UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

“EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA DEL EDIFICIO DE LA FACULTAD DE ECONOMÍA BLOQUE B, DE LA UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, UTILIZANDO LA NORMA ECUATORIANA

DE LA CONSTRUCCIÓN (NEC-SE-RE, 2015).”

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA CIVIL

AUTORA:

RUALES ANDRADE ANDREA ESTEFANÍA

TUTOR:

ING. DIEGO ALFONSO ANDRADE STACEY.

Quito-15 de Septiembre

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ii

DEDICATORIA

A mis padres Arturo y

Myriam, a mis hermanos

Mary y Ronald y sobrina

Isabella, por ser fuerza,

guía y apoyo para

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iii

AGRADECIMIENTO

A Dios, por darme la salud y fortaleza para llegar a culminar una meta en mi formación profesional. A mis padres Arturo y Myriam por ser la base fundamental de cada logro en mi vida, por enseñarme a ser fuerte y capaz de culminar todo lo que me proponga.

A mi hermana Mary por ser mi mejor amiga y consejera y regalarme uno de mis mayores tesoros Isabella. A mi hermano Ronald por sus ocurrencias y tantos momentos de apoyo.

A mis familiares y amigos que me alentaron a seguir y no desmayar a pesar de los duros momentos que se presentaron a lo largo de este proceso.

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iv

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, Andrea Estefanía Ruales Andrade , en calidad de autora del Trabajo de Investigación realizada sobre: “Evaluación de la vulnerabilidad sísmica del edificio de la Facultad de Economía Bloque B, de la Universidad Central del Ecuador, utilizando la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-SE-RE, 2015)”, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito, 15 de septiembre de 2016

Andrea Estefanía Ruales Andrade CI: 100343303-2

Telf: 0999950818

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v

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vi

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vii NOTAS

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viii CONTENIDO

DEDICATORIA ii

AGRADECIMIENTO iii

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL iv

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR v

APROBACIÓN DEL JURADO O TRIBUNAL vi

NOTAS vii

CONTENIDO viii

LISTA DE TABLAS xii

LISTA DE FIGURAS xv RESUMEN xix ABSTRACT xx CAPÍTULO I – GENERALIDADES 1 1.1.Antecedentes. 1 1.2.Objetivos. 1 1.2.1. Objetivo general. 1 1.2.2. Objetivos específicos. 1 1.3.Alcance. 2 1.4. Justificación. 2

CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 4

2.1.Definiciones. 4

2.2.Peligro sísmico del Ecuador. 6

2.2.1. Bases del diseño. 7

2.2.2. Zonificación Sísmica y Factor de zona Z. 8

2.2.2.1. Mapa de zonificación sísmica para diseño. 9

2.2.3. Perfil del Suelo. 10

2.2.3.1.Microzonificación Sísmica. 10

(9)

ix

2.2.3.3.Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd y Fs. 13

2.2.3.4.Componentes horizontales de la carga sísmica: Espectros Elásticos de Diseño. 15

2.3.Metodología del Diseño sismoresistente. 20

2.3.1. Categoría de edificio y coeficiente de importancia. 20

2.3.2. Filosofía del diseño sismoresistente. 21

2.3.3. Límites permisibles de las derivas de piso. 23

2.3.4. Factores importantes en estructuras. 23

2.3.5. Fuerzas de diseño mínimas y efectos relacionados. 29

2.3.5.1.Cortante basal de diseño. 30

2.4.Evaluación del Riesgo sísmico en Edificios. 34

2.4.1. Generalidades 34

2.4.2. Incertidumbre en la Evaluación 35

2.4.3. Inspección y evaluación visual rápida de las estructuras FEMA 154. 35 2.5.Evaluación de la estabilidad del Sitio (SS). 36

2.5.1. Nivel SS1 de investigación. 37

2.5.2. Cargas y Combinaciones de Cargas. 38

2.5.3. Levantamiento Estructural e información existente. 38

2.6.Modelación estructural y criterios de aceptación. 39

2.6.1. Análisis Estático Lineal. 40

2.6.2. Análisis Dinámico Lineal. 41

CAPÍTULO III.- EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD SISMICA DEL EDIFICIO DE LA FACULTAD DE ECONOMÍA BLOQUE B UBICADO EN LA CIUDADELA UNIVERSITARIA. 42

3.1.Antecedentes del Edificio de la Facultad de Economía Bloque B, ubicado en la ciudadela universitaria. 42 3.1.1. Mapa de la Universidad Central del Ecuador 44

3.1.2. Visita Preliminar 44

(10)

x

3.1.4. Áreas Totales de la Edificación 46

3.2.Desarrollo de los Niveles de Investigación. 49

3.2.1. Nivel de Investigación BS1. 49

3.2.1.1.Aplicación del Formato de Evaluación FEMA 154. 56

3.2.2. Nivel de Investigación SS1. 60

3.3.Descripción Técnica del Edificio de la Facultad de Economía Bloque B, ubicado en la ciudadela universitaria. 64

3.3.1. Levantamiento Estructural de la edificación. 64

3.3.1.1.Elementos estructurales principales. 69

3.4.Identificación de Patologías en la estructura. 74

CAPÍTULO IV.- ANÁLISIS DINÁMICO LINEAL DEL EDIFICIO DE LA FACULTAD DE ECONOMÍA BLOQUE B DE UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, USANDO EL PROGRAMA COMPUTACIONAL SAP2000 15.1.0. 76

4.1.Normativa Utilizada. 76

4.2.Descripción. 76

4.3.Cargas Consideradas. 77

4.3.1. Carga Viva. 77

4.3.2. Carga Muerta por Peso Propio de la Estructura. 78

4.3.3. Carga Muerta Permanente. 78

4.3.4. Carga Sísmica. 80

4.3.5. Carga por empuje de suelo. 80

4.4.Combinación de Cargas. 80

4.5.Espectro de Diseño ( NEC 15) 81

4.6.Periodo de Vibración. 82

4.7.Cálculo del Cortante Basal. 85

4.8.Modelación de la estructura en SAP2000 v15.1.0 86

4.9.Análisis de Resultados. 102

4.9.1. Modos de Vibración. 104

4.9.2. Chequeo de Derivas de Piso. 112

(11)

xi

4.10. Chequeo de los principales Elementos Estructurales. 127

4.11. Alternativas de reforzamiento. 139

4.11.1. Alternativa 1: Aumento de la sección de hormigón en las columnas. 140

4.11.2. Alternativa 2: Paredes Enchapadas 141

4.11.3. Alternativa 3: Reforzamiento con Fibras de Carbono. 142

4.11.4. Aplicación de una posible alternativa de reforzamiento 145

5. CAPÍTULO V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 149

5.1.1. Conclusiones 149

5.1.2. Recomendaciones. 150

BIBLIOGRAFÍA 152

ANEXOS 153

ANEXO 1 FEMA 154 BLOQUE PRINCIPAL (BLOQUE B) 153

ANEXO 2 FEMA 154 BLOQUE PASILLO. 154

ANEXO FOTOGRÁFICO 155

ANEXO RESUMEN ESTRUCTURAL 160

(12)

xii LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Valores del facto Z en función de la zona sísmica 10

