FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
SECCIÓN DE POSGRADO
DISEÑO SÍSMICO POR DESEMPEÑO DE ESTRUCTURAS DE
ALBAÑILARIA CONFINADA
TESIS
Para Optar el Grado de Maestro en Ciencias
con Mención en
INGENIERÍA ESTRUCTURAL
Ing. Ronald Daniel Santana Tapia
Lima-Perú
DEDICATORIA:
A la memoria de mi madre Herlinda Cerafina. Estás siempre en mí corazón y en mi mente.
AGRADECIMIENTO:
i
RESUMEN
Para el diseño sísmico por desempeño de estructuras de albañilería confinada, se ha seleccionado tres objetivos de diseño que deberá cumplirse para ambas direcciones de análisis de la estructura. Esta selección de objetivos fue hecha según el ATC-40, para edificaciones comunes.
Antes de incursionar en el análisis no lineal es necesario tener el diseño elástico y lineal de la edificación, por lo que se elaboró el programa de cómputo ALCON, en su versión profesional y educativa, desarrollado en concordancia con las normas sismorresistente E-030 y albañilería E-070, de nuestro Reglamento Nacional de Edificaciones.
El desarrollo del diseño sísmico por desempeño consta de tres partes: la primera es obtener la demanda sísmica en el lugar de nuestro proyecto. Esta demanda está representada por la aceleración máxima que podría darse en la zona del proyecto y que puede determinarse por procedimientos determinísticos y/o probabilísticos. Para este fin, de acuerdo al criterio de selección propuesto, se eligieron seis registros de sismos peruanos de tres eventos sísmicos de los años 1966, 1970 y 1974.
La segunda parte es determinar la capacidad estructural de nuestro edificio, que se obtendrá mediante el espectro de capacidad, si usamos el análisis estático – pushover, o las curvas IDA (la capacidad estructural se obtiene para cada uno de los seis registros seleccionados), si usamos el análisis dinámico incremental.
La tercera parte consiste en determinar los puntos de desempeño por ambos procedimientos de análisis no lineal, estático y dinámico, para luego verificar con los puntos límite de objetivos que vendría ser el diseño por desempeño.
El diseño sísmico por desempeño nos sirve para poder obtener diseños más seguros, resistentes y económicos. En ese sentido, podemos concluir que el modelo planteado satisface parcialmente los objetivos de desempeño propuestos inicialmente, es decir, cumple para el análisis no lineal estático – Pushover, pero no cumple para el análisis no lineal dinámico – IDA.
ii
ABSTRACT
For the seismic design for performance of structures of confined masonry, there have been selected three objectives of design that will have to be fulfilled for both directions of analysis of the structure, this selection of objectives was selected according to the ATC 40, for common buildings.
Before penetrating into the not linear analysis it is necessary to have the elastic and linear design of the building, for what was elaborated the program of calculation ALCON, in its professional version and educational, developed in conformity with the procedure resistant earthquake E-030 and masonry E-070, of our National Regulation of Buildings.
The development of the seismic design for performance consists of three parts. The first one, is to obtain the seismic demand in the place of our project. This demand is represented by the maximum acceleration that might be given in the zone of the project and that can decide for procedures deterministic and / or probabilistic. For this end, and as measure of comparison, there were used six records of the Peruvian norm, of the three seismic events of the years 1966, 1970 and 1974.
The second part, is to determine the structural capacity of our building, which will be obtained by means of the spectrum of capacity, if we use the static analysis - pushover, or the curves IDA (the structural capacity is obtained for each of the six selected records), if we use the dynamic incremental analysis. The third part consists of determining the points of performance for both procedures of not linear analyses, static and dynamic and to check with the points limit of objectives that would come to be the design for performance.
The seismic design for performance serves us to be able to obtain surer, resistant and economic designs. In this sense, we can conclude that the model established satisfies partially the objectives of performance proposed initially, that is to say, it fulfills for the not linear static analysis - pushover, but, it does not fulfill for the not linear dynamic analysis –IDA.
iii
INDICE GENERAL
RESUMEN……….. ..i
ABSTRACT...……….…..ii
INDICE GENERAL……….…iii
LISTA DE FIGURAS ………..……….………...v
LISTA DE TABLAS ……….………….………. ...xi
INTRODUCCIÓN………..…...………...xiv
CAPÍTULO I: ASPECTOS GENERALES 1.1 ANTECEDENTES………..…… 1
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……….…………. 2
1.2.1 PROBLEMÁTICA GENERAL………..……… 3
1.2.2 PROBLEMÁTICAS ESPECIFICAS……….…….……… 3
1.3 OBJETIVOS………..……. 3
1.3.1 OBJETIVO GENERAL………..…………. 3
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……….….………. 4
1.4 JUSTIFICACIÓN………..………….. 4
1.5 FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS……….……….…... 4
1.5.1 HIPÓTESIS GENERAL……….………….… 4
1.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS……….……….….. 4
1.6 ETAPAS DEL TRABAJO……….…….….… 5
1.7 DISEÑO CONCEPTUAL O PRELIMINAR………..………. 5
1.7.1 INFORMACIÓN GENERAL……….….… 5
1.7.2 ANÁLISIS SÍSMICO Y DISEÑO LINEAL ELÁSTICO ACORDE A LAS NORMAS PERUANAS E-070 Y E-030………....… 5
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO DEL ANÁLISIS SÍSMICO POR DESEMPEÑO 2.1 CONCEPTO DE DISEÑO POR DESEMPEÑO ………..…… 12
2.2 NIVELES DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA………..……. 13
2.2.1 PROPUESTA DEL ATC-40 ……….… 14
2.2.2 PROPUESTA DEL COMITE VISIÓN 2000 (SEAOC)……… 16
2.2.3 PROPUESTA DE NIVELES DE DESEMPEÑO PARA ESTRUCTURAS DE ALBAÑILERÍA CONFINADA ……… 17
2.3 NIVELES DE SISMO DE DISEÑO ……….……… 18
2.3.1 PROPUESTA DEL ATC-40 ……….… 19
2.3.2 PROPUESTA DEL COMITE VISIÓN 2000 (SEAOC)……… 19
2.4 OBJETIVOS DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA……… 19
2.4.1 PROPUESTA DEL ATC-40 ……….… 20
2.4.2 PROPUESTA DEL COMITE VISION 2000 (SEAOC)……… 20
2.4.3 PROPUESTA DE OBJETIVOS DE DESEMPEÑO PARA ESTRUCTURAS DE ALBAÑILERÍA CONFINADA……….... 21
2.4.4 EVALUACIÓN DE LOS OBJETIVOS DE DESEMPEÑO PARA ESTRUCTURAS DE ALBAÑILERÍA CONFINADA……….… 21
2.5 MODELOS DE COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES……….. 23
2.5.1 MODELO DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN PARA EL ACERO……… 23
2.5.2 MODELO DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN PARA EL CONCRETO……… 24
2.6 MODELOS DE COMPORTAMIENTO INELÁSTICO DE SECCIONES Y ELEMENTOS………...… 26
2.6.1 RELACIÓN MOMENTO-CURVATURA……… 26
2.6.2 COMPORTAMIENTO HISTERÉTICO………... 33
2.7 ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO - PUSHOVER………..… 39
2.7.1 DEMANDA SÍSMICA………..… 39
2.7.2 CAPACIDAD ESTRUCTURAL……….………….. 48
iv
2.8 ANÁLISIS NO LINEAL DINÁMICO - IDA………...…. 58
2.8.1 DEMANDA SÍSMICA……….……..… 63
2.8.2 CAPACIDAD ESTRUCTURAL………... 75
2.8.3 PUNTO DE DESEMPEÑO……….…………...… 82
