguir, sabemos que esta investigación se planteó con la ubicación de la problemática, para seguir identificando los objetivos y poder justificar el desarrollo y avances confiables para ello hemos identificado nuestros instrumentos y software de apoyo lo cual este garantiza su correcto proceso y legalidad de este proyecto.
3.6. Método de análisis de datos
• Se tomó la configuración estructural y detalles de la edificación por medio de la observación.
• Se plasmó la información obtenida a través del software AutoCAD 2018 para facilitar su manipulación.
21
• Se realizó el análisis estático no lineal con ayuda del software de la empresa CSI y las normativas vigentes.
• Se realizó el reforzamiento estructural a través del mismo software, cuales fueron empleando las Normas Técnicas E.020, E.030, E.050 y E.060.
3.7. Aspectos éticos
Esta investigación se desarrolló con responsabilidad, moral y honestidad, aceptando las opiniones, juicio de expertos y uso adecuado de las normativas vigentes tales como:
• Norma Técnica – E.020: Cargas.
• Norma Técnica – E.030: Diseño Sismorresistente.
• Norma Técnica – E.050: Suelos y cimentaciones.
• Norma Técnica – E.060: Concreto armado - Norma Técnica.
22 IV. RESULTADOS
CONCEPTOS ELEMENTALES DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS.
El modelamiento estructural de un proyecto se propone orientar a facilitar adecuadamente estabilidad, rigidez y ductilidad frente a solicitaciones generadas por cargas muertas, vivas, asentamientos diferenciales y eventos sísmicos.
El diseño sísmico se basa en los criterios que utiliza la norma ACI – 318, lo cual obedece a los Principios de la Norma E-030-2018 DISEÑO SISMORESISTENTE del Reglamento Nacional de Edificaciones.
Figura 05: Filosofía y principios del diseño sismorresistente Fuente: Norma E.-030-2018
Para ese caso de análisis, se está empleando la norma peruana como las normas internacionales.
DIAFRAGMA RÍGIDO
La cimentación se basa en zapatas aisladas, cimientos corridos. Esta se establece como el principal diafragma rígido que se ubica en el origen de la construcción, con la rigidez necesaria para controlar los asentamientos diferenciales.
Los techos están formados por losas o planchas aligeradas divididas en una dirección que no solo soportan cargas verticales y las emite a las vigas, muros y columnas, sino que también cumplen la función de formar un Diafragma Rígido continúo integrado a los elementos verticales y compatibilizando sus desplazamientos laterales.
23 CONFIGURACIÓN DEL EDIFICIO
El sistema Estructural predominante en la dirección X e Y es el Sistema de a porticado columnas y vigas de Concreto Armado), además, se cuenta con vigas peraltadas de en el eje Principal (Eje XX) y en el eje Secundario (Eje Y).
Todo el concreto de la estructura es de 245 kg/cm2.
La configuración satisface los siguientes requisitos:
• Planta Simple
• Simetría en distribución de masas y disposición de muros, compensada con la adición de pórticos.
24
• Regularidad en planta y elevación sin cambios bruscos de rigidez, masa o discontinuidades en la transmisión de las fuerzas de gravedad y horizontales a través de los elementos verticales hacia la cimentación.
• Rigidez similar en las dos direcciones principales de la edificación.
• Cercos y tabiques aislados de la estructura principal donde se indica.
ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL
Se empleó el software de análisis estructural Etabs V18 “Versión de Evaluación” que emplea el método matricial de rigidez y de elementos finitos. Se modeló la geometría de la estructura y las cargas actuantes.
Cabe resaltar que para esta investigación se emplea software original lo cual fue descargado desde su página oficial https://www.csiespana.com/evaluation-versions brinda una versión de evaluación de más de 150 días, tiempo suficiente para la elaboración de esta investigación. Cabe resaltar que los resultados obtenidos son para uso único y exclusivamente académico.
Independientemente de la finalidad para la que fueran destinados, la reproducción total o parcial, uso, explotación, distribución y comercialización, requiere en todo caso la autorización escrita previa por parte del autor. Cualquier uso no autorizado previamente se considera un incumplimiento grave de los derechos de propiedad intelectual o industrial del autor.
25 CARGAS
A continuación, se detallan las cargas considerada en el análisis por gravedad.