Tabla 2 Clasificación de los perfiles de suelo 12

Tabla 3 Tipo de suelo y Factores de sitio Fa 13

Tabla 4 Tipo de suelo y Factores de sitio Fd 14

Tabla 5 Tipo de suelo y Factores de comportamiento inelástico del subsuelo Fs. 14

Tabla 6 Valores para η con respecto a las regiones del Ecuador 18

Tabla 7 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura 21

Tabla 8 Objetivos de la Filosofía del Diseño sismo resistente 22

Tabla 9 Valores de ΔM máximos, expresados como fracción de la altura de piso. 23 Tabla 10 Configuraciones Estructurales Recomendables 24

Tabla 11 Configuraciones Estructurales No Recomendables 25

Tabla 12 Coeficientes de irregularidad en planta 26

Tabla 13 Coeficientes de irregularidad en elevación 28

Tabla 14 Coeficiente Ct y ∝ dependiendo del tipo de estructura 31

Tabla 15 Coeficiente R para sistemas estructurales dúctiles 33

Tabla 16 Coeficiente R para sistemas estructurales de ductilidad limitada. 30

Tabla 17 Identificación del Edificio de la Facultad de Economía. 42

Tabla 18 Distribución del Edificio de la Facultad de Economía. 47

Tabla 19 Identificación del pasillo que une el Bloque B con el C. 48

Tabla 20 Dimensiones de la Losa Tipo del Bloque B. 50

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xiii

Tabla 22 Dimensiones de los tipos de columnas de la edificación 51

Tabla 23 Dimensiones de Vigas Peraltadas de la edificación (Bloque B) 54

Tabla 24 Dimensiones de Vigas Peraltadas de la edificación (Bloque Pasillo) 55 Tabla 25 Resumen de coeficientes tomados de la NEC-15 62

Tabla 26 Descripción de la Estructura Principal Bloque B, del Edificio de la Facultad de Economía de la Universidad Central del Ecuador 77

Tabla 27 Cargas Vivas para Unidades Educativas 78

Tabla 28 Cargas Muerta Permanente del Edificio de Economía Bloque B 79

Tabla 29 Cargas Muerta Permanente del Edificio de Economía Bloque Pasillo 80 Tabla 30 Valores para la determinación del Espectro de Diseño de la estructura y sus respectivos periodos 82

Tabla 31 Calculo del periodo de vibración Ta 83

Tabla 32 Cálculo del Cortante Basal 85

Tabla 33 Periodos y Frecuencias de la Estructura principal Bloque B y Bloque pasillo de la Facultad de Economía de la Universidad Central del Ecuador. 106 Tabla 34 Participación Modal de las Masas en los modos de Vibración de la estructura principal Bloque B de la Facultad de Economía 107

Tabla 35 Participación Modal de las Masas en los modos de Vibración de la estructura Bloque Pasillo de la Facultad de Economía 108

Tabla 36 Peso de la Estructura principal Bloque B, y bloque Pasillo de la Facultad de Economía de la Universidad Central del Ecuador. 110

Tabla 37 Calculo teórico del Cortante Basal 111

Tabla 38 Calculo del Cortante Basal con el programa SAP2000 112

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xiv

Tabla 40 Resumen de derivas de piso del Bloque de Pasillo 118 Tabla 41 Resumen del chequeo de deflexiones estructura principal

(Bloque B) 126

Tabla 42 Resumen del chequeo de deflexiones Bloque de Pasillo. 127 Tabla 43 Separación entre estribos de las vigas del bloque Principal

(Bloque B) 129

Tabla 44 Separación entre estribos de las vigas del Bloque de pasillo 129 Tabla 45 Chequeo de la separación de estribos en las columnas del Bloque

principal (Bloque B) 132

Tabla 46 Chequeo de la separación de estribos en las columnas del Bloque de

pasillo. 133

Tabla 47 Chequeo de refuerzo de confinamiento 134 Tabla 48 Columnas que fallan en la estructura principal Bloque B 137 Tabla 49 Columnas que fallan en la estructura principal Bloque de Pasillo 139 Tabla 50 Resumen de las alternativas nombradas 144 Tabla 51 Periodos de vibración de la edificación colocada el reforzamiento 147 Tabla 52 Derivas de piso del Bloque principal Bloque B colocado el

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xv LISTA DE FIGURAS

CAPITULO 2

Figura 1 Mapa de Zonificación del Ecuador 9

Figura 2 Espectro de respuesta elástico de aceleraciones que representa el sismo de diseño 16

CAPITULO 3 Figura 3 Edificación antes de la remodelación 43

Figura 4 Edificación después de la remodelación. 43

Figura 5 Ubicación de la Universidad Central del Ecuador 44

Figura 6 Ubicación de la Facultad de Economía, en la Ciudadela Universitaria 46 Figura 7 Fachada Norte del Edificio de Economía Bloque B y Pasillo 57

Figura 8 Fachada Sur del Edificio de Economía Bloque B 58

Figura 9 Irregularidades en elevación (Instructivo del Formato FEMA 154) 58

Figura 10 Irregularidades en elevación (Instructivo del Formato FEMA 154) 59

Figura 11 Modelo de una columna generalizada de suelo de Quito 61

Figura 12 Zonificación de Suelos de Quito 63

Figura 13 Medidas de la columna de 70x70 del bloque B 65

Figura 14 Medidas de la columna de 60x60 del bloque B 65

Figura 15 Medidas de la columna de 30x60 del bloque del pasillo 65

Figura 16 Configuración de alivianamiento en las losas del Bloque B 67

Figura 17 Medidas de la Viga Este- Oeste Bloque B 68

Figura 18 Medidas de la Viga Norte- Sur Bloque B 69

Figura 19 Detalle de los tipos de Columnas de la estructura principal 70

(16)

xvi

Figura 21 Corte típico de la losas del Bloque B 72 Figura 22 Detalle de los tipos de Columnas de la estructura II (Bloque pasillo)73 Figura 23 Sección de Viga tipo sentido Norte-Sur y Este-Oeste 73 Figura 24 Corte típico de la losas del Bloque Pasillo 74 CAPITULO 4

Figura 25 Espectro de aceleraciones Elástico e Inelástico usados para el bloque y Bloque de Pasillo de acuerdo a la NEC-15 84

Figura 26 Espectro de aceleraciones Elástico e Inelástico usados para el Bloque B y Bloque de Pasillo de acuerdo al Estudio de Microzonificación Sísmica de

Quito. 84

Figura 27 Elaboración del modelo de la estructura en el programa AutoCAD vista frontal y posterior del Edificio de Economía Bloque B 87

Figura 28 Creación de un New model para la modelación de la estructura 87 Figura 29 Definición del material 88

Figura 30 Definición de Secciones para los elementos (vigas, columnas y

nervios). 89

Figura 31 Definición de material, sección y características del elemento

estructural. 90

Figura 32 Definición de Secciones para la loseta, la losa de grada y el muro 91 Figura 33 Definición de características para los elementos Área 92 Figura 34 Importación de los Elementos Frame y Shell del Edificio de Economía Bloque B en el programa SAP2000 82

Figura 35 Vista de todos los Elementos Edificio de Economía Bloque B en el

programa SAP2000 v15.1.0 93

Figura 36 Generación de cargas en el modelo matemático 94 Figura 37 Menú para la definición de un espectro de diseño 94