CAPÍTULO III: ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO-PUSHOVER 3.1 DEMANDA SÍSMICA – DETERMINÍSTICA………. 83
3.1.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE REGISTROS………. 83
3.1.2 PSEUDOACELERACIONES DE REGISTROS SÍSMICOS………... 86
3.1.3 ESPECTROS DE DEMANDA SÍSMICA……….………… 89
3.1.4 ESPECTROS DE DEMANDA SÍSMICA USANDO LA NORMA PERUANA NTE E-030………...……… 108
3.1.5 SUPERPONIENDO AMBOS ESPECTROS DE DEMANDA SÍSMICA……….… 120
3.2 CAPACIDAD ESTRUCTURAL – ANLE……….. 122
3.2.1 INGRESO DE DATOS AL PROGRAMA IDARC……… 122
3.2.2 CURVA DE CAPACIDAD……….… 144
3.2.3 CONVERSION DE CURVA DE CAPACIDAD A ESPECTRO DE CAPACIDAD. 148 3.2.4 REPRESENTACIÓN BILINEAL DE LA CURVA DE CAPACIDAD………. 155
3.3 PUNTO DE DESEMPEÑO………. 158
3.3.1 PUNTO DE DESEMPEÑO PARA CADA NIVEL SÍSMICO DEL ATC-40……… 158
3.3.2 PUNTO DE DESEMPEÑO PARA CADA ESPECTRO SISMICO DE LA NORMA E-030……….….….… 165
3.3.3 RESUMEN DEL ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO………..……….. 178
3.4 DETERMINACIÓN DEL GRADO DE DAÑO Y EVALUACIÓN DEL ESTADO LÍMITE……….…… 182
3.4.1 DETERMINACIÓN DEL GRADO DE DAÑO..……… 182
3.4.2 EVALUACIÓN DEL ESTADO LÍMITE……… 186
3.4.3 FORMACIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS Y MECANISMO DE COLAPSO…... 191
CAPÍTULO IV: ANÁLISIS NO LINEAL DINÁMICO - IDA 4.1 DEMANDA SÍSMICA – PROBABILÍSTICA... 208
4.1.1 CRITERIO DE SELECCIÓN DE REGISTROS... 208
4.1.2 ESPECTROS DE RESPUESTA... 210
4.1.3 CURVA DE PELIGRO SÍSMICO... 211
4.1.4 ESPECTROS DE PELIGRO UNIFORME... 218
4.1.5 CÁLCULO DE LA DEMANDA SÍSMICA... 225
4.2 CAPACIDAD ESTRUCTURAL – ANLD... 230
4.2.1 INGRESO DE DATOS AL PROGRAMA IDARC... 230
4.2.2 MEDIDAS DE INTENSIDAD (IM) Y MEDIDAS DE DAÑO (DM)... 234
4.2.3 ESTADOS LÍMITES EN UNA CURVA IDA... 254
4.3 PUNTO DE DESEMPEÑO... 260
4.3.1 UBICACIÓN CORRECTA DE LOS PUNTOS DE DESEMPEÑO... 262
4.4 ANÁLISIS DE ACEPTABILIDAD Y EVALUACIÓN DE LOS OBJETIVOS DE DESEMPEÑO... 262
CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO – ANLE... 267
5.1.1 CONCLUSIONES – ANLE... 267
5.1.2 RECOMENDACIONES – ANLE... 268
5.2 ANÁLISIS NO LINEAL DINÁMICO – ANLD... 268
5.2.1 CONCLUSIONES – ANLD... 268
5.2.2 RECOMENDACIONES – ANLD... 269
ANEXO
v
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1.1 Distribución arquitectónica del edificio en análisis. Fig. 1.2 Muros estructurales.
Fig. 1.3 Modelo estructural en planta e ingreso de datos Fig. 1.4 Función de respuesta espectral
Fig. 1.5 Detalles de acero de refuerzo de las columnas de confinamiento y distribución en planta
Fig. 1.6 Detalles de acero de refuerzo de las vigas soleras y vigas dinteles y distribución en planta.
Fig. 2.0 Diagrama del marco conceptual de la “Ingeniería Basada en Desempeño”, SEAOC Visión 2000 (SEAOC, 1995).
Fig. 2.1 Estado de daño para el nivel de desempeño ELS (Astroza y Schmidt, 2004). Fig. 2.2 Estado de daño para el nivel de desempeño ELO (Astroza y Schmidt, 2004). Fig. 2.3 Estado de daño para el nivel de desempeño ELDC (Astroza y Schmidt, 2004). Fig. 2.4 Estado de daño para el nivel de desempeño ELU (Astroza y Schmidt, 2004). Fig. 2.5 Modelo elastoplástico perfecto (Navarro y Fernández, 2006).
Fig. 2.6 Modelo trilineal (Manual del Idarc 2D, 2002)
Fig. 2.7 Modelo elastoplástico con endurecimiento curvo (Aguiar, 2003). Fig. 2.8 Modelo modificado de Hognestad (Aguiar, 2003).
Fig. 2.9 Modelo de Hognestad (1951), concreto no confinado (Manual del Idarc 2D, 2002). Fig. 2.10 Modelo de Kent y Park para concreto confinado por estribos rectangulares, Park y
Paulay, 1980 (Aguiar, 2003).
Fig. 2.11 Relaciones momento-curvatura para secciones de vigas simplemente reforzadas, (a) Sección que falla a tensión, <b; (b) Sección que falla a compresión, >b (Park y Paulay, 1997) (Manual del Idarc 2D, 2002).
Fig. 2.12 Modelo trilineal (Aguiar, 2003).
Fig. 2.13 Puntos notables de un diagrama momento-curvatura (Aguiar, 2003). Fig. 2.14 Diagrama momento-curvatura (Aguiar, 2003).
Fig. 2.15 Modelo bilineal (Aguiar, 2003).
Fig. 2.16 Modelos de plasticidad empleados para el análisis lineal y no lineal (Aguiar, 2003). Fig. 2.17 Falla de corte por deslizamiento (Astroza y Schmidt, 2004).
Fig. 2.18 Falla de corte sin y con armadura horizontal en el paño (Astroza y Schmidt, 2004). Fig. 2.19 Falla por aplastamiento por compresión diagonal (Astroza y Schmidt, 2004).
Fig. 2.20 Parámetros de control para el modelo histerético de Park (Manual del Idarc 2D, 2002).
Fig. 2.21 Envolvente del comportamiento histerético de muros de albañilería confinada (Zúñiga y Terán, 2008).
Fig. 2.22 Evolución del daño estructural en muros de albañilería confinada (Zúñiga y Terán, 2008).
Fig. 2.23 Envolvente para albañilería confinada (Zúñiga y Terán, 2008).
Fig. 2.24 Comparación entre la respuesta experimental y analítica (Zúñiga y Terán, 2008). Fig. 2.25 Esquema del método de cálculo de la peligrosidad determinística (Aguilar, 2001). Fig. 2.26 Espectro de respuesta de demanda sísmica.
Fig. 2.27 Espectro de respuesta elástica de Diseño de la norma peruana E-030. Fig. 2.28 Espectro de demanda sísmica de la norma peruana E-030.
Fig. 2.29 Espectro de diseño elástico Newmark – Hall (Chopra y Goel, 1999). Fig. 2.30 Curva de capacidad de una estructura (ATC-40, 1996).
Fig. 2.31 Mecanismo de colapso formado (SEAOC, 1995).
Fig. 2.32 Patrones de distribución de cargas laterales para un análisis Pushover (Chopra y Goel, 2000).
Fig. 2.33 Transformación de la curva de capacidad a espectro de capacidad (Astroza y Schmidt, 2004).
vi
Fig. 2.35 Sistema de múltiples GDL, representado por un sistema equivalente de masa única (Astroza y Schmidt, 2004).
Fig. 2.36 Representación bilineal de la curva de capacidad (Burgos, 2007). Fig. 2.37 Procedimiento después del paso 2 (Burgos, 2007).
Fig. 2.38 Procedimiento después del paso 5 (Burgos, 2007). Fig. 2.39 Procedimiento después del paso 6 (Burgos, 2007).
Fig. 2.40 Curva IDA para un Pórtico de Acero de 5 pisos, 5% amortiguamiento, T0=1.8seg
sometido a 4 diferentes registros (Vamvatsikos y Cornell, 2001).
Fig. 2.41 Curva IDA para cada piso de un pórtico de acero de 5 pisos, para un T0=1.8seg, se
nota el extremo reblandecimiento del piso 2 que actúa como un fusible para mitigar a los pisos superiores (3, 4 y 5) (Vamvatsikos y Cornell, 2001).
Fig. 2.42 Respuesta de ductilidad para un T0=1seg, sistema elasto-plástico para múltiples
niveles de movimiento. Temprana fluencia debido al fuerte movimiento de terreno que conlleva a una inferior “máxima respuesta absoluta” (Vamvatsikos y Cornell, 2001).
Fig. 2.43 Resurrección estructural en la curva IDA, para un T0=1.3seg, 3 pisos pórtico de
acero (Vamvatsikos y Cornell, 2001).
Fig. 2.44 Curvas IDA para 30 registros, para un T0=1.8seg, 5 pisos, pórtico de acero
(Vamvatsikos y Cornell, 2001).
Fig. 2.45 Resumen curvas IDA (16%, 50% y 84%) cuantiles (Vamvatsikos y Cornell, 2001). Fig. 2.46 Esquema del método de cálculo de la peligrosidad probabilística (Aguilar, 2001). Fig. 2.47A Mapa sismotectónica del Perú (Castillo y Alva, 1993).
Fig. 2.47B Distribución de las fuentes sísmicas de subducción de interface, intraplaca y fuentes de corteza (Monroy y Bolaños y Muñoz & Blondet, 2005).