• Concreto Armado 2400 Kg/m3
• Piso acabado 100 kg/m2
• S/C sobre techos 200 kg/m2 (Viviendas)
• S/C sobre escaleras 200 kg/m2
• S/C sobre Corredores 200 kg/m2
• S/C en azotea 100 kg/m2
Las características de los materiales consideradas en el análisis y diseño estructural fueron:
• Concreto f´c=245 kg/cm2 Ec = 15100 ∗ √fc =236352
• Acero: fý=4200 kg/cm2 con elongación mínima del 9%.
No se permite traslapar refuerzo vertical en zonas confinadas en extremos de soleras y columnas.
26 MODELO ESTRUCTURAL
La modelación empleada para vigas y columnas consistió en barras de eje recto que incluyen deformaciones por flexión, carga axial, fuerza cortante y torsión.
Este diseño considera el efecto tridimensional del aporte de rigidez de cada elemento estructural.
Figura 06: Modelo estructural Fuente: Elaboración propia
Las masas que provienen de las losas, piso terminado, y de la sobrecarga se centran a nivel del centro de masas de cada losa; y las masas provenientes del peso propio de las vigas y columnas se consideran colocadas en toda su longitud. Luego el programa lleva la masa de los elementos estructurales hacia los nudos extremos.
En el cálculo la masa de la estructura se consideró el 100% de la carga muerta más el 25% de la carga viva (Capitulo 4.3 NTP-E-030-2018).
Al ser una edificación existente, debemos tomar cada parámetro y condición que presenta la estructura al momento de la creación del modelo matemático, de esa manera obtendremos resultados que se asemejen más a la realidad.
En el caso de la losa aligerada, se aprecia que es unidireccional (tal cual como se muestra en el plano de planta (ver figura 7), además se aprecia en la misma vivienda puesto que no esta tarrajeada dichas losas en todos los niveles.
27
Figura 07: Armado de aligerado, Planta típica Fuente: Armado existente en vivienda.
Figura 08: Armado de aligerado, entre ejes 2-3, A-E.
Fuente: Elaboración propia
Figura 09: Armado de aligerado, entre ejes 1-2, B-E.
Fuente: Elaboración propia
Se realiza una verificación manual con el fin de demostrar un buen comportamiento del aligerado unidireccional, empezando entre ejes 2-3, A-E. (4 ramos).
28
Figura 10: Diagrama de momento, aligerado entre ejes 2-3, A-E.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 11: Diagrama de cortante, aligerado entre ejes 2-3, A-E.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 12: Área de acero requerido, aligerado entre ejes 2-3, A-E.
Fuente: Elaboración propia.
En la imagen 12 obtenemos el acero requerido por la combinación de diseño del aligerado, en la cual el acero negativo máximo es de 0.80cm2 y el acero positivo máximo es de 0.58cm2. Por lo cual podemos decir que el armado encontrado en la vivienda (figura 7) cumple satisfactoriamente.
29
Continuando con la verificación manual, seguiremos entre ejes 1-2, B-E. (1 tramo).
Figura 13: Diagrama de momento, aligerado entre ejes 1-2, B-E.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 14: Diagrama de cortante, aligerado entre ejes 1-2, B-E.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 15: Área de acero requerido, aligerado entre ejes 1-2, B-E.
Fuente: Elaboración propia.
En la imagen 15 obtenemos el acero requerido por la combinación de diseño del aligerado, en la cual el acero negativo máximo es de 0.45cm2. Por lo cual podemos decir que el armado encontrado en la vivienda (figura 7) cumple satisfactoriamente.
30 ANÁLISIS SÍSMICO DINÁMICO
Se realizó un análisis sísmico Dinámico por Superposición Modal Espectral. Los parámetros empleados para el cálculo del Espectro de respuesta fueron:
Factor de zona Z = 0.45 (Zona 4) Factor de uso U = 1.00 (Categoría C) Factor de suelo S = 1.05 (Según E.M.S) Periodo que define la
plataforma del espectro TP = 0.60, Tl = 2.00 Factor de Básico de
Reducción de Fuerza Sísmica
Ro (x, y) = 8 (Sistema Aporticado)
Factor de Reducción de Fuerza
Sísmica
Ia (x, y) = 1.00, Ip (x, y) = 1.00
R (x, y) = Ia*Ip*Ro = 8.00
Para la superposición de los modos se empleó la fórmula de combinación cuadrática completa un 5% de amortiguamiento crítico.