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xvii

Figura 38 Espectro de diseño para el modelo matemático 95

Figura 39 Menú para definir los casos de carga 96

Figura 40 Menú para definir Combos para el análisis 97

Figura 41 Menú para definir los valores de las combinaciones de carga 98

Figura 42 Selección de elementos al cual se asignara las respectivas cargas 99 Figura 43 Asignar Cargas a los elementos 99

Figura 44 Menú Mass Source para asignación de pesos a los elementos estructurales. 100

Figura 45 Análisis estructural 101

Figura 46 Menú para que el programa empiece a correr el programa 101

Figura 47 Ventana que indica la finalización del análisis estructural 102

Figura 48 Modelo matemático de la estructura principal Bloque B de la Facultad de Ciencias Económicas de la Universidad Central del Ecuador 103

Figura 49 Modelo matemático del Bloque de Pasillo de la Facultad de Ciencias Económicas de la Universidad Central del Ecuador 104

Figura 50 Primer Modo de Vibración de la Estructura Principal Bloque B de la Facultad de Economía de la Universidad Central del Ecuador 109

Figura 51 Primer Modo de Vibración de la Estructura Bloque Pasillo de la Facultad de Economía de la Universidad Central del Ecuador 109

Figura 52 Pórtico analizado del Bloque principal (Bloque B) 112

Figura 53 Pórtico analizado del Bloque pasillo 113

Figura 54 Deflexiones de la Estructura Principal Bloque B de la Facultad de Economía de la Universidad Central del Ecuador 117

Figura 55 Deflexiones por Carga Muerta, en el punto crítico en el volado en el nivel N+6.94 118

(18)

xviii

Figura 56 Deflexiones por Carga Viva, en el punto crítico en el volado en el nivel N +6.94 118

Figura 57 Deflexiones por Carga Muerta para Viga en el sentido Norte- Sur, nivel

N+6.94, para el bloque B. 121

Figura 58 Deflexiones por Carga Viva para Viga en el sentido Norte- Sur, nivel

N+6.94, para el bloque B 121

Figura 59 Deflexiones por Carga Muerta para Viga en el sentido Este Oeste nivel

N+11.40, para el Bloque de Pasillo. 124

Figura 60 Deflexiones por Carga Viva para Viga en el sentido Este- Oeste nivel N+11.40, para el Bloque de Pasillo. 124

Figura 61 Características de los elementos sometidos a flexión 127 Figura 62 Separación entre estribos 128 Figura 63 Separación de estribos en elementos sometidos a flexo-compresión 131 Figura 64 Elementos que fallan en la estructura principal Bloque B 135 Figura 65 Principales elementos que fallan en la estructura principal Bloque B,

vista de los pórticos 136

Figura 66 Elementos que fallan en la estructura Bloque de Pasillo 138 Figura 67 Principales elementos que fallan en la estructura principal Bloque de

Pasillo, vista de los pórticos 139

Figura 68 Sección típica del aumento de hormigón en una columna 140 Figura 69 Elementos estructurales en los que se puede aplicar las fibras de

carbono 144

Figura 70 Ubicación de las zonas donde se ubica el muro para la modelación en

la edificación 146

Figura 71 Modelación de la alternativa de reforzamiento de paredes enchapadas

(19)

xix RESUMEN

“EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA DEL EDIFICIO DE LA FACULTAD DE ECONOMÍA BLOQUE B, DE LA UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, UTILIZANDO LA NORMA ECUATORIANA DE LA CONSTRUCCIÓN (NEC-SE-RE, 2015)”

Autor: Andrea Estefanía Ruales Andrade. Tutor: Ing. Diego Alfonso Andrade Stacey. El presente trabajo de titulación consiste en realizar la Evaluación de la Vulnerabilidad Sísmica del Edificio de la Facultad de Economía (Bloque B), de la Universidad Central del Ecuador en función a los requerimientos de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-SE-RE, 2015), la selección de la edificación se fundamentó en el uso que se le da a la misma ya que es de gran concurrencia y por ser un establecimiento educativo es considerada una estructura especial, es así como se considera de gran importancia evaluar el comportamiento de la edificación al estar expuesta a un evento extremo. De acuerdo a la normativa para la Evaluación de la Vulnerabilidad Sísmica se realizó primeramente una inspección Visual de la edificación usando la adaptación del formato FEMA según el Distrito Metropolitano de Quito para posteriormente realizar los niveles de investigación BS1 sobre Evaluación de la Estabilidad y Desempeño Símico y SS1 Evaluación de la Estabilidad de Sitio, con el objeto de identificar y describir los elementos que conforman la estructura de acuerdo a los indicadores de riesgo sísmico, así como los posibles problemas que el sitio de ubicación podrían generar y de esta manera determinar si la estructura requiere una evaluación más específica, de acuerdo a esto se realizó la modelación de la estructura usando el programa computacional SAP2000 15.1.0, lo que permitió la identificación de las falencias que poseen los elementos estructurales, concluyendo que la estructura posee vulnerabilidad ante un evento extremo de una magnitud elevada.

PALABRAS CLAVES: VULNERABILIDAD SÍSMICA/ EVALUACIÓN

RÁPIDA DE ESTRUCTURAS/ ESTRUCTURAS DE OCUPACIÓN

ESPECIAL/ USO DE LA NEC-SE-RE/ EDIFICIO DE ECONOMÍA UCE/ MODELADO DE ESTRUCTURAS EN SAP 2000.

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xx ABSTRACT

"SEISMIC VULNERABILITY ASSESSMENT OF ECONOMICS FACULTY BUILDING, BLOCK B AT UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, USING THE ECUATORIAN STANDARD CONSTRUCTION (NEC-SE-RE, 2015)"

Author: Andrea Estefania Andrade Ruales. Tutor: Ing. Diego Alfonso Andrade Stacey. This degree work is to perform the seismic vulnerability of Economics Faculty building, block B at according to the requirements of the Ecuadorian Standard Construction (NEC-SE-RE , 2015), the selection of the building is based on the use that is given to it because it is large turnout and for being an educational institution is considered a special structure, so as great importance to assess the building behavior to it is exposed an extreme event. According to the rules for the Evaluation of Seismic Vulnerability it was first conducted a visual inspection of the building using the adaptation of FEMA format according to the Distrito Metropolitano de Quito, later to make research levels BS1 on Stability Assessment and Simian Performance and SS1 Stability Assessment Site, in order to identify and describe the elements of the structure according to indicators of seismic risk and the possible problems that could generate site location and this way determine whether the structure requires a more specific evaluation, as well as the possible problems that the site location could generate and this way determine whether the structure requires a more specific assessment, according to this modeling the structure using the computer program SAP2000 15.1.0 was performed, which allowed the identification of shortcomings that have structural elements,concluding that the structure has vulnerability to an extreme event of a high magnitude.

KEYWORDS: SEISMIC VULNERABILITY / STRUCTURES QUICK ASSESSMENT / SPECIAL OCCUPATION STRUCTURES / USE NEC-SE-RE/ ECONIMICS BUILDING UCE / STRUCTURE MODELING IN SAP 2000.

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1

CAPÍTULO I – GENERALIDADES

1.5.Antecedentes.

Una estructura a lo largo de su vida útil, podría estar sometida a uno o varios eventos extremos, por esta razón y de acuerdo a las solicitaciones actuales en la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-15 en vigencia, exige que las edificaciones sean sismoresistentes, debido a que el Ecuador se encuentra en una zona con alta peligrosidad sísmica.