Fig. 2.47C Distribución de isoaceleraciones para 10% de excedencia en 50 años (Castillo y Alva, 2003).
Fig. 2.48 Curva de peligro constante para el periodo fundamental T0 y amortiguamiento %.
Fig. 2.49 Forma espectral de la norma E-030 y del espectro de peligro uniforme (Monroy y Bolaños y Muñoz & Blondet, 2005).
Fig. 2.50 Curva de peligro sísmico, amortiguamiento %. Fig. 2.51 Espectro de peligro uniforme, amortiguamiento %.
Fig. 2.52 Los puntos del análisis dinámico son interpolados usando una regla flexible y líneas rectas como aproximación (Vamvatsikos y M.EERI & Cornell, 2002).
Fig. 2.53 Los estados límite definidos sobre la curva IDA de un registro de movimiento del terreno, pórtico de acero de 5 pisos (Vamvatsikos y M.EERI & Cornell, 2002). Fig. 2.54 Dos diferentes reglas producen múltiples puntos de capacidad para un T0=1.3seg,
pórtico de acero de 3 pisos. La regla DM es puesto en CDM=0.08 y la regla usada
como criterio para IM es el 20% de la gradiente elástica (Vamvatsikos y Cornell, 2001).
Fig. 2.55 Las curvas IDA y sus estados límite asociados. El límite IO es en la intersección de cada IDA con la línea del Driftmax = 1%, el límite CP es representado por los puntos,
mientras GI ocurre en las líneas echadas (Vamvatsikos y Jalayer & Cornell, 2001). Fig. 2.56 El resumen de las curvas IDA y sus correspondientes estados límite dentro de sus
fractiles 16%, 50% y 84% (Vamvatsikos y Jalayer & Cornell, 2001).
Fig. 3.1 Uso del programa Degtra A4 para el cálculo de las aceleraciones espectrales, registro 7032.
Fig. 3.2 Veintidós registros, diez seleccionados con máximas seudoaceleraciones. Fig. 3.3 Registro de aceleración 7035, en el programa Seismosignal.
Fig. 3.4 Espectro de seudoaceleración del registro 7035, en el programa Seismosignal. Fig. 3.5 Percentil del 97% para una media más 2 desviaciones estándar.
Fig. 3.6 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs T), dirección X-X. Fig. 3.7 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs Sd), dirección X-X. Fig. 3.8 Espectros de demanda sísmica en formato (V vs Dtecho), dirección X-X.
vii
Fig. 3.11 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs T), dirección Y-Y. Fig. 3.12 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs Sd), dirección Y-Y. Fig. 3.13 Espectros de demanda sísmica en formato (V vs Dtecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.14 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs Drift global), dirección Y-Y. Fig. 3.15 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección Y-Y. Fig. 3.16 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs T),
dirección X-X.
Fig. 3.17 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs Sd), dirección X-X.
Fig. 3.18 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs
Dtecho), dirección X-X.
Fig. 3.19 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs Drift global), dirección X-X.
Fig. 3.20 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección X-X.
Fig. 3.21 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs T), dirección Y-Y.
Fig. 3.22 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs Sd), dirección Y-Y.
Fig. 3.23 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs
Dtecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.24 Espectros elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs Drift global), dirección Y-Y.
Fig. 3.25 Espectro elásticos de respuesta sísmica de la norma E-030, en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección Y-Y.
Fig. 3.26 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs T), dirección X-X. Fig. 3.27 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs Sd), dirección X-X. Fig. 3.28 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs T), dirección Y-Y. Fig. 3.29 Espectros de demanda sísmica en formato (Sa vs Sd), dirección Y-Y.
Fig. 3.30 Ejes de los muros estructurales para ambas direcciones de análisis X-X y Y-Y. Fig. 3.31 Número de líneas de columnas de cada eje, dirección X-X.
Fig. 3.32 Número de líneas de columnas de cada eje, dirección Y-Y.
Fig. 3.33 Curva esfuerzo-deformación de prismas de albañilería “Comportamiento de la Albañilería en Ensayos de Compresión Diagonal y Compresión Pura” (Rodríguez y Patiño, 2002).
Fig. 3.34 Curva esfuerzo-deformación de acero Grado 60°. Fig. 3.35 Sección transformada de muro estructural 5X.
Fig. 3.36 Sección transformada de muros estructurales 6X y 14X.
Fig. 3.37 Denominación de columnas de confinamiento para cuantías, dirección X-X. Fig. 3.38 Denominación de columnas de confinamiento para cuantías, dirección Y-Y. Fig. 3.39 Muros estructurales en dirección X-X, con sección transformada.
Fig. 3.40 Muros estructurales en dirección Y-Y, con sección transformada. Fig. 3.41 Conexión de los muros estructurales, dirección X-X.
Fig. 3.42 Conexión de los muros estructurales, dirección Y-Y.
Fig. 3.43 Comparación de curvas de capacidad calibrada y no calibrada, dirección X-X. Fig. 3.44 Comparación de curvas de capacidad calibrada y no calibrada, dirección Y-Y. Fig. 3.45 Comparación de curvas de capacidad con control de fuerzas y control de
desplazamientos, dirección X-X.
Fig. 3.46 Comparación de curvas de capacidad con control de fuerzas y control de desplazamientos, dirección Y-Y.
Fig. 3.47 Comparación de curvas de capacidad con sección rectangular y con sección transformada, dirección X-X.
Fig. 3.48 Comparación de curvas de capacidad con sección rectangular y con sección transformada, dirección Y-Y.
viii
Fig. 3.51 Espectro de capacidad en formato (Sa vs T), dirección X-X.
Fig. 3.52 Espectro de capacidad en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección X-X. Fig. 3.53 Espectro de capacidad en formato ADRS (Sa vs Sd), dirección Y-Y. Fig. 3.54 Espectro de capacidad en formato (Sa vs Drift global), dirección Y-Y. Fig. 3.55 Espectro de capacidad en formato (Sa vs T), dirección Y-Y.
Fig. 3.56 Espectro de capacidad en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección Y-Y. Fig. 3.57 Representación bilineal de la curva de capacidad, dirección X-X. Fig. 3.58 Representación bilineal de la curva de capacidad, dirección Y-Y. Fig. 3.59 Superposición de espectros en formato (V vs Dtecho), dirección X-X.
Fig. 3.60 Superposición de espectros en formato (Sa vs Sd), dirección X-X. Fig. 3.61 Puntos de desempeño en formato (V vs Dtecho), dirección X-X.
Fig. 3.62 Puntos de desempeño en formato (Sa vs Sd), dirección X-X. Fig. 3.63 Puntos de desempeño en formato (Sa vs T), dirección X-X. Fig. 3.64 Puntos de desempeño en formato (Sa vs Drifttecho), dirección X-X.
Fig. 3.65 Puntos de desempeño en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección X-X. Fig. 3.66 Superposición de espectros en formato (V vs Dtecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.67 Superposición de espectros en formato (Sa vs Sd), dirección Y-Y. Fig. 3.68 Puntos de desempeño en formato (V vs Dtecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.69 Puntos de desempeño en formato (Sa vs Sd), dirección Y-Y. Fig. 3.70 Puntos de desempeño en formato (Sa vs T), dirección Y-Y. Fig. 3.71 Puntos de desempeño en formato (Sa vs Drifttecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.72 Puntos de desempeño en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección Y-Y.
Fig. 3.73 Punto de desempeño para el nivel sísmico de Servicio de la E-030 en formato (V vs
Dtecho), dirección X-X.
Fig. 3.74 Punto de desempeño para el nivel sísmico de Servicio de la E-030 en formato (Sa vs Sd), dirección X-X.
Fig. 3.75 Punto de desempeño para el nivel sísmico de Servicio de la E-030 en formato (Sa vs T), dirección X-X.
Fig. 3.76 Punto de desempeño para el nivel sísmico de Servicio de la E-030 en formato (Sa vs Drifttecho), dirección X-X.
Fig. 3.77 Punto de desempeño para el nivel sísmico de Servicio de la E-030 en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección X-X.
Fig. 3.78 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Diseño y Máximo de la E-030 en formato (V vs Dtecho), dirección X-X.
Fig. 3.79 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Diseño y Máximo de la E-030 en formato (Sa vs Sd), dirección X-X.
Fig. 3.80 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Diseño y Máximo de la E-030 en formato (Sa vs T), dirección X-X.
Fig. 3.81 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Diseño y Máximo de la E-030 en formato (Sa vs Drifttecho), dirección X-X.
Fig. 3.82 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Diseño y Máximo de la E-030 en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección X-X.
