Protección sísmica: normativa e innovación, Mauricio Sarrazin.

(1)

Corporación de Desarrollo Tecnológico

Corporación de Desarrollo

Tecnológico

Décima quinta conferencia

tecnológica

Mauricio Sarrazin

www.cdt.cl 11 noviembre 2009

“Protección sísmica: normativa e innovación”

(2)

NUEVA GENERACIÓN DE NORMAS DE DISEÑO SÍSMICO: DISEÑO POR DESEMPEÑO.

INVESTIGACIONES EN PROTECCIÓN SÍSMICA DE PUENTES.

PROTECCIÓN SÍSMICA: NORMATIVA E INNOVACIÓN

Corporación de Desarrollo Tecnológico Cámara Chilena de la Construcción

(3)

(4)

DISEÑO POR DESEMPEÑO:

(5)

(6)

5

Objetivo principal: las estructuras deben resistir:

• Sismos de baja intensidad sin sufrir daños

estructurales significativos

• Sismos moderados con daños reparables

• Sismos de máxima intensidad sin que se produzca el

colapso

(7)

6

Niveles de Desempeño o Estados Limites

Diseño por Desempeño

• Un nivel de desempeño representa una condición límite

o tolerable establecida en función de tres aspectos

fundamentales (SEAOC Visión 2000, 1995):

–

Posibles daños físicos sobre las componentes

estructurales

y no estructurales

–

Amenaza sobre la seguridad de los ocupantes de la

edificación, inducida por estos daños

(8)

ANTECEDENTES:

• SEAOC, 1995, Vision 2000

• FEMA 283, Performance-Based Seismic Design of Buildings – an Action Plan, 1996

• FEMA 349, Action Plan for Performance Based Seismic Design, EERI, 2000

• ATC 58, Development of Next Generation Performance-Based Seismic Design guidelines for New and Existing Buildings

• FEMA 445, Next Generation Performance-Based Seismic Design Guidelines

(9)

NECESIDADES: (FEMA 445)

1. Revisar los niveles de desempeño de las normas de 1ª generación para crear nuevos parámetros de medición (costos de reparación, víctimas, interrupción de servicio).

2. Crear procedimientos para evaluar los costos probables de reparación, víctimas e interrupción de servicio.

3. Desarrollar un marco de referencia de evaluación de desempeño que tome en cuenta e informe adecuadamente a los usuarios la incertidumbre implícita en dicha evaluación.

(10)

9

Niveles de Desempeño Propuestos

por el Comité VISION 2000

(11)

Seleccionar Niveles de Desempeño Desarrollar Diseño Preliminar Evaluar el Desempeño ¿Desempeño cumple Objetivos? Terminado Revisar el Diseño Si No

Proceso de diseño por desempeño

FASE 2

FASE 1

FASE 2

FEMA 445

Fase 1: US$ 11M Fase 2: US$ 10 M

(12)

FASE 1: Desarrollar una metodología para

evaluar el desempeño sísmico de edificios. (US$ 11 millones)

FASE 2: Desarrollar procedimientos y

recomendaciones para el diseño sísmico por desempeño.

(US$ 10 millones)

(13)

Caracterizar el movimiento del suelo

Análisis Estructural Análisis Sistema _{No-Estructural}

Formar las funciones de respuesta estructural

Formar las funciones de respuesta no-estructural

Formar funciones de fragilidad estructural

Formar funciones de fragilidad no-estructural

Formar funciones de daño estructural

Formar funciones de daño no-estructural

Predecir las pérdidas en función del daño

(14)

A MODEL CODE FOR THE DISPLACEMENT-BASED

SEISMIC DESIGN OF STRUCTURES

DBD09

DRAFT SUBJECT TO PUBLIC ENQUIRY

RELUIS (Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica) Pavia, Italy, May 2009

Editores:

Gian Michele Calvi Timothy John Sullivan

(15)

SISMICIDAD DE DISEÑO

Intensidad del terremoto

Importancia

_{Nivel 1}

_{Nivel 2}

_{Nivel 3}

I

NO SE REQUIERE

50% EN 50 AÑOS

10% EN 50 AÑOS

II

50% EN 50 AÑOS

10% EN 50 AÑOS

2% EN 50 AÑOS

III

20% EN 50 AÑOS

4% EN 50 AÑOS

1% EN 50 AÑOS

IV

10% EN 50 AÑOS

2% EN 50 AÑOS

1% EN 50 AÑOS

(16)

ESPECTRO DE DISEÑO ELÁSTICO DE DESPLAZAMIENTO 05 0. , D

Δ

d , D ξ

Δ

D

T

05

0 .