Así mismo para las estructuras existentes es de gran importancia que se realice una evaluación de la vulnerabilidad sísmica, determinando parámetros que podría presentar la estructura ante la presencia de uno o varios sismos.

1.6.Objetivos.

1.6.1. Objetivo general.

Evaluar la vulnerabilidad sísmica del edificio de la Facultad de Economía Bloque B, utilizando la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC SE-RE, 2015).

1.6.2. Objetivos específicos.

 Ejecutar inspección y evaluación Visual del edificio de la Facultad de Economía Boque B, usando la adaptación del formato FEMA según el Distrito Metropolitano de Quito.

 Realizar los niveles de investigación sobre Evaluación de la Estabilidad y Desempeño Símico BS1 y Evaluación de la Estabilidad de Sitio SS1 de acuerdo a las exigencias de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC SE-RE, 2015).

 Elaborar el modelo matemático, usando el programa computacional SAP2000 15.1.0, del edificio de la Facultad de Economía Bloque B, para

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2

de esta manera comprobar el comportamiento de la estructura, ante la presencia de uno o varios eventos sísmicos.

 Realizar un análisis lineal del edificio de la Facultad de Economía Bloque B, mediante el modelo matemático que se realizara en el programa computacional SAP2000 15.1.0.

1.7.Alcance.

El alcance del proyecto de investigación, será realizar la inspección visual y visita preliminar al edificio de la Facultad de Economía, Bloque B, previa a la obtención de información necesaria, como son planos arquitectónicos y estructurales.

Posteriormente se realizará la modelación de la estructura mediante el uso de un programa computacional, de esta manera se generaran resultados que con criterio serán evaluados mediante el análisis dinámico lineal.

Finalmente se ejecutará la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de la edificación en estudio, utilizando la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-SE-RE, 2015) en función de la información obtenida en planos y levantamiento estructural.

1.8.Justificación.

La Universidad Central al ser la más antigua y grande Universidad del país, posee un gran número de estudiantes, con 37416 estudiantes matriculados en las distintas carreras*, la Facultad de Ciencias Económicas donde se encuentra el edificio en estudio cuenta con 2498*1 estudiantes matriculados en el periodo 2015-2016, quienes hacen uso de la edificación a diario, por lo que es de vital importancia la realización de un estudio de vulnerabilidad sísmica, y de esta manera establecer si la edificación cumple con todos los requisitos dispuestos por la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-SE-RE,2015) en lo que respecta a un diseño sismo resistente y a su vez no sea capaz de prevenir posibles riesgos para sus ocupantes ante la presencia de un evento extremo.

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3

El ingeniero civil debe estar en capacidad de proporcionar información al realizar una evaluación del riesgo sísmico de una edificación, tomando en cuenta todos los parámetros que exige la Norma Ecuatoriana de Construcción.

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4

CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

2.1.Definiciones.

La terminología y sus respectivas definiciones forman parte del contenido de la Norma Ecuatoriana de la Construcción en sus capítulos: (NEC-SE-DS, 2015) y (NEC-SE-RE, 2015)

Componentes no estructurales.- Son aquellos componentes de la edificación que no forman parte del sistema estructural que resiste cargas verticales y laterales y que no es considerado como contenido del edificio.

Contenido del edificio.- Instalaciones que contiene el edificio que no han sido definidas como sistemas estructurales del edificio.

Cortante basal de diseño.- Se le conoce a la fuerza total de diseño por cargas laterales, aplicada en la base de la estructura, es el resultado de la acción del sismo de diseño con o sin reducción.

Deficiencia.- Defecto visible en la edificación o falta de mantenimiento significativo del edificio en sus componentes o equipos.

Desastre.- Es una calamidad o siniestro que en el momento de ocurrencia, supera la capacidad de atención social de los recursos como son: humanos y tecnológicos, que disponen las autoridades de la región afectada.

Documentos originales de construcción.- son aquellos documentos que se usan en la fase de construcción inicial y cualquier modificación subsecuente en la edificación que es objeto de la evaluación de riesgo sísmico.

Estabilidad del Edificio y Desempeño Sísmico (Building Stability: BS).- Evaluación del desempeño sísmico y de la estabilidad del edificio.

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5

Índice de daño.- Es la relación que existe entre el costo del daño o su reparación, dividido para el costo de reposición respectivo.

Otros peligros sísmicos.- Se pueden mencionar, pero no se limitan a: licuación de suelos, deformaciones del terreno incluyendo rupturas, deslizamientos, asentamientos diferenciales, deslizamientos, etc.; y, peligros fuera del sitio del terremoto en los que se incluye: inundaciones debido a falla en algún dique o represa, tsunamis o seiches.

Peritaje Estructural.- Es la evaluación de la condición de una propiedad con el propósito de identificar las características o condiciones de la propiedad, incluyendo potenciales condiciones peligrosas, que pueden servir para la determinación de la conveniencia de la propiedad para la realización transacciones inmobiliarias o financieras.

Riesgo.- Es la posibilidad de sufrir daño debido a un peligro. Un peligro es una sustancia o acción que puede causar daño, enfermedad, pérdida económica y/o daño ambiental.

Sistema resistente a cargas laterales.- Son los elementos del sistema estructural que pueden resistir la acción sísmica. Esto incluye respuesta horizontal, vertical y torsional de elementos y sistemas.

Visita al sitio.- Es el reconocimiento visual del sitio y la propiedad física por parte de un profesional calificado para recolectar información con propósitos de preparar la evaluación del riesgo sísmico.

Vulnerabilidad sísmica.- En una estructura se considera al conjunto de parámetros que permiten predecir el tipo de daño estructural, la capacidad resistente y el modo de falla de una edificación ante la ocurrencia de un evento sísmico y se encuentra íntimamente relacionado con las características tanto físicas y estructurales de diseño.

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6

Cuyo objetivo es reducir la vulnerabilidad sísmica teniendo en cuento a los costos y los criterios de la ingeniería estructural.

2.2. Peligro sísmico del Ecuador.

El Ecuador se encuentra situado en la región denominada Cinturón de Fuego del Pacífico, zona conocida por ser sísmicamente activa, y corresponde a los márgenes de Océano Pacifico, en el caso del territorio Ecuatoriano la actividad sísmica es alta debido a la convergencia de las placas del lecho marino y fricción que presentan, lo que hace que se almacene tensión que debe ser liberada.

También se conoce que la principal fuente de generación de sismos tectónicos en el país es el hecho de la subducción de la Placa de Nazca dentro de la Placa Sudamericana.

A través de la historia el Ecuador ha soportado diferentes eventos sísmicos, debido a esto es fácil determinar que el nivel de sismicidad en el país es relativamente alto donde se han presentado sismos con magnitudes superiores a 7.0 en la escala de Richter y muchos de ellos se producen en las placas superficiales, causando fuertes daños en las estructuras mostrando en un gran porcentaje deficiencia en construcción lo presenta un alto riesgo para los ocupantes ante la presencia de un evento extremo, como es el caso del sismo ocurrido el 16 de Abril del 2016 con magnitud de 7.8 en la escala de Richter, ocurrido en Pedernales afectando directamente a las provincias de Manabí y Esmeraldas en donde se evidenció la ineficiente calidad de las estructuras, por la gran cantidad de destrucción producida por el evento sísmico.