Fig. 3.83 Puntos de desempeño para los niveles sísmicos de Servicio y Diseño de la E-030 en formato (V vs Dtecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.84 Puntos de desempeño para los niveles sísmicos de Servicio y Diseño de la E-030 en formato (Sa vs Sd), dirección Y-Y.
Fig. 3.85 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Servicio y Diseño de la E-030 en formato (Sa vs T), dirección Y-Y.
Fig. 3.86 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Servicio y Diseño de la E-030 en formato (Sa vs Drifttecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.87 Puntos de desempeño para niveles sísmicos de Servicio y Diseño de la E-030 en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección Y-Y.
Fig. 3.88 Punto de desempeño para el nivel sísmico Máximo de la E-030 en formato (V vs
Dtecho), dirección Y-Y.
ix
Fig. 3.90 Punto de desempeño para el sísmico Máximo de la E-030 en formato (Sa vs T), dirección Y-Y.
Fig. 3.91 Punto de desempeño para el nivel sísmico Máximo de la E-030 en formato (Sa vs Drifttecho), dirección Y-Y.
Fig. 3.92 Punto de desempeño para el nivel sísmico Máximo de la E-030 en formato (Sa vs Drift 1 nivel), dirección Y-Y.
Fig. 3.93 Grado de daño para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, dirección X-X.
Fig. 3.94 Grado de daño para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, dirección X-X.
Fig. 3.95 Grado de daño para cada nivel de demanda sísmica de la norma E-030, dirección X-X.
Fig. 3.96 Grado de daño para cada nivel de demanda sísmica de la norma E-030, dirección Y-Y.
Fig. 3.97 Estados límite y grado de daño para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, dirección X-X.
Fig. 3.98 Estados límite y grado de daño para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, dirección Y-Y.
Fig. 3.99 Estados límite y grado de daño para cada nivel de demanda sísmica de la norma E-030, dirección X-X.
Fig. 3.100 Estados límite y grado de daño para cada nivel de demanda sísmica de la norma E-030, dirección Y-Y.
Fig. 3.101 Secuencia de la formación de rótulas plásticas hasta el mecanismo de falla o colapso de la estructura, direcciones X-X y Y-Y.
Fig. 4.1 Veintidós registros, diez seleccionados con máximas seudoaceleraciones. Fig. 4.2 Regresión de PGA en Sa, amortiguamiento 7%.
Fig. 4.3 Regresión de PGA en Sa, amortiguamiento 12%.
Fig. 4.4 Curva de peligro constante, dirección X-X (T0xx = 0.219 seg), amortiguamiento 7%.
Fig. 4.5 Curvas de peligro constante, direcciones X-X y Y-Y, amortiguamiento 7%. Fig. 4.6 Curvas de peligro constante, direcciones X-X y Y-Y, amortiguamiento 12%.
Fig. 4.7 Aceleración espectral para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, para un periodo (T0 = 0 seg), amortiguamiento 7%.
Fig. 4.8 Espectro de Peligro Uniforme para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ACT-40, amortiguamiento 7%.
Fig. 4.9 Espectro de Peligro Uniforme para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ACT-40, amortiguamiento 12%.
Fig. 4.10 Espectro de Peligro Uniforme versus Espectro de Diseño Parametrizado de la Norma E-030.
Fig. 4.11 Aceleración espectral para cada nivel de demanda sísmica propuesto por ATC-40, dirección X-X (T0xx = 0.219 seg), amortiguamiento 7%.
Fig. 4.12 Aceleración espectral para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, dirección Y-Y (T0yy = 0.224 seg), amortiguamiento 7%.
Fig. 4.13 Aceleración espectral para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, dirección X-X (T0xx = 0.219 seg), amortiguamiento 12%.
Fig. 4.14 Aceleración espectral para cada nivel de demanda sísmica propuesto por ATC-40, dirección Y-Y (T0yy = 0.224 seg), amortiguamiento 12%.
Fig. 4.15A IRCAlum.exe, es el ejecutable del programa. Fig. 4.15B Contenido del archivo idarc.dat.
Fig. 4.16 Datos de salida del Idarc.
Fig. 4.17 Espectros de aceleración para diferentes registros sísmicos escalados con sus respectivos factores de escalamiento (Burgos, 2007).
Fig. 4.18 Respuesta máxima, dirección X-X, intensidad PGA* = 0.0371g (Sa = 0.1g) del registro 7035, amortiguamiento 7%.
Fig. 4.19 Curvas IDA en formato (Sa vs Dtecho), amortiguamiento 7%, dirección X-X.
Fig. 4.20 Curvas IDA en formato (Sa vs Vbase), amortiguamiento 7%, dirección X-X.
x
Fig. 4.22 Curvas IDA en formato (Sa vs Vbase), amortiguamiento 7%, dirección Y-Y.
Fig. 4.23 Curvas IDA en formato (Sa vs Dtecho), amortiguamiento 12%, dirección X-X.
Fig. 4.24 Curvas IDA en formato (Sa vs Vbase), amortiguamiento 12%, dirección X-X.
Fig. 4.25 Curvas IDA en formato (Sa vs Dtecho), amortiguamiento 12%, dirección Y-Y.
Fig. 4.26 Curvas IDA en formato (Sa vs Vbase), amortiguamiento 12%, dirección Y-Y.
Fig. 4.27 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), amortiguamiento 7%, dirección X-X. Fig. 4.28 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), 50%, 84% y 97% percentil,
amortiguamiento 7%, dirección X-X.
Fig. 4.29 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), amortiguamiento 7%, dirección Y-Y. Fig. 4.30 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), 50%, 84% y 97% percentil,
amortiguamiento 7%, dirección Y-Y.
Fig. 4.31 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), amortiguamiento 12%, dirección X-X. Fig. 4.32 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), 50%, 84% y 97% percentil,
amortiguamiento 12%, dirección X-X.
Fig. 4.33 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), amortiguamiento 12%, dirección Y-Y. Fig. 4.34 Curvas IDA en formato (Sa vs Drift global), 50%, 84% y 97% percentil,
amortiguamiento 12%, dirección Y-Y.
Fig. 4.35 Definición de estados límites, dirección X-X, amortiguamiento 7%. Fig. 4.36 Definición de estados límites, dirección Y-Y, amortiguamiento 7%. Fig. 4.37 Definición de estados límites, dirección X-X, amortiguamiento 12%. Fig. 4.38 Definición de estados límites, dirección Y-Y, amortiguamiento 12%. Fig. 4.39 Gráficas de puntos de desempeño.
xi
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 Periodos y coeficientes de amplificación sísmica. Tabla 1.2 Resultados del análisis estático.
Tabla 1.3 Resultados del análisis dinámico.
Tabla 2.1 Niveles de desempeño de las estructuras (ATC-40, 1996). Tabla 2.2 Descripción de los daños para los niveles de desempeño. Tabla 2.3 Niveles de sismo de Diseño de Visión 2000 (SEAOC, 1995). Tabla 2.4(a) Definición de un objetivo de desempeño (ATC-40, 1996). Tabla 2.4(b) Objetivos de seguridad básica para estructuras convencionales. Tabla 2.5 Objetivos de desempeño propuesto por Visión 2000 (SEAOC, 1995). Tabla 2.6 Objetivos de desempeño para estructuras de albañilería confinada.
Tabla 2.7 Daño y deterioro en muros de albañilería confinada (Ruiz-García y Miranda, 2003).
Tabla 2.8 Niveles de desempeño para muros de albañilería confinada (Astroza y Schmidt, 2004).
Tabla 2.9 Parámetros de calibración de la regla histerética (Ruíz-García, 2003) y (Zúñiga y Terán, 2008).
Tabla 2.10 Amortiguamiento para sistemas estructurales (Freeman, 1982).
Tabla 2.11 Valores de a y b propuestos por Nassar y Krawinkler (1991) (Aguiar, 2003). Tabla 2.12 1 y PFR1 coeficientes para edificios regulares.
Tabla 2.13 Parámetros sismológicos de las fuentes sismogénicas (Castillo y Alva, 1993). Tabla 2.14 Niveles de sismo de diseño propuesto por el ATC-40.
Tabla 2.15 Valores representativos para la selección de movimientos sísmicos de diseño (Castillo y Alva, 1993).
Tabla 2.16 Valores de los parámetros “u” y “k” de las zonas 2 y 3 del Perú.
Tabla 2.17 Resumen de capacidad para cada estado límite (Vamvatsikos y Jalayer & Cornell, 2001).
Tabla 2.18 Estados límite de deformación (Astroza y Schmidt, 2004). Tabla 3.1 Catalogo de sismos peruanos.
Tabla 3.2 Aceleraciones espectrales de registros peruanos. Tabla 3.3 Registros seleccionados.