=

ξ

eq

ξ

=

Periodo, s

Desplazamiento

(17)

(18)

ESPECTRO DE DISEÑO AMORTIGUADO

Se obtiene multiplicando el espectro de desplazamiento por un factor:

5 0

05

0

1

0

_.

)

.

(

R

ξ

=

₊

_{Para T}_{<7 seg. y campo lejano}

(19)

CRITERIOS DE DESEMPEÑO

SE FIJAN LÍMITES DE:

DERIVA DE PISOS Y

DEFORMACIONES UNITARIAS DEL MATERIAL

LA DERIVA DE PISOS SE DEFINE COMO:

i i i i i

x

−

=

+ + 1 1

Δ

θ

i Δ i x

(20)

Tabla 2.1.- Derivas límites para diversos niveles de desempeño.

Deriva límite Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3

Edificios con elementos no estructurales dúctiles

0.004 0.025 Sin Límite

Edificios con elementos no estructurales frágiles

0.007 0.025 Sin Límite

Edificios con elementos no estructurales detallados para sostener

desplazamientos

0.01 0.025 Sin Límite

Muros con elementos de madera 0.01 0.02 0.03

Cepas de puentes de hormigón armado θ_y 0.03 0.04

(21)

LÍMITE PARA LAS DERIVAS PERMANENTES

Límite de la Deriva

Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3

Estructuras de

Edificios

0.002 0.004 Sin límite

Estructuras de

Puentes

0.002 0.002 Sin límite

Muros de Contención

(22)

LIMITACIÓN DE DEFORMACIONES UNITARIAS

Material Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3

Acortamiento unitario en el hormigón 0.004 Ec.(2.2) <0.02

1.5x Ec.(2.2)

Alargamiento unitario en el acero 0.015 0.06 ε_su <0.05

0.09 ε_su <0.08

Alargamiento unitario en el acero-clase 1 Rótulas plásticas, flexión

0.01 0.025 0.04

Alargamiento unitario en el acero-clases 2 y 3 Rótulas plásticas, flexión

ε_y ε_y ε_y

Límites de deformación para arriostramientos de acero

χ_br ε_y 0.25 μ_fε_y 0.5 μ_fε_y

Acortamiento unitario en albañilerías armadas 0.003 Ec.(2.2) <0.01

(23)

DEFORMADA LÍMITE DE DISEÑO.

Debe establecerse mediante la deformación más crítica considerada anteriormente.

Debe considerarse el efecto del movimiento de las fundaciones en la deformada.

En estructuras con irregularidades importantes debe hacerse análisis no-lineal.

(24)

DEFORMADA LÍMITE DE DISEÑO (Cont.)

Para marco rígidos:

(

)

(

4

₁

)

4 h

H

h

H

h

n i n i c i

−

=

Δ

ω

_θ

θ

Donde

0 .

1 0034

.

0

15 .

1 −

≤

=

H

_n

θ

ω

Es un factor que toma en cuenta la contribución de los modos superiores de vibrar.

(25)

DEFORMADA LÍMITE DE DISEÑO (Cont.)

Para muros en voladizo el desplazamiento se puede Calcular como: i p n i i yW ip iy i

h

H

h

θ

φ

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

=

Δ

+

Δ

=

Δ

3

1

2

Donde

φ

_ywes la curvatura última y

θ

_pes la rotación plástica.

(

ls yW

)

p yW

c

p

φ

L

φ

θ

=

−

≤

−

2 plástica

rótula

la

de

longitud

(26)

OTROS SISTEMAS CONSIDERADOS:

•Sistemas mixtos muros-marcos

•Muros acoplados

•Sistemas de arriostramiento tipo V invertida

•Marcos con diagonales excéntricas

•Marcos con diagonales con pandeo restringido

•Edificios de albañilería sin armar

•Edificios de madera

•Estructuras de puentes

•Estructuras con aislamiento sísmico

•Estructuras con disipadores

•Estructuras de contención

(27)

ESTRUCTURA EQUIVALENTE DE 1 GDL

Se usa para determinar el corte basal requerido y la resistencia al vuelco.