Debido al elevado riesgo por la ubicación del Ecuador, se le ha dado un mayor enfoque al diseño y evaluación de las estructuras para que las mismas posean criterios sismo-resistentes, los mismos que exige la Norma Ecuatoriana de la Construcción vigente en la que establece pautas que permitan a las estructuras soportar eventos sísmicos inclusive más elevados que el ocurrido en Pedernales el 16 de abril, de manera que aunque las estructuras presenten daños elevados no colapsen permitiendo que sus ocupantes puedan salvar sus vida y poder evacuar.

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7 2.2.1. Bases del diseño.

Las solicitaciones sísmicas del suelo se caracterizan por parámetros como desplazamientos, velocidades y aceleraciones de sus elementos.

Las bases de diseño se fundamentan principalmente en la filosofía de diseño que se basa en el desempeño, de acuerdo a esto los procedimientos y requisitos que se deben seguir se determinaran considerando los siguientes parámetros:

 Factores de zona sísmica del Ecuador, valores que se obtienen mediante un estudio de peligro sísmico, en el país tienen seis zonas sísmicas, este factor está ligado directamente con el lugar donde está ubicada la estructura en estudio

 Las características que presenta el suelo, definiéndose mediante perfiles, que se seleccionan en función de la tipología que presente el sitio donde está ubicada la edificación.

 El tipo de uso e importancia de la edificación, que permita incrementar la demanda sísmica de diseño de las edificaciones, con el objeto de que de acuerdo a las características de uso de la misma o importancia permita permanecer operativas o disminuir daños que pueda sufrir durante y después de estar sometida al sismo de diseño.

 Para estructuras de ocupación especial como es el caso de la edificación en estudio, además de tomar en cuenta requisitos como un diseño con una resistencia que soporte desplazamientos laterales inducidos por el sismo de diseño requisito que se toma en cuenta en las estructuras de uso normal, se deben considerar el comportamiento inelástico, para los diferentes niveles de amenaza sísmica, esto con el objeto de limitar los daños que se puedan producir en la estructura, y de esta manera aumentar los niveles de protección permitiendo a la edificación mantenerse ocupacional después de la ocurrencia de un evento sísmico.

 En todas las estructuras independientemente del uso, la resistencia mínima de diseño se basará en las fuerzas sísmicas de diseño que se encuentran ya establecidas, siendo las siguientes:

(28)

8 o Nivel de desempeño sísmico.

o Configuración estructural y tipo de sistema o Métodos usados para el análisis

De acuerdo a esto se determina que el objeto de desempeño de la filosofía de diseño pretende evitar la pérdida de vidas e impedir que la estructura colapse al estar sometido a un evento extremo.

Es importante también tomar en cuenta que existen diferentes niveles de amenaza sísmica, la NEC-15 indica los siguientes:

 Frecuente (menor) con una probabilidad de excedencia 50% y un periodo de retorno de 72 años.

 Ocasional (moderado) con una probabilidad de excedencia de 20% y un periodo de retorno de 225 años.

 Raro (severo) con una probabilidad de excedencia del 10% y un periodo de retoro de 475 años, considerando como el Sismo de Diseño.

 Muy raro (extremo) con una probabilidad de excedencia del 2%, considerado para estructuras especiales y de ocupación especial.

2.2.2. Zonificación Sísmica y Factor de zona Z.

Principalmente se debe conocer que la zonificación sísmica consiste en la división de una región en porciones, en donde en cada una de ellas se especifiquen comportamientos similares y constantes de diseño sísmico, de manera que permitan establecer recomendaciones específicas para que el diseño y construcción de edificaciones posean criterio sismo-resistente.

Es importante conocer que para aquellos sitios donde por su composición estratigráfica y extensión presentan importantes variaciones en lo que a la respuesta dinámica se refieren, se debe realizar una zonificación sísmica y de esta manera poder realizar una eficiente caracterización geodinámica y así poder obtener parámetros adecuados para el diseño.

Para realizar un diseño sismo resistente es de gran importancia tomar parámetros como la zonificación sísmica definidos por el factor de zona Z que es un valor

(29)

9

ligado con el sitio de emplazamiento de la estructura, en el Ecuador la NEC-15 presenta seis zonas sísmicas que se expresan de acuerdo a la información que presenta el mapa de zonificación.

2.2.2.1.Mapa de zonificación sísmica para diseño.

El Ecuador se encuentra dividido por seis zonas sísmicas, dichas zonas se encuentran identificadas por la aceleración sísmica o grado de sismicidad, que depende de la ubicación del sitio, en la figura 1 se puede observar el mapa de zonificación sísmica del Ecuador, y detalladamente en la tabla 1 se observa dicha división identificada con sus respectivos valores de Z.

El mapa se Zonificación Sísmica que presenta la NEC-15 procede del resultado de un estudio de peligro sísmico para el sismo de diseño es decir con una probabilidad de excedencia del 10% en 50 años y un periodo de retorno de 475 años.

Figura 1 Mapa de Zonificación del Ecuador.

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10

Tabla 1 Valores del facto Z en función de la zona sísmica Zona sísmica y factor Z I II III IV V VI Valor factor Z 0.15 0.25 0.3 0.35 0.4 ≥0.5 Caracterización del peligro sísmico

Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy alta

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 27)

2.2.3. Perfil del Suelo.

Otro parámetro importante a tomar en cuenta en lo que respecta a la ubicación de la estructura es el perfil del suelo, característica que se presenta en función de las cualidades propias del suelo, como son: color, textura y variación en las estructuras del mismo lo que en conjunto se lo llama horizontes.

Mediante este parámetro se determina la respuesta sísmica del sitio donde se implanta la estructura, para ello se deberá tomar en cuenta si el suelo del sitio presenta todas las características que se especifican de acuerdo al perfil seleccionado.

En la NEC-15 se tienen 6 tipos de perfiles siendo A, B, C, D y E los que los parámetros corresponden a los 30m superiores, mientras que para suelos tipo F la respuesta no se limitan los 30m, y se deberá realizar investigaciones geotécnicas más específicas de suelo con las que se pretende conocer y modelar el comportamiento dinámico que va a presentar.

2.2.3.1. Microzonificación Sísmica.

Es importante conocer que la microzonificación sísmica se define como la división de un territorio urbano en microzonas geográficas, generalmente abarcan unos pocos kilómetros y están delimitados por las zonas urbanas existentes y un área de posible expansión, en donde se toma en cuenta los efectos del sitio y las

(31)

11

respectivas microzonas sísmicas. Con toda la información, resultados finales del estudio la microzonificación sísmica es representada en un mapa, donde el área estudiada se encontrará dividida en sectores que poseen diferente riesgo potencial, conocidos como zonas de riesgo sísmico, que se deben etiquetar de acuerdo con su peligrosidad sísmica, y se presentará en orden ascendente. Con todo lo mencionado se pretende inferir los posibles efectos que produciría un evento extremo en las edificaciones que se encuentran dentro la zona donde se realizó el estudio de microzonificación.