Tabla 3.4 Niveles de sismo del ATC-40 y su aceleración asociada (E-030).
Tabla 3.5 Normalización y amplificación de los 06 registros de aceleraciones para un Sismo de Diseño (0.30g).
Tabla 3.6 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Servicio para amortiguamiento 7%, en la dirección X-X.
Tabla 3.7 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Diseño para amortiguamiento 7%, en la dirección X-X.
Tabla 3.8 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico Máximo para amortiguamiento 7%, en la dirección X-X.
Tabla 3.9 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Servicio para amortiguamiento 12%, en la dirección X-X.
Tabla 3.10 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Diseño para amortiguamiento 12%, en la dirección X-X.
Tabla 3.11 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico Máximo para amortiguamiento 12%, en la dirección X-X.
Tabla 3.12 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Servicio para amortiguamiento 7%, en la dirección Y-Y.
Tabla 3.13 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Diseño para amortiguamiento 7%, en la dirección Y-Y.
Tabla 3.14 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico Máximo para amortiguamiento 7%, en la dirección Y-Y.
xii
Tabla 3.16 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico de Diseño para amortiguamiento 12%, en la dirección Y-Y.
Tabla 3.17 Valores de espectro de demanda para el nivel sísmico Máximo para amortiguamiento 12%, en la dirección Y-Y.
Tabla 3.18 Valores del espectro de demanda para el nivel sísmico de Servicio con la norma E-030, dirección X-X.
Tabla 3.19 Valores del espectro de demanda para el nivel sísmico de Diseño con la norma E-030, dirección X-X.
Tabla 3.20 Valores del espectro de demanda para el nivel sísmico Máximo con la norma E-030, dirección X-X.
Tabla 3.21 Valores del espectro de demanda para el nivel sísmico de Servicio con la norma E-030, en la dirección Y-Y.
Tabla 3.22 Valores del espectro de demanda para el nivel sísmico de Diseño con la norma E-030, dirección Y-Y.
Tabla 3.23 Valores del espectro de demanda para el nivel sísmico Máximo con la norma E-030, dirección Y-Y.
Tabla 3.24 Altura de los pisos respecto a la base de la edificación en análisis. Tabla 3.25 Metrado de carga axial para los muros, dirección X-X.
Tabla 3.26 Metrado de carga axial para los muros, dirección Y-Y.
Tabla 3.27 Parámetros de calibración de regla histerética (Ruiz-García y Miranda) y (Zúñiga y Terán, 2008).
Tabla 3.28 Cuantía de acero para columnas de confinamiento, dirección X-X. Tabla 3.29 Cuantía de acero para columnas de confinamiento, dirección Y-Y.
Tabla 3.30 Propiedades correspondientes al primer modo natural en el techo o azotea. Tabla 3.31 Propiedades correspondientes al primer modo natural en el primer nivel.
Tabla 3.32 Valores de conversión de curva de capacidad a espectro de capacidad, dirección X-X.
Tabla 3.33 Valores de conversión de curva de capacidad a espectro de capacidad, dirección Y-Y.
Tabla 3.34 Puntos de la curva bilineal para la dirección X-X. Tabla 3.35 Puntos de la curva bilineal para la dirección Y-Y.
Tabla 3.36 Comparación de resultados de la respuesta global de la estructura de análisis lineal y no lineal, dirección X-X.
Tabla 3.37 Comparación de resultados de la respuesta global de la estructura de análisis lineal y no lineal, dirección Y-Y.
Tabla 3.38 Grado de daño para cada nivel de demanda sísmica del ATC-40, dirección X-X. Tabla 3.39 Grado de daño para cada nivel de demanda sísmica del ATC-40, dirección Y-Y. Tabla 3.40 Grado de daño para cada nivel sísmico de la norma E-030, dirección X-X. Tabla 3.41 Grado de daño para cada nivel sísmico de la norma E-030, dirección Y-Y.
Tabla 3.42 Niveles de desempeño para muros de albañilería confinada (Astroza y Schmidt, 2004).
Tabla 3.43 Estado límite para el grado de daño para cada nivel sísmico del ATC-40, dirección X-X.
Tabla 3.44 Estado límite para el grado de daño para cada nivel sísmico del ATC-40, dirección Y-Y.
Tabla 3.45 Estado límite para el grado de daño para cada nivel sísmico de la norma E-030, dirección X-X.
Tabla 3.46 Estado límite para el grado de daño para cada nivel sísmico de la norma E-030, dirección Y-Y.
Tabla 4.1 Data de sismos peruanos, 22 registros horizontales, 10 seleccionados. Tabla 4.2 Registros seleccionados de la norma peruana E-030.
xiii
Tabla 4.7 Aceleración espectral para cada periodo y para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, amortiguamiento 7%.
Tabla 4.8 Aceleración espectral para cada periodo y para cada nivel de demanda sísmica propuesto por el ATC-40, amortiguamiento 12%.
Tabla 4.9 Demanda sísmica para S1, amortiguamiento 7%.
Tabla 4.10 Demanda sísmica para S1, amortiguamiento 12%.
Tabla 4.11 Demanda sísmica para S2, amortiguamiento 7%.
Tabla 4.12 Demanda sísmica para S2, amortiguamiento 12%.
Tabla 4.13 Registros seleccionados.
Tabla 4.14 Aceleraciones espectrales, amortiguamiento 7%. Tabla 4.15 Aceleraciones espectrales, amortiguamiento 12%. Tabla 4.16 PGA* para el análisis en X-X, amortiguamiento 7%. Tabla 4.17 PGA* para el análisis en Y-Y, amortiguamiento 7%. Tabla 4.18 PGA* para el análisis en X-X, amortiguamiento 12%. Tabla 4.19 PGA* para el análisis en Y-Y, amortiguamiento 12%.
Tabla 4.20 Respuestas máximas, direcciones X-X e Y-Y, amortiguamiento 7%. Tabla 4.21 Respuestas máximas, direcciones X-X e Y-Y, amortiguamiento 12%. Tabla 4.22 Medidas de daño, dirección X-X, amortiguamiento 7%.
Tabla 4.23 Medidas de daño, amortiguamiento 7%, dirección Y-Y. Tabla 4.24 Medidas de daño, amortiguamiento 12%, dirección X-X. Tabla 4.25 Medidas de daño, amortiguamiento 12%, dirección Y-Y. Tabla 4.26 Medida de daño Drift, amortiguamiento 7%, dirección X-X. Tabla 4.27 Medida de daño Drift, amortiguamiento 7%, dirección Y-Y. Tabla 4.28 Medida de daño Drift, amortiguamiento 12%, dirección X-X. Tabla 4.29 Medida de daño Drift, amortiguamiento 12%, dirección Y-Y. Tabla 4.30 Resumen de capacidad para cada estado límite.
Tabla 4.31 Puntos de desempeño.
Tabla 4.32 Determinación de la evaluación de los objetivos de desempeño. Tabla 4.33 Objetivos de desempeño seleccionados.
xiv
INTRODUCCIÓN
La construcción de viviendas de bajo costo en el Perú y en general en países Latinoamericanos, es principalmente de albañilería confinada. La mayoría de las pérdidas, tanto de vidas como económicas, ocasionadas por los terremotos a lo largo de la historia, han sido causadas por un comportamiento sísmico deficiente de las estructuras. Nuestra norma peruana de diseño sismorresistente E-030, está basada en criterios de protección ante un solo nivel de amenaza sísmica, siendo necesario desarrollar el estudio del desempeño sísmico de las estructuras, ante los distintos niveles de demanda sísmica, siendo el principal objetivo reducir su vulnerabilidad a través del control explícito del daño estructural. Una forma de evaluar, es el diseño sísmico basado en el control del desplazamiento lateral, siendo parte fundamental de este esquema la posibilidad de evaluar la máxima demanda de desplazamiento lateral en la estructura, y de compararla con umbrales de desplazamiento asociados a los diferentes niveles de desempeño recomendados por investigadores nacionales e internacionales. Los estados límite del comportamiento, procedimiento seguido por el ATC-40 y Visión 2000 (SEAOC) de los EE.UU servirán solo de guía por referirse a estructuras de concreto armado.
El diseño de estructuras por resistencia sísmica propuesto en las normativas y códigos, tiene como objetivo principal que las estructuras sean capaces de resistir sismos leves o de baja intensidad sin sufrir daños estructurales significativos, sismos moderados con daños reparables y sismos severos o de mayor intensidad sin que se produzca el colapso. Siguiendo esta filosofía de diseño, se han incorporado nuevas tendencias de diseño basado en desempeño, que permiten conocer con mayor precisión el comportamiento sísmico de las estructuras ante un evento determinado.