Los parámetros correspondientes se calculan como sigue:

Desplazamiento Característico: CM PCP N n i i i n i i i d x ) m ( ) m ( − = = ₋ =

∑

θ Δ Δ Δ 1 1 2 Masa Efectiva: CM CP centro CP N x ₋ −

=

Δ

θ

Rotación Torsional: Altura Efectiva:

∑

= = = _n i i i n i i i i e ) m ( ) h m ( H 1 1 Δ Δ d n i i i e ) m ( m Δ Δ

∑

= = 1 e K e m e H eq ξ

(28)

ESPECTRO DE DISEÑO ELÁSTICO DE DESPLAZAMIENTO 05 0. , D

Δ

d , D ξ

Δ

D

T

05

0 .

=

ξ

eq

ξ

=

Periodo, s

Desplazamiento

(29)

AMORTIGUAMIENTO VISCOSO EQUIVALENTE

Generalmente, está dado en términos de la ductilidad de desplazamiento:

y d

Δ

μ

=

Así por ejemplo, se tiene:

Edificios de muros

Edificios de marcos

de hormigón

μπ

μ

ξ

_eq

=

0 .

05 +

0 .

444

1 −

μπ

μ

ξ

_eq

=

0 .

05 +

0 .

565

1 −

(30)

PERIODO DE RESPUESTA EFECTIVO

RIGIDEZ EFECTIVA

D , D d e

T

ξ

Δ

=

D el , D e e e

T

m

K

Δ

π

2

4 =

(31)

FUERZA CORTE BASAL DE DISEÑO

e d d e base

H

P

C

K

V

=

Δ

+

Δ

FUERZAS EN LA ESTRUCTURA

∑

= = _n i i i i i base i m m kV F 1 Δ Δ casos otros para . k cos mar de edificios para . k 0 1 9 0 = =

∑

=

+

−

=

_n i i i base base n

)

m

(

V

k

V

)

k

(

F

:

Techo

1

1 Δ

(32)

REQUERIMIENTOS DE DISEÑO POR CAPACIDAD.

Se debe asegurar que las rótulas plásticas elegidas se formen

sólo en las secciones críticas seleccionadas. En el análisis no-lineal correspondiente deben amplificarse los esfuerzos para considerar el aumento de capacidad de zonas críticas por la mayor resistencia

de los materiales y a la contribución dinámica de los modos superiores.

MÉTODO DE SUPERPOSICIÓN MODAL EFECTIVA

Los esfuerzos de diseño por capacidad pueden determinarse por

combinación modal usando en el análisis las rigidez efectiva de los

elementos, correspondientes al desplazamiento máximo. La respuesta modal del primer modo se debe amplificar para considerar un posible aumento de la resistencia de los materiales.

Así:

Di

S

₁_,

2 , 2 , 2 2 , 1 0

,i

(

D i

)

i

...

n i

CD

S

=

Φ

+

25 .

1

0

=

(33)

(34)

(35)

(36)

Puente Marga-Marga

1996

Longitud: 383 m

Vigas I continuas de

acero

(37)

Marga Marga

Monitoreo Permantente

–

Unidireccionales FBA 11 y 3-D FBA 23, de

Kinemetrics.

–

Registrador Mt. Withney, 18 canales.

(38)

Instrumentación puente Marga Marga y

razones entre aceleraciones máximas

sensores promedio Longitudinal a7/a4 a7/a19 a12/a10 a18/a16 0.38 0.52 1.03 0.82 Transversal a9/a6 a9/a21 a6/a3 0.57 0.65 2.51 Vertical (a14+a8)/(2*a 5) a14/a8 a5/a2 a15/a20 2.69 0.89 1.29 2.25

(39)

Accelerations registered in longitudinal direction

(channels 22, 19, 1, 4, 7, 10, 12, 16, and 18)

Accelerations registered in transversal direction (channels 24, 21, 3, 6, 9, 11, 13, and 17)

A4

A7

20 Jun. 2006

Tablero Cepa C4

(40)

Registros en roca (Pozo estribo) y en el valle (Pozo valle), cerca cepa C4, para terremoto de 20 Junio, 2006, M=4.9

ROCA

(41)

(42)

Comparación del error cometido en registros analíticos de dos modelos: a) considerando movimientos diferentes en los apoyos y b) para movimintos uniformes en los apoyos.