31 Cálculo del espectro de respuesta.
Espectro de sismo de diseño
Figura 16: Espectro de sismo de diseño Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
C T (seg) Sa/g-XX Sa/g-YY 2.500 0.00 0.1477 0.1477 2.500 0.05 0.1477 0.1477 2.500 0.10 0.1477 0.1477 2.500 0.15 0.1477 0.1477 2.500 0.20 0.1477 0.1477 1.875 0.80 0.1107 0.1107 1.765 0.85 0.1042 0.1042 1.667 0.90 0.0984 0.0984 1.579 0.95 0.0933 0.0933 1.500 1.00 0.0886 0.0886 1.429 1.05 0.0844 0.0844 1.364 1.10 0.0805 0.0805 0.412 2.70 0.0243 0.0243 0.397 2.75 0.0234 0.0234 0.383 2.80 0.0226 0.0226 0.369 2.85 0.0218 0.0218 0.357 2.90 0.0211 0.0211 0.345 2.95 0.0204 0.0204 0.333 3.00 0.0197 0.0197 0.323 3.05 0.0190 0.0190 0.139 4.65 0.0082 0.0082 0.136 4.70 0.0080 0.0080 0.122 4.95 0.0072 0.0072 0.120 5.00 0.0071 0.0071
32 Espectro de aceleraciones.
Figura 17: Espectro de aceleraciones Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
Factores de masa participativa
Cada modo de vibración encuentra su forma de vibrar y a un determinado periodo.
Se asigna un modo de vibración por cada uno de los grados de libertad en la estructura es decir que en cada diafragma se consideró 3 GDL por nivel, dos traslaciones y una rotación perpendicular, obteniendo en total de 15 modos, de los cuales en el modal 6 del cuadro de resultados llega a un 90% como mínimo por primera vez.
33
Figura 18: Modo de vibraciones en dirección XX Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
Figura 19: Modo de vibraciones en dirección YY Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
Figura 20: Modo de vibraciones en dirección ZZ Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
34
Tabla 07: Masa participativa en los casos modales Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
Obtención de derivas (Drift) Derivas inelásticas.
Las derivas inelásticas se obtienen multiplicando la deriva elástica por 0.75R para estructuras regulares o 0.85R para estructuras irregulares, donde R es el coeficiente de reducción sísmica.
Case M ode Period UX UY RZ Sum UX Sum UY Sum RZ sec
Modal 1 0.512 0.0003 0.8618 0.0076 0.0003 0.8618 0.0076 Modal 2 0.488 0.8679 0.0007 0.0114 0.8681 0.8625 0.0190 Modal 3 0.454 0.0116 0.0073 0.8619 0.8798 0.8698 0.8809 Modal 4 0.165 0.0000 0.0979 0.0007 0.8798 0.9678 0.8816 Modal 5 0.16 0.0923 0.0001 0.0013 0.9721 0.9678 0.8829 Modal 6 0.149 0.0014 0.0005 0.0898 0.9735 0.9683 0.9727 Modal 7 0.094 0.0002 0.0255 0.0001 0.9736 0.9938 0.9728 Modal 8 0.094 0.0215 0.0002 0.0004 0.9952 0.9940 0.9731 Modal 9 0.088 0.0004 0.0000 0.0221 0.9956 0.9941 0.9952 Modal 10 0.07 0.0044 0.0000 0.0001 0.9999 0.9941 0.9953 Modal 11 0.067 0.0000 0.0058 0.0000 0.9999 0.9999 0.9953 Modal 12 0.065 0.0001 0.0001 0.0047 1.0000 1.0000 1.0000
35
Tabla 08: Deriva inelástica en dirección XX Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
Tabla 09: Deriva inelástica en dirección YY Fuente: Etabs V18 “Versión de Evaluación”
ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL (PUSH-OVER).
En Estados Unidos, el consejo de tecnología aplicado (ATC) recibe el compromiso de trabajar en un documento que contemple una metodología para evaluación y adecuación sísmica de edificios de hormigón existentes. Debido a los comportamientos inesperados en múltiples edificios de concreto armado dentro del territorio estadounidense, se decidió trabajar para lograr una metodología que permita incrementar la ductilidad de las estructuras con el propósito de disminuir las fallas frágiles y evitar colapsos repentinos.
El mismo organismo ATC, junto con la agencia federal para el manejo de emergencias (FEMA) desarrollan a partir de 1997 un conjunto de guías para la rehabilitación sísmica de edificaciones. Estas guías son las conocidas normas FEMA. En orden cronológico fueron apareciendo FEMA 273, FEMA 274, FEMA 310 FEMA 356, FEMA 440.