Es importante que las estructuras de albañilería confinada se analicen con procedimientos basados en desempeño. Estos procedimientos de análisis no lineal permiten estimar de manera razonable el comportamiento de las edificaciones de albañilería confinada más allá de su límite elástico. Dichos procedimientos constituyen la base para el planteamiento de metodologías de evaluación y de diseño por desempeño.
Asimismo, es relevante reconocer que la seguridad ante el colapso, debido a grandes sismos, no implica necesariamente un comportamiento aceptable de la edificación durante sismos de pequeña y moderada intensidad. Todas estas deficiencias detectadas en el desempeño de las estructuras cuando se han visto sometidas a movimientos sísmicos de diferente intensidad, han originado una tendencia clara a cambiar la filosofía de diseño del concepto de resistencia física al concepto más evolucionado y versátil de desempeño estructural. Estos dos conceptos, han sido considerados frecuente y erróneamente como sinónimos en los códigos encargados de normalizar los cálculos de diseño sismo resistente, durante casi 70 años.
xv
metodología basada en desplazamientos a las edificaciones de albañilería confinada hasta que se desarrollen métodos de análisis no lineal para este tipo de estructuras. Dentro de este contexto, el presente trabajo discute un procedimiento simple para obtener la curva de capacidad de edificaciones de albañilería confinada, y el uso de la misma dentro de una metodología de evaluación basada en desplazamientos. Para este trabajo se identifican los parámetros básicos que deben tomarse en cuenta para modelar analíticamente la respuesta de la albañilería en su rango elástico e inelástico de comportamiento.
1
CAPÍTULO I
ASPECTOS GENERALES
1.1. ANTECEDENTES
De los antecedentes sobre el diseño sísmico por desempeño de estructuras de albañilería confinada, existen muy pocas en los países más desarrollados como Estados Unidos, Japón, entre otros. Existen muy pocas investigaciones por ser este sistema propio de los países sub desarrollados o latinoamericanos. México, Chile, Perú, Venezuela y Colombia, son los países latinoamericanos que presentan más investigaciones en el tema y del cual se guió esta tesis. En el Perú la norma E-070 contempla el diseño por resistencia con criterio de desempeño, dándonos resultados aceptables, pero deben realizarse estudios de análisis no lineales para mejorar la definición de los parámetros de control y de evaluación por desempeño sísmico. Se mencionan algunos trabajos y sus autores que contribuyeron en el presente trabajo.
A nivel nacional, Gálvez (2009) en uno de sus artículos más recientes: “El Análisis No Lineal Dinámico y su Aplicación en la Simulación de Respuestas Estructurales”, explica que para el diseño por desempeño es necesario obtener datos importantes de laboratorio; de este modo, presenta ejemplos de calibración para diferentes muros, ya que esto es de mucha importancia para los análisis no lineales dinámicos. Concluyendo que la información de ensayos es indispensable para el proceso de calibración, asi como para el uso de herramientas de análisis no lineales e inelásticas, con el debido cuidado en la determinación de los parámetros de control.
A nivel internacional, Astroza y Schmidt (2004) en uno de sus artículos más recientes: “Capacidad de Deformación de Muros de Albañilería Confinada para Distintos Niveles de Desempeño”, explican que en general este tipo de construcción ha tenido un buen comportamiento en los terremotos. En su trabajo establecen niveles de deformaciones asociados con diferentes estados límite, para lo cual se aprovechan estudios experimentales de muros de albañilería confinada de Chile, México y Venezuela.
2
Vamvatsikos, Jalayer y Cornell (2001) presentaron el trabajo: “Application of Incremental Dynamic Analysis to an RC-Structure”, aplicaron sus estudios a un hotel de 7 pisos de concreto armado localizado en el valle de San Fernando en California. Para eso seleccionaron 20 registros representativos de su zona y, con ayuda del programa DRAIN2D-UW obtuvieron puntos de IM y DM, logrando así, obtener las curva IDA. Sin embargo, el análisis no termina en la obtención de las curvas IDA, sino que, de cada registro se obtiene el Sa(To;%) para cada nivel de desempeño escogido. Para finalizar con
la curva de peligro se obtuvieron los periodos de retorno para exceder a los estados límite.
Vamvatsikos, M.EERI y Cornell (2002) representantes del departamento de ingeniería civil y desarrollo ingenieril de la universidad de Stanford, presentaron un artículo en la 12va Conferencia Europea en Ingeniería Sísmica (London) “Applied Incremental Dynamic Analysis”, desarrollando el análisis de la edificación modelando y seleccionando los registros más cercanos al lugar de estudio, pero a diferencia de los demás estudios, hace uso de un polinomio cúbico para representar a la curva IDA, que con ayuda de los métodos numérico, matemática diferencial; se logra hacer un estudio más detallado de las curvas.
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Perú está localizado en una zona de alto riesgo sísmico, donde la mayor actividad sísmica de origen tectónico se desarrolla en el cinturón Circumpacífico. En el cinturón Circumpacífico ocurren el 80% de los sismos en el mundo. Comprende las costas del Océano Pacifico de las tres Américas, las Islas Aleutianas, las Islas Curiles, Japón, Filipinas y Nueva Zelandia. En esta zona se da la convergencia de subducción de la Placa Oceánica de Nazca que se introduce por debajo de la Placa Continental Sudamericana generando terremotos de magnitud elevada.
En el Perú, un 10% de la actividad sísmica es originada por fallas geológicas activas distribuidas en la cordillera de los Andes, con terremotos menos frecuentes y de menor magnitud. Las principales fallas activas del Perú son: Tambomachay (Cusco), Cordillera Blanca (Ancash), Huaytapallana (Junín), Quiches (Ancash), Rioja-Moyobamba (San Martín).
Son muchos los sismos que han ocurrido en nuestro país, dejando gran cantidad de muertes y serios daños en la infraestructura. En la mayoría de los casos los daños son debido a la vulnerabilidad de las edificaciones originada por malas configuraciones estructurales, baja resistencia de las estructuras, malas técnicas constructivas, malos materiales, entre otros. Cabe citar algunos de los sismos ocurridos en los últimos años: 1) Ancash (1970) con magnitud en la escala de Richter de 7.7 grados; 2) Lima (1974) con magnitud en la escala de Richter de 7.5 grados; 3) Rioja (1990) con magnitud en la escala de Richter de 7 grados; 4) Moyobamba (1991) con magnitud en la escala de Richter de 6.5 grados; 5) Nazca (1996) con magnitud en la escala de Richter de 6.5 grados; 6) Arequipa (2001) con magnitud en la escala de momento de 8.4grados; 7) Lamas (2005) con magnitud en la escala de Richter de 7grados. El sismo ocurrido el 15 de agosto del 2007 con una magnitud de 8 grados en la escala de Momento MW y 7 grados en la escala
de Richter, cuyo epicentro se localizó al oeste de Pisco en el Cinturón Circumpacífico, tuvo las características de sismo moderado, por lo que las grandes pérdidas de vida ocasionadas y los daños a las infraestructuras se debieron fundamentalmente a la vulnerabilidad de éstas.
3
como manda la norma peruana E-030, produce incertidumbre de su buen comportamiento estructural para los diferentes niveles de intensidad del sismo. (Piqué, 2008) Afirma: “El diseño en la condición límite del sismo de diseño no es verificado o calibrado contra las demandas o solicitaciones de sismos por lo que no hay ninguna garantía sobre la capacidad real de la estructura bajo estas condiciones”.
Entonces al considerar en la norma E-030 un solo nivel de intensidad del sismo, los diseños elásticos son incompletos para predecir un comportamiento adecuado de las estructuras, máxime si se trata de edificaciones esenciales como los hospitales, centrales de comunicación, cuarteles de bomberos y policía, subestaciones eléctricas, reservorios de agua, centros educativos y edificaciones que puedan servir de refugio después de un desastre.
La ciudad de Huancayo, calificada como zona de riesgo sísmico intermedio, por su cercanía a la costa peruana y a la falla del Huaytapallana que presenta un silencio sísmico existente por casi 50 años, nos hace pensar que está propensa a experimentar un evento sísmico, de gran magnitud, en cualquier momento. Por este motivo preocupa la vulnerabilidad de la gran mayoría de sus edificaciones, especialmente las viviendas de albañilería confinada muy utilizada en esta zona. Según datos estadísticos obtenidos del INEI del censo poblacional del 2007, el 64% de las edificaciones en el casco urbano de Huancayo, comprendido por los distritos de Huancayo, El Tambo y Chilca, son con muros de albañilería confinada con ladrillos industriales y artesanal fabricado en la zona.