REGISTERED MODEL UNIFORM EARTHQUAKE INPUT

Sensor (Acc.) Dir .

Displac. (cm) Displac. (cm)

Error (%) Displac. (cm)

Error (%)

Canal 4 L 0.239 0.171 29 0.169 29 Canal 5 V 0.039 0.034 13 0.035 10 Canal 6 T 0.162 0.145 10 0.128 21 Canal 7 L 0.062 0.040 35 0.035 43 Canal 8 V 0.050 0.050 0 0.048 4 Canal 9 T 0.184 0.171 7 0.245 33 Canal 11 T 0.157 0.118 25 0.229 45 Canal 12 L 0.054 0.031 43 0.032 41 Canal 13 T 0.110 0.148 34 0.207 88 Canal 14 V 0.052 0.051 1 0.054 5 Canal 15 V 0.063 0.064 2 0.055 12 Canal 18 L 0.057 0.043 24 0.043 24

(43)

Conclusiones

• Se ha hecho un gran esfuerzo en mantener una red de

acelerógrafos durante más de 10 años, registrándose a la fecha un par de sismos importantes.

• Los registros de campo libre entre el estribo sur y el valle son muy diferentes, por lo que es necesario trabajar con un modelo que acepte entradas diferentes por apoyo.

• La fundación piloteada provoca un efecto de filtro, obteniéndose aceleraciones menores al pie de la cepa.

• Los modelos de elementos finitos desarrollados para considerar la amplificación en el suelo, sin ser exactos, permiten representar de mejor forma los registros reales obtenidos

(44)

(45)

Ubicación: tramo La Serena-Los Vilos

Costo: US $ 57 millones

(46)

Proceso Constructivo

(47)

(48)

(49)

Ubicación de Acelerógrafos

Unidad de registro Altus K212 FBA-11

Costo de equipos: US $54.000

(50)

Instalación de sensores FBA-11

Sensor 4 y 5- longitudinal

Canalización interior

(51)

(52)

Obras en el exterior

del puente

(53)

(54)

Sismo Abril 2002

M = 6.2

Estribo

(55)

Experimental and

computed transverse

displacement

(56)

(57)

CONCLUSIONES

•Se ha demostrado un claro efecto beneficioso del sistema aislante,

especialmente en la dirección longitudinal. En dirección

vertical hay amplificación.

•Se constata un claro efecto no lineal en la respuesta, el cual afecta

al periodo natural instantáneo y al amortiguamiento.

(1.6% a 4.4% en el primer modo).

•Modelo analítico arroja resultados en buena concordancia con los

resultados experimentales.

•Efecto del viento: para los valores registrados es ínfimo. Si se

consideran los valores de AASHTO, se obtienen

desplaza-mientos de hasta 4.4 cm., similares a aquellos debidos a

expansión térmica.

(58)

(59)

(60)

Viaducto Marga-Marga 2

447.1 m long, 23.1 m ancho

Cepa única: 23.2 a 54 m alto

Vigas pretensadas, 2.5 m alto

(61)

Cardenal Silva Henriquez

912.5 m long, 14 m ancho

Cepas: 20 to 51 m high

Vigas de acero continuas, 2 m alto

Apoyos de neopreno 70 x 70 x 8 cm

Periodos:

Longitudinal: 0.74 seg

Transversal: 1.13 seg (

acero

)

(62)

Puente Rio Bueno

382.45 m largo,

Cepas 26 to 51 m altura

Vigas pretensadas, 2.01 m altura

Apoyos neopreno, 65 x 75 x 15.5 cm

65 x 75 x 10.7 cm

Barras sísmicas

verticales

(63)

Puente Rahue

169.85 m longitud

Vigas pretensadas, 2.01 m high

Apoyos de neopreno 45 x 55 x 17.7 cm

(64)

(65)

CONSIDERACIONES GENERALES DE

DISEÑO ESTRUCTURAL

•Seleccionar un mecanismo de falla.

•Considerar combinaciones de cargas gravitacionales y sísmicas.

•Aplicar diseño por capacidad a miembros que deben permanecer elásticos.