DESEMPEÑO SÍSMICO Cálculo de rigidez lateral
La inflexibilidad lateral puede entenderse como la primera pendiente de la curva de desempeño. La estructura es la medida de fuerza requerida o necesaria para que esta pueda desplazar la edificación de manera lateral, puede obtenerse mediante la
Story Elevation Location X-Dir Obs
m
Story5 14.20 Top 0.002797 Cumple
Story4 11.40 Top 0.004806 Cumple
Story3 8.60 Top 0.006419 Cumple
Story2 5.80 Top 0.007448 No Cumple
Story1 3.00 Top 0.006571 Cumple
Story Elevation Location Y-Dir Obs
m
Story5 14.20 Top 0.003537 Cumple
Story4 11.40 Top 0.005931 Cumple
Story3 8.60 Top 0.007919 No Cumple
Story2 5.80 Top 0.009109 No Cumple
Story1 3.00 Top 0.007315 No Cumple
36 siguiente expresión matemática:
Fy, es la fuerza de fluencia de la estructura, por otro lado, Dy es el desplazamiento asociado a dicha fuerza.
Figura 21: Desplazamiento lateral de la edificación Fuente: Elaboración Propia
Para determinar la curva de capacidad de una estructura es bueno el uso de análisis estáticos no lineales, puesto que estos métodos nos permiten la evaluación de dicha curva.
Los niveles de desempeño de una edificación son los estados en que una estructura tiende a experimentar mediante la aplicación simultanea de cargas laterales, además está directamente vinculado con los niveles de daño que dicha estructura presenta.
En la siguiente imagen se aprecia el desempeño sísmico de una estructura frente a cargas laterales.
Figura 22: Desempeño Sísmico de la edificación Fuente: Elaboración Propia
37
Seguido de la imagen, se describe de manera más clara todos y cada uno de los niveles y la relación que tiene con los niveles de daño. Debemos tomar en cuenta que una edificación se puede caracterizar por una curva de capacidad, dicha curva es la relación de las fuerzas laterales aplicadas con sus respectivos desplazamientos.
• Nivel operacional: Es el nivel de daño presentes en la edificación es casi nulo y/o inexistentes. A excepción de minúsculas micro fisuras indetectables. En dicho nivel, la edificación puede ser ocupada de manera normal e inmediata, por consiguiente, esta puede prestar todos los servicios para lo cual fue diseñado.
• Nivel funcional: Para este punto, la estructura presenta daño estructural y no estructural, pero alto, son daños leves como la presencia de pequeñas fisuras, no obstante, este daño no compromete el buen estado de la estructura. Por otra parte, debido a la acción sísmica cabe la posibilidad de que los servicios no estén operativos al 100%, aun así, las personas pueden ocupar estos ambientes con toda tranquilidad.
• Nivel de seguridad de vida: Para este punto de nivel de desempeño, la estructura ha sufrido daño considerable, por ello la ocupación inmediata no es recomendable.
• Nivel cerca al colapso: En este nivel la estructura ya ha perdido su capacidad de oponer resistencia a situaciones sísmicas y/o fuerzas laterales, lo cual indicaría que el colapso es inminente.
• Nivel colapso: Es el final de la curva de capacidad, está asociada al máximo nivel de desplazamiento que una estructura pueda alcanzar sin que ocurra el colapso.
Cabe resaltar el sistema de medida es longitudinal “términos de desplazamientos”, Los valores grandes indicarían que se trata de una estructura con buenos mecanismos de disipación de energía, no obstante, si el valor es pequeño indicaría una falla frágil, asociado a detallados de concreto inadecuados.
38 Metodología de trabajo.
Los dos métodos persiguen el mismo objetivo, pero con procedimientos diferentes.
Mientras que FEMA 356 trabaja con el método de los coeficientes, ATC-40 trabaja con el método del espectro de capacidad.
ATC 40, fue renovado con la norma ATC-55. En la actualidad estas normativas se encuentran continuamente en renovación debido a nuevos y actualizados estudios.
La normativa más actual es el ASCE-41-17
Creación del espectro de capacidad.
Primero se construye la curva de capacidad. La cual consiste en la gráfica fuerza desplazamiento de la totalidad de la estructura. Los valores de cortante se transformarán en valores de aceleración para obtener el formato ADSR.
Seguidamente se construye el espectro de demanda, el cual también deberá de transformarse, los periodos en desplazamientos, para obtener el formato ADSR.
Figura 23: Espectro elástico de respuesta con formato ADSR Fuente: Elaboración propia
Se superponen ambos gráficos anteriores. En el punto donde se junta el espectro con el grafico, encontramos el denominado punto de desempeño. Este método requiere conversión a formato ADSR (espectro de respuesta aceleración – desplazamiento)