Por estas razones el presente tema de tesis pretende optimizar el comportamiento de las estructuras de albañilería confinada de 4 pisos en etapa inelástica, con el empleo de ladrillos industriales, especificados por la NTE-070. Para cumplir con este objetivo se propone el análisis y diseño de una estructura de albañilería confinada de 4 pisos de uso vivienda multifamiliar, concordante con las especificaciones de la NTE-070, complementado con un diseño por desempeño de acuerdo a la metodología estipulada en el ATC-40 (1996).
1.2.1 PROBLEMÁTICA GENERAL
¿Cuál es el desempeño sísmico de estructuras de albañilería confinada diseñadas con las normas peruanas E-030 y E-070 para los objetivos de desempeño propuesto adecuadamente?
1.2.2 PROBLEMÁTICAS ESPECÍFICAS
¿Cuáles son los objetivos de desempeño apropiados para la evaluación de estructuras de albañilería confinada?
¿Cuál es la demanda sísmica para la zona de ubicación del proyecto de estructuras de albañilería confinada?
¿Cuáles son los estados límites de aceptabilidad para estructuras de albañilería confinada? ¿Cuáles son los criterios que determinan el buen desempeño de las estructuras de albañilería confinada?
1.3. OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
4
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Seleccionar los objetivos de desempeño apropiados para la evaluación de estructuras de
albañilería confinada.
- Calcular la demanda sísmica para estructuras de albañilería confinada en la zona de
ubicación del proyecto.
- Calcular los estados límite de aceptabilidad para estructuras de albañilería confinada. - Determinar los criterios que determinan el buen desempeño de las estructuras de
albañilería confinada.
1.4. JUSTIFICACIÓN
Siendo el Perú un país sísmicamente activo, se hace necesario diseñar nuestras edificaciones con técnicas modernas basadas en el desempeño sísmico, obteniéndose estructuras que tengan un buen desempeño sismorresistente controlable y predecible respondiendo a niveles definidos de sismo, dentro de niveles de confiabilidad definidos.
Al evaluar el diseño lineal elástico de una estructura nueva mediante análisis no lineal, se encuentran deficiencias de estructuración y una inadecuada densidad de muros por lo que se tendrá tiempo de corregirlas y optimizar el funcionamiento de la edificación. Entonces al realizar las evaluaciones a los diseños elásticos de las edificaciones estaremos dando mayor seguridad a los usuarios y disminuyendo las pérdidas económicas de reparaciones o reforzamientos posteriores a los desastres.
Por lo expuesto surge la idea de desarrollar esta tesis con la intención de mostrar el desempeño sísmico de una estructura de albañilería confinada de 4 pisos diseñada con las normas peruanas E-070 y E-030. El proyecto se ubica en la ciudad de Huancayo y es asentada en un suelo intermedio.
1.5. FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS
1.5.1 HIPÓTESIS GENERAL
La norma peruana E-070, diseña los muros estructurales de albañilería confinada por el método de resistencia con criterios de desempeño. Esta norma establece que el diseño de los muros cubra todo su rango de comportamiento, desde su etapa elástica hasta su probable incursión en el rango inelástico, proveyendo suficiente ductilidad y control de la degradación de resistencia y rigidez. En estas circunstancias podemos plantear que el edificio en análisis al ser diseñado con las normas peruanas E-070 y E-030 cumplirá los objetivos de desempeño seleccionados.
1.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS
- La selección de objetivos de desempeño está enteramente relacionada con la
importancia de la edificación. Para un sismo de servicio la estructura será inmediatamente ocupacional, para el sismo de diseño la estructura controlará el daño y para el sismo máximo mantendremos la seguridad de vida.
- La demanda sísmica para el sismo de diseño zona 2 y suelo intermedio S2 estará
alrededor de 0.36g como indica la norma E-030, siendo menor para el sismo de servicio 0.18g y mayor para el sismo máximo 0.45g.
- Los puntos de desempeño para cada nivel de demanda sísmica, no deberán exceder los
estados límite de comportamiento de la estructura de albañilería confinada.
- El buen desempeño de la estructura dependerá de una buena configuración en planta, de
5
1.6. ETAPAS DEL TRABAJO
El desarrollo de la tesis consta de dos etapas generales. La primera es elaborar el programa de cómputo que realice el análisis sísmico y diseño lineal elástico de estructuras de albañilería confinada, denominado ALCON v1.0. La segunda parte del trabajo de la tesis es realizar, para el edifico propuesto y con los resultados del análisis sísmico lineal elástico, el diseño no lineal inelástico, por los dos métodos estático-Pushover y dinámico-IDA, llamado en la literatura actual como Diseño Sísmico por Desempeño.
1.7. DISEÑO CONCEPTUAL O PRELIMINAR
1.7.1 INFORMACIÓN GENERAL:
Ubicación: El edificio se encuentra ubicado en la ciudad de Huancayo, cimentado sobre un suelo tipo S2 (suelo intermedio).
Distribución arquitectónica: El edificio está constituido por 8 departamentos, 2 por piso, y cada departamento consta de una sala comedor, cocina, patio, tres dormitorios y un baño tal como se observa en la Figura 1.1. El área techada es de 226.64 m2 por cada
nivel.
Características y especificaciones generales:
Número de pisos : N = 4
Altura de piso a techo : h = 2.40 m. Espesor de la losa maciza : e = 0.12 m. Espesor de muros de albañilería : t = 0.13m. Materiales:
Albañilería
- Ladrillos: clase V sólidos (30% de huecos), tipo King Kong de arcilla. - Pilas: resistencia característica a compresión f´m = 55 kg/cm2 = 550 ton/m2
- Módulo de elasticidad: Em = 500 f´m = 27,500 kg/cm2 = 275,000 ton/m2
Concreto
- Resistencia nominal a compresión f´c = 210 kg/cm2
- Módulo de elasticidad: Ec =4300 √ 15000√ kg/cm2 = 2´173,706 ton/m2
Acero de Refuerzo
- Corrugado, grado 60, esfuerzo de fluencia fy = 4200 kg/cm2 = 4.2 ton/cm2
1.7.2 ANÁLISIS SÍSMICO Y DISEÑO LINEAL ELÁSTICO ACORDE A LAS NORMAS PERUANAS E-070 Y E-030
Estructuración del edificio Muros
En la Figura 1.1 se muestra la distribución y denominación de los muros estructurales de la edificación. Estas denominaciones servirán para reconocer a los muros en el análisis no lineal. Como se puede apreciar, los muros tienen un espesor de 13cm a excepción de algunos muros en la dirección X, como son 5X, 6X-14X y13X, que tienen un espesor de 23cm por requerimiento de cargas de compresión axial.
Alféizares
6 Figura 1.1: Distribución arquitectónica del edificio en análisis
Figura 1.2: Muros estructurales
Análisis sísmico y diseño lineal elástico
7 Figura 1.3: Modelo estructural en planta e ingreso de datos
El análisis sísmico se realizó por los dos métodos: el método de análisis estático y el método de análisis dinámico. Para la programación y diseño sismorresistente de nuestro edificio se uso el método estático con aplicación de las normas E-070 y E-030.
Análisis Estático
La fuerza cortante basal se determinó con la siguiente expresión de la norma peruana NTE E-030.
Donde:
Z=0.3, dado que se encuentra ubicado en la ciudad de Huancayo. U=1, dado que es una edificación común.
S=1.2 y Tp=0.6, dado que es un suelo de cimentación calificado como Tipo S2.
El factor de amplificación sísmica se calculó con la siguiente expresión:
( )
El periodo fundamental de la estructura para cada dirección se tomó del análisis modal, obteniéndose los siguientes resultados:
Dirección X Dirección Y
Periodo Fundamental, T (seg. ) 0.219 0.224 Coeficiente de Amplificación Sísmica, C 2.50 2.50
Tabla 1.1: Periodos y coeficientes de amplificación sísmica
8
Análisis Dinámico
En el análisis dinámico se consideraron tres grados de libertad por piso (análisis modal espectral seudo tridimensional). El espectro es el inelástico propuesto por la norma NTE E-030:
El espectro se expresa sólo en una función espectral (Sa), 10% de probabilidad de excedencia en 50 años de vida útil de la estructura y con amortiguamiento del 5% en la estructura.
Figura 1.4: Función de respuesta espectral
Resultados de Desplazamientos, Regularidad Torsional y Distorsiones del Análisis Estático
En la Tabla 1.2 se muestran los resultados de la regularidad torsional y de los desplazamientos de los entrepisos relativos y absolutos, correspondientes al análisis estático, notándose que en la dirección Y-Y es más flexible que en la dirección X-X. También se aprecia que las distorsiones inelásticas máximas son menores que las permisibles por la Norma E030 para edificaciones de albañilería reforzada (0.005). Por tanto podemos concluir que el edificio en estudio cuenta con rigidez adecuada.