Según la Norma Ecuatoriana de la Construcción (2015), indica que para poblaciones superiores a 100000 habitantes, los gobiernos autónomos descentralizados municipales deberán realizar estudios de microzonificación, a razón de que se conozca de forma específica las demandas sísmicas que se presentaran en la zona, ya que la NEC proporciona valores muy generales, para la importancia que tendrían estas ciudades.

Mediante gestión municipal de la ciudad de Quito en el año 2012, se realizó la contratación de los servicios de la empresa consultora “Evaluación de Riesgos Naturales en América Latina” conocida por sus siglas ERN, la cual sería la encargada de la realización de los estudios de microzonificación de la ciudad, obteniendo así resultados más precisos y reales a comparación de los que se encuentran en la NEC.

2.2.3.2. Tipo de perfiles de suelos para el diseño sísmico.

En el Ecuador se definen seis perfiles de suelos los mismos que se muestran en la tabla 2.

(32)

12

Tabla 2 Clasificación de los perfiles de suelo Tipo d

Perfil Descripción Definición

A Perfil de roca competente Vs≥ 1500 m/s

B Perfil de roca de rigidez media 1500 m/s >Vs≥ 760 m/s

C

Perfiles de suelos muy densos o roca blanda, que cumplan con el criterio de velocidad de la onda de cortante, o

760 m/s >Vs≥ 360 m/s

Perfiles de suelos muy densos o roca blanda, que cumplan con cualquiera de los dos criterios

N ≥ 50.0 Su≥ 100 KPa

D

Perfiles de suelos rígidos que cumplan con el

criterio de velocidad de la onda de cortante, o 360 m/s >Vs≥ 180 m/s

Perfiles de suelos rígidos que cumplan cualquiera de las dos condiciones

50 > N ≥ 15.0 100 kPa > Su≥ 50

kPa

E

Perfil que cumpla el criterio de velocidad de la onda de cortante, o

Vs < 180 m/s Perfil que contiene un espesor total H mayor

de 3 m de arcillas blandas

IP > 20 w≥ 40%

Su< 50 kPa

F

Los perfiles de suelo tipo F requieren una evaluación realizada explícitamente en el sitio por un ingeniero geotecnista. Se contemplan las siguientes subclases:

F1—Suelos susceptibles a la falla o colapso causado por la

excitación sísmica, tales como; suelos licuables, arcillas sensitivas, suelos dispersivos o débilmente cementados, etc.

F2—Turba y arcillas orgánicas y muy orgánicas (H >3m para turba o arcillas orgánicas y muy orgánicas).

F3—Arcillas de muy alta plasticidad (H >7.5 m con índice de Plasticidad IP >75)

F4—Perfiles de gran espesor de arcillas de rigidez mediana a blanda (H >30m)

F5—Suelos con contrastes de impedancia α ocurriendo dentro de los primeros 30 m superiores del perfil de subsuelo, incluyendo contactos entre suelos blandos y roca, con variaciones bruscas de velocidades de ondas de corte.

F6—Rellenos colocados sin control ingenieril.

(33)

13

2.2.3.3.Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd y Fs.

 Fa: Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de periodo corto Este coeficiente se encarga de la amplificación de las ordenadas del espectro de respuesta elástica de aceleraciones para el diseño en roca, tomando en cuenta los efectos de sitio. Los valores establecidos por dicho factor se encuentran en la tabla 3.

Tabla 3 Tipo de suelo y Factores de sitio Fa Tipo de Perfil

del Subsuelo

Zona sísmica y factor Z

I II III IV V VI 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥0.5 A 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 B 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 C 1.4 1.3 1.25 1.23 1.2 1.18 D 1.6 1.4 1.3 1.25 1.2 1.2 E 1.8 1.4 1.25 1.1 1.0 0.85

F Véase Tabla2: Clasificación de los perfiles de suelo y la sección 10.5.4

 Fd: Amplificación de las ordenadas del espectro elástico de respuesta de desplazamientos para diseño en roca.

Este coeficiente amplifica las ordenadas del espectro de respuesta elástica de desplazamiento para el diseño en roca, y toma en cuenta los efectos de sitio, los valores se muestran en la tabla 4.

(34)

14

Tabla 4 Tipo de suelo y Factores de sitio Fd Tipo de Perfil

del Subsuelo

I II III IV V VI 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥0.5 A 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 B 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 C 1.36 1.8 1.19 1.15 1.11 1.06 D 1.62 1.45 1.36 1.28 1.19 1.11 E 2.1 1.75 1.7 1.65 1.6 1.5

F Véase Tabla2: Clasificación de los perfiles de suelo y 10.6.4

 Fs: Factor de comportamiento no lineal de los suelos

Considera el comportamiento no lineal de los suelos, la degradación del periodo del sitio que depende de la intensidad y contenido de frecuencia de excitación sísmica y los desplazamientos relativos del suelo, ara los espectros de aceleraciones y desplazamiento, estos valores se encuentran establecidos en la tabla 5

Tabla 5 Tipo de suelo y Factores de comportamiento inelástico del subsuelo Fs. Tipo de Perfil

del Subsuelo

I II III IV V VI 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥0.5 A 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 B 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 C 0.85 0.94 1.02 1.06 1.11 1.23 D 1.02 1.06 1.11 1.19 1.28 1.4 E 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

F Véase Tabla2: Clasificación de los perfiles de suelo y 10.6.4

(35)

15

2.2.3.4. Componentes horizontales de la carga sísmica: Espectros Elásticos de Diseño.

El espectro elástico de diseño es el valor que se encarga de medir la reacción que tendrá una estructura al estar sometido a un evento extremo.

Es así como un espectro elástico de diseño muestra la aceleración máxima absoluta de vibración que posee una edificación, por lo que las unidades que utiliza son de aceleración.

De acuerdo a estudios se puede mencionar que el espectro depende fundamentalmente de estos factores:

 Aceleración de la vibración a la que es sometida la base.  El periodo de oscilación que presenta la estructura. Espectro elástico horizontal de diseño en aceleraciones

Debido a la ocurrencia de una gran variedad de sismos de distinta magnitud, de diversos tipos de suelo, es importante la determinación de la máxima respuesta en desplazamiento, y así su velocidad o aceleración en las diversas estructuras que se identifican mediante el periodo de vibración, este proceso es conocido como la creación de un espectro de diseño.

La Norma Ecuatoriana de la construcción (2015) expresa la determinación del espectro de respuesta elástico de aceleraciones Sa, expresado como fracción de la aceleración de la gravedad, para el nivel de sismo de diseño. Se proporciona mediante la figura 2, tomando en cuenta factores como:

 el factor de zona sísmica Z,

 el tipo de suelo del sitio de emplazamiento de la estructura,

 la consideración de los valores de los coeficientes de amplificación de suelo Fa, Fd, Fs.

(36)

16

Figura 2 Espectro de respuesta elástico de aceleraciones que representa el Sismo de diseño

Dónde:

η Razón entre la aceleración espectral Sa(T = 0.1 s) y el PGA para el período de retorno seleccionado.

Fa Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de período cortó. Amplifica las ordenadas del espectro elástico de respuesta de aceleraciones para diseño en roca, considerando los efectos de sitio

Fd Coeficiente de amplificación de suelo. Amplifica las ordenadas del espectro elástico de respuesta de desplazamientos para diseño en roca, considerando los efectos de sitio

Fs Coeficiente de amplificación de suelo. Considera el comportamiento no lineal de los suelos, la degradación del período del sitio que depende de la intensidad y contenido de frecuencia de la excitación sísmica y los

desplazamientos relativos del suelo, para los espectros de aceleraciones y desplazamientos.