Asimismo, se aprecia que los valores de regularidad torsional RT son menores que 1.3, por tanto, el edificio califica torsionalmente como regular y no hay necesidad de reducir el factor R (a 3/4R, según norma E-030).
DESPLAZAMIENTOS LATERALES - SISMO EN X-X
NIVEL
CENTRO DE MASA
(CG) EJE 7 EJE 1
RT=ΔRel7/(1/2/(ΔRel7+ΔRel1))
Δ/hei
Δ Acumul.
(m) Δ Relativo (m) Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m)
Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m) (00/00)
4 0.002535 0.000550 0.002741 0.000590 0.002317 0.000518 1.06 OK 0.0010
3 0.001985 0.000697 0.002151 0.000747 0.001799 0.000640 1.08 OK 0.0012
2 0.001288 0.000740 0.001404 0.000798 0.001159 0.000675 1.08 OK 0.0013
1 0.000548 0.000548 0.000606 0.000606 0.000484 0.000484 1.11 OK 0.0010
Máxima distorsión Inelástica se da en el 2do piso: 0.0014 < 0.005 OK
0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 1.3 1.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Sa
(g
)
T (seg)
9
DESPLAZAMIENTOS LATERALES - SISMO EN Y-Y
NIVE L
CENTRO DE MASA
(CG) EJE A EJE U
RT=ΔRelA/(1/2/(ΔRelA+ΔRelU)) Δ/hei
Δ Acumul.
(m) Δ Relativo (m) Δ Acumul. (m) Δ Relativo
(m)
Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m) (00/00)
4 0.002969 0.000575 0.003394 0.000645 0.002544 0.000503 1.12 OK 0.0010
3 0.002394 0.000791 0.002749 0.000900 0.002041 0.000684 1.14 OK 0.0014
2 0.001603 0.000888 0.001849 0.001011 0.001357 0.000764 1.14 OK 0.0016
1 0.000715 0.000715 0.000838 0.000838 0.000593 0.000593 1.17 OK 0.0013
Máxima distorsión Inelástica se da en el 2do piso: 0.0018 < 0.005 OK
Tabla 1.2: Resultados del análisis estático
Resultados de Desplazamientos, Regularidad Torsional y Distorsiones del Análisis Dinámico
En la Tabla 1.3 se muestran los resultados del análisis dinámico, llegándose a las mismas conclusiones que con el análisis estático. Los desplazamientos de los entrepisos en el centro de masa del método estático son mayores en comparación con los correspondientes resultados del análisis dinámico.
DESPLAZAMIENTOS LATERALES - SISMO EN X-X
NIVEL
CENTRO DE MASA
(CG) EJE 7 EJE 1
RT=ΔRel7/(1/2/(ΔRel7+ΔRel1))
Δ/hei
Δ Acumul.
(m) Δ Relativo (m) Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m)
Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m) (00/00)
4 0.001938 0.000406 0.002854 0.000590 0.001735 0.000383 1.21 OK 0.0007
3 0.001532 0.000507 0.002264 0.000731 0.001352 0.000450 1.24 OK 0.0009
2 0.001025 0.000558 0.001533 0.000820 0.000902 0.000495 1.25 OK 0.0010
1 0.000467 0.000467 0.000713 0.000713 0.000407 0.000407 1.27 OK 0.0008
Máxima distorsión Inelástica se da en el 2do piso: 0.0015 < 0.005 OK
DESPLAZAMIENTOS LATERALES - SISMO EN Y-Y
NIVEL
CENTRO DE MASA
(CG) EJE U EJE K
RT=ΔRelU/(1/2/(ΔRelU+ΔRelK)) Δ/hei
Δ Acumul.
(m) Δ Relativo (m) Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m)
Δ Acumul.
(m)
Δ Relativo
(m) (00/00)
4 0.002540 0.000500 0.00417 0.000812 0.00254 0.000499 1.24 OK 0.0009
3 0.002040 0.000642 0.003358 0.001046 0.002041 0.000643 1.24 OK 0.0011
2 0.001398 0.000749 0.002312 0.001225 0.001398 0.000749 1.24 OK 0.0013
1 0.000649 0.000649 0.001087 0.001087 0.000649 0.000649 1.25 OK 0.0012
Máxima distorsión Inelástica se da en el 2do piso: 0.0022 < 0.005 OK
Tabla 1.3: Resultados del análisis dinámico
Diseño
10
Diseño de los Muros de Albañilería Confinada
Para el diseño de muros tomamos las siguientes consideraciones:
Ningún muro debe agrietarse ante el sismo moderado: Ve ≤ 0.55Vm.
En cualquier piso, la resistencia global a fuerza cortante (∑Vm) deberá ser mayor o igual a la fuerza cortante producida por el sismo severo (Ve).
Se admite que ante la acción del sismo severo, todos los muros del primer piso fallan por corte.
Zona a confinar en los extremos de las columnas: 45cm o 1.5d.
En la Figura 1.5, mostramos el diseño de las columnas de confinamiento y la distribución de las mismas en planta típica de la edificación.
11
Diseño de las Vigas Soleras y Vigas Dinteles
En la Figura 1.6, se muestra el diseño de las vigas soleras y vigas dinteles. Se consideró en las soleras un estribaje mínimo: [] Ø ¼", 1 @ 5, 4 @ 10, r @ 25cm.
12
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO DEL ANÁLISIS SÍSMICO POR DESEMPEÑO
2.1 CONCEPTO DE DISEÑO POR DESEMPEÑO
El diseño basado en el desempeño de la estructura ante la acción del sismo consiste en la selección de esquemas de evaluación apropiados que permitan el dimensionado y detalle de los componentes estructurales, no estructurales y contenidos, de manera que, para los distintos niveles de movimiento del terreno determinados y con ciertos niveles de fiabilidad, los daños en la estructura no deberán superar ciertos estados límite (Bertero, 1997).
El desempeño se cuantifica en términos de la cantidad de daño en un edificio afectado por un movimiento sísmico y el impacto que tienen estos daños en las actividades posteriores al evento. Este concepto no es sólo aplicable a edificios, sino que puede ser extendido a todo tipo de estructuras e incluso a sus componentes no estructurales y contenidos.
Considerando todos los aspectos mencionados anteriormente, está claro que la “ingeniería basada en el desempeño sísmico” es un proceso que comienza con el planteamiento inicial de un proyecto y termina cuando la estructura deja de existir. Este proceso incluye: la selección de los objetivos de desempeño, la determinación de la conveniencia del sitio, el diseño conceptual, el diseño preliminar, el diseño final, los chequeos de aceptabilidad durante el diseño, la revisión del diseño, el control de calidad durante la construcción y el mantenimiento durante la vida de la estructura.
CONCEPTO DEL ATC-40 (1996)
El diseño de edificaciones basado en desempeño se refiere a la metodología de diseño en la cual el criterio estructural se expresa en términos de selección de un objetivo de desempeño. En contraste al método convencional en el cual el criterio estructural se define por exigencias sobre los elementos, que resultan de un nivel predeterminado de fuerza cortante aplicada (ATC-40, 1996).
CONCEPTO DEL SEAOC (1995)
13
ciertos estados límite u otros límites inusuales". Los estados límite referidos se denominan
niveles de desempeño. Los niveles de desempeño son acoplados con niveles especificados de movimiento sísmico probable, para definir los objetivos de desempeño para los cuales se diseña la estructura. El logro de los objetivos de desempeño nunca se garantiza pero se espera, con niveles definidos de riesgo y confiabilidad (SEAOC, 1995).
La ingeniería basada en desempeño sismorresistente se define como una serie de procedimientos para que las edificaciones tengan un desempeño sismorresistente controlable y predecible, cuando responden a niveles definidos de sismo, dentro de niveles de confiabilidad definidos (Taipe, 2003).
Figura 2.0: Diagrama del marco conceptual de la “ingeniería basada en desempeño” SEAOC Visión 2000 (SEAOC, 1995)
2.2 NIVELES DE DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA
Estos niveles de desempeño propuestos son básicamente para estructuras de concreto armado, siendo el material más investigado a la actualidad por países como EE.UU, Japón y en Europa. Sin embargo, se proponen para estructuras de albañilería confinada resultados de investigaciones realizadas en países como México, Ecuador, Perú y Chile.
Diseño Preliminar Conveniencia del sitio y análisis de los
movimientos del terreno
Diseño conceptual: Selección del sistema
Estructural y su configuración
Admisibili dad del
diseño
Admisibilidad del diseño preliminar
Admisibilidad del diseño final Diseño Final
Revisión del diseño
Control de calidad Durante la construcción
Función y mantenimiento de la estructura Selección de los objetivos de
desempeño
CONCEPTO
DISEÑO
CONSTRUCCIÓN
NO SI
NO
SI