Sa Espectro de respuesta elástico de aceleraciones (expresado como fracción de la aceleración de la gravedad g). Depende del período o modo de vibración de la estructura

(37)

17

Dicho espectro, que obedece a una fracción de amortiguamiento respecto al crítico de 5%, se obtiene mediante las siguientes ecuaciones, válidas para períodos de vibración estructural T pertenecientes a 2 rangos:2

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 34)  Para los valores de η la norma indica varios valores que se presentan en la

tabla 6, dichos valores se determinaron para cada provincia representando la relación Sa/Z en roca.

2_{(Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 34)}

Sa=𝜼Z𝑭𝒂 para 0 ≤ T ≤ Tc 𝑺𝒂 = 𝛈𝐙𝐅𝐚 (𝑻𝒄 𝑻) 𝒓 para T > Tc Dónde:

r Factor usado en el espectro de diseño elástico, cuyos valores dependen de la ubicación geográfica del proyecto

r = 1para todos los suelos, con excepción del suelo tipo E r = 1.5para tipo de suelo E.

TC Período límite de vibración en el espectro sísmico elástico de aceleraciones

que representa el sismo de diseño

Z Aceleración máxima en roca esperada para el sismo de diseño, expresada como fracción de la aceleración de la gravedad.

(38)

18

Tabla 6 Valores para η con respecto a las regiones del Ecuador

PROVINCIAS VALORES PARA η

Provincias de la Costa ( excepto Esmeraldas),

1.80

Provincias de la Sierra, Esmeraldas y Galápagos

2.48

Provincias del Oriente 2.60

 Para los límites de los periodos de vibración Tc y TL se calcula mediante:

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, págs. 34-35) 𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟓𝟓𝑭𝒔𝑭𝒅

𝑭𝒂 𝑺𝒂 = 𝟐. 𝟒 𝐅𝐝 Dónde:

Fd Coeficiente de amplificación de suelo. Amplifica las ordenadas del espectro elástico de respuesta de desplazamientos para diseño en roca, considerando los efectos de sitio.

Fs Coeficiente de amplificación de suelo. Considera el comportamiento no lineal de los suelos, la degradación del período del sitio que depende de la intensidad y contenido de frecuencia de la excitación sísmica y los desplazamientos relativos del suelo, para los espectros de aceleraciones y desplazamientos

𝐓c Es el período límite de vibración en el espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el sismo de diseño.

𝐓𝐋 Es el período límite de vibración utilizado para la definición de espectro de respuesta en desplazamientos.

(39)

19

 Para análisis dinámico y, únicamente para evaluar la respuesta de los modos de vibración diferentes al modo fundamental, el valor de Sa debe evaluarse mediante la siguiente expresión, para valores de período de vibración menores a T0:

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 35) 𝑺𝒂 = 𝒁 𝑭𝒂 [𝟏 + (𝛈 − 𝟏) 𝑻

𝑻𝒐] Para T ≤ To 𝑻𝒐 = 𝟎. 𝟏𝟎 𝑭𝒔𝑭𝒅

𝑭𝒂

Dónde:

Fd Coeficiente de amplificación de suelo. Amplifica las ordenadas del espectro elástico de respuesta de desplazamientos para diseño en roca, considerando los efectos de sitio

Fs Coeficiente de amplificación de suelo. Considera el comportamiento no lineal de los suelos, la degradación del período del sitio que depende de la intensidad y contenido de frecuencia de la excitación sísmica y los desplazamientos relativos del suelo, para los espectros de aceleraciones y desplazamientos

Sa Es el espectro de respuesta elástico de aceleraciones (expresado como fracción de la aceleración de la gravedad g). Depende del período o modo de vibración de la estructura.

T Período fundamental de vibración de la estructura

T0 Es el período límite de vibración en el espectro sísmico elástico de

aceleraciones que representa el sismo de diseño

Sa Espectro de respuesta elástico de aceleraciones (expresado como fracción de la aceleración de la gravedad g). Depende del período o modo de vibración de la estructura

Z Aceleración máxima en roca esperada para el sismo de diseño, expresada como fracción de la aceleración de la gravedad g.

(40)

20 2.3. Metodología del Diseño sismo resistente.

Como se mencionó anteriormente existen diferentes parámetros a tomar en cuenta para realizar un adecuado diseño de acuerdo a las exigencias de la Norma Ecuatoriana de la Construcción, mediante esto se pretende realizar estructuras seguras con criterios sismo resistente, así mismo para el caso de evaluación de estructuras es importante tomar en cuenta estas especificaciones que permitirán determinar si la estructura evaluada posee o no los criterios necesarios para brindar seguridad a sus ocupantes frente a la acción de un evento sísmico.

A continuación se describen la metodología que se deberá tomar en cuenta tanto para el diseño como para el caso de la evaluación como es el caso del proyecto que estamos desarrollando.

2.3.1. Categoría de edificio y coeficiente de importancia.

El coeficiente de importancia es un factor que se enfoca en una categorización en función del uso, destino e importancia de la estructura, como su nombre lo indica brindar más importancia a estructuras que ante la presencia de un evento extremo deberán permanecer funcionales y brindando seguridad a sus ocupantes.

Por medio de la categorización de la estructura se determina el coeficiente de importancia, mismo que está ligado directamente al tipo de uso que se le va a dar a la edificación, y en función de esto debe ser seleccionado.

Este coeficiente de importancia I se lo expresa en la tabla 7 donde se indica la categoría de la estructura, su tipo de uso, destino e importancia y su respectivo coeficiente de asignado.

(41)

21

Tabla 7 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura

Categoría Tipo de uso, destino e importancia Coeficiente I Edificacione

s esenciales

Hospitales, clínicas, Centros de salud o de emergencia sanitaria. Instalaciones militares, de policía, bomberos, defensa civil. Garajes o estacionamientos para vehículos y aviones que atienden emergencias. Torres de control aéreo. Estructuras de centros de telecomunicaciones u otros centros de atención de emergencias. Estructuras que albergan equipos de generación y distribución eléctrica. Tanques u otras estructuras utilizadas para depósito de agua u otras substancias anti-incendio. Estructuras que albergan depósitos tóxicos, explosivos, químicos u otras substancias peligrosas.

1.5

Estructuras de

ocupación especial

Museos, iglesias, escuelas y centros de educación o deportivos que albergan más de trescientas personas. Todas las estructuras que albergan más de cinco mil personas. Edificios públicos que requieren operar continuamente

1.3

Otras estructuras

Todas las estructuras de edificación y otras que no clasifican dentro de las categorías anteriores.

1.0

2.3.2. Filosofía del diseño sismo resistente.

La filosofía del diseño sismo resistente se enfoca en garantizar la vida de los ocupantes de las edificaciones brindando un alto nivel de seguridad, permitir la continuidad en el funcionamiento de los servicios básicos y poder disminuir los daños que pueda producirse en la edificación ante la presencia de un evento es por sísmico.

(42)

22

Es por ello que la Norma Ecuatoriana de la Construcción indica que la filosofía de diseño permite la comprobación del nivel de seguridad de vida.

Un diseño estructural debe ser realizado para el sismo de diseño, evento sísmico que se conoce tendrá una probabilidad de excedencia de 10% en 50 años y equivale a un periodo de retorno de 475 años como anteriormente se describió.

De acuerdo a esto a esto en la Tabla 8 se puede observar los objetivos que busca cumplir esta filosofía de diseño sismo resistente de acuerdo al tipo de terremoto al que podría estar sometida la edificación.

Tabla 8 Objetivos de la Filosofía del Diseño sismo resistente

TIPO DE TERREMOTOS OBJETIVO

Terremotos pequeños y frecuentes Prevenir daños en elementos no estructurales y estructurales

Terremotos moderados y poco frecuentes

Prevenir daños estructurales graves y controlar daños no estructurales

Terremotos severos Evitar el colapso y procurando salvaguardar la vida de sus ocupantes Elaborado: Andrea Ruales.

La filosofía del diseño sismo resistente se consigue cuando se diseña la estructura para que cumpla con los siguientes parámetros:

 Capacidad para resistir las fuerzas que se especifican en la Norma Ecuatoriana de la Construcción.

 Las derivas de piso que se presenten ante las solicitaciones de cargas sean inferiores a las admisibles.

 Mediante las técnicas de diseño por capacidad o por medio de dispositivos de control sísmico la estructura pueda disipar energía de deformación inelástica.

(43)

23

2.3.3. Límites permisibles de las derivas de piso.

Para realizar un análisis es importante principalmente conocer el concepto de deriva de piso, que es el desplazamiento lateral relativo de un piso que es producido por una fuerza horizontal con respecto al piso consecutivo, el mismo que será medido en dos puntos ubicados en la misma línea vertical de la edificación.

El cálculo se lo realiza mediante la resta del desplazamiento del extremo superior con respecto al desplazamiento del extremo inferior del piso.

Es por ello que la Norma Ecuatoriana de la Construcción indica valores máximos de deriva de cualquier piso de una estructura, que no deberá exceder los límites de la deriva inelástica, estos valores se expresan a manera de porcentaje con respecto a la altura de piso, valores se exponen en la tabla 9.

Tabla 9 Valores de ΔM máximos, expresados como fracción de la altura de piso

Estructura de: ΔΜ máxima (sin unidad)

Hormigón armado, estructuras metálicas y de madera

0.02

De mampostería 0.01

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 40) 2.3.4. Factores importantes en estructuras.

A más de los parámetros ya mencionados en diseño se deberá seleccionar configuraciones estructurales adecuadas, en lo que respecta a evaluación definir mediante inspecciones, planos, todos los factores estructurales que se presentan y definir los coeficientes correspondientes a la edificación estudiada, a continuación se describen los elementos que la norma indica se debe dar importancia en las estructuras.

Configuración Estructural

Según la Norma Ecuatoriana de la construcción (2015) determina que el diseño de las estructuras debe buscar una configuración de modo que el comportamiento de

(44)

24

la edificación sea el adecuado si se encuentra ante la presencia de un sismo, este comportamiento se logra mediante un diseño simple y regular como se indica en la tabla 10, para configuraciones estructurales que poseen diseños mucho más complejos como son: cambios abruptos de rigidez y resistencia como se indica en la tabla 11, los cuales no son recomendables ya que acumulan daños en la ductilidad global del sistema estructural global.

Tabla 10 Configuraciones Estructurales Recomendables

CONFIGURACIÓN EN

ELEVACIÓN ϕ

Ei

=1

CONFIGURACIÓN EN

PLANTA ᶲ

Pi

=1

La altura de entrepiso y la configuración vertical de sistemas aporticados, es constante en todos los niveles. φEi=1 La configuració n en planta ideal en un sistema estructural es cuando el Centro de Rigidez es semejante al Centro de Masa. φPi=1 La dimensión del muro permanece constante a lo largo de su altura o varía de forma proporcional. φEi=1

(45)

25

Tabla 11 Configuraciones Estructurales No Recomendables

IRREGULARIDADES EN ELEVACIÓN IRREGULARIDADES EN

PLANTA Ejes verticales discontinuos o muros soportados por columnas. La estructura se considera irregular no recomendada cuando existen desplazamientos en el alineamiento de elementos verticales del sistema resistente, dentro del mismo plano en el que se encuentran, y estos desplazamientos son mayores que la dimensión horizontal del elemento. Piso débil-Discontinuidad en la resistencia. La estructura se considera irregular no recomendada cuando la resistencia del piso es menor que el 70% de la resistencia del piso inmediatamente

superior, (entendiéndose por resistencia del piso la suma de las resistencias de todos los

elementos que

comparten el cortante del piso para la dirección considerada).

Columna corta Se debe evitar la presencia de columnas cortas, tanto en el diseño como en la construcción de las estructuras.

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 49) Desplazamiento de los planos de acción de elementos vertical. Una estructura se considera irregular no recomendada cuando existen

discontinuidades en los ejes verticales, tales como desplazamientos del plano de acción de elementos verticales del sistema resistente.

(46)

26 Regularidad en planta y elevación

Para estructuras irregulares tanto en planta como en elevación, se dispone el uso de coeficientes de configuración estructural, que según la norma “penalizan” al diseño a fin de tomar en cuenta estas irregularidades, que son responsables del comportamiento estructural deficiente ante la presencia de un sismo. Dichos coeficientes se presentan en la Tabla 12 y Tabla 13.

Estos coeficientes de configuración estructural incrementan el valor del cortante de diseño, con la intención de brindar una mayor resistencia a la estructura, aun así no evita el posible comportamiento sísmico deficiente de la edificación, por dicha razón se debe evitar la presencia de la irregularidades mencionadas.

Tabla 12 Coeficientes de irregularidad en planta

Tipo 1 - Irregularidad torsional

φPi=0.9

Existe irregularidad por torsión, cuando la

máxima deriva de piso de un extremo de la estructura calculada incluyendo la torsión accidental y medida perpendicularmente aun eje determinado, es mayor que 1,2 veces la deriva promedio de los extremos de la estructura con respecto al mismo eje de referencia. La torsión accidental se define en el numeral 6.4.2 del presente código.

Tipo 2 - Retrocesos excesivos en las esquinas φPi=0.9 A > 0.15B y C > 0.15D

La configuración de una estructura se considera irregular cuando presenta entrantes excesivos en sus esquinas. Un entrante en una esquina se considera excesivo cuando las proyecciones de la estructura, a ambos lados del entrante, son mayores que el 15%de la dimensión de la planta de la estructura en la dirección del entrante.

∆= 1.2(∆1 + ∆2)

(47)

27 Cont Tipo 3 -Discontinuidades en el sistema de piso φPi=0.9

a) CxD > 0.5AxB

b) [CxD + CxE] > 0.5AxB

La configuración de la estructura se considera irregular cuando el sistema de piso tiene discontinuidades apreciables o variaciones significativas en su rigidez, incluyendo las causadas por aberturas, entrantes o huecos, con áreas mayoresal50%deláreatotaldelpisooconcambiosenla rigidezenelplanodelsistemadepisodemásdel50%entre niveles consecutivos.

Tipo 4 - Ejes estructurales no paralelos φPi=0.9

La estructura se considera irregular cuando los ejes estructurales no son paralelos o simétricos con respecto a los ejes ortogonales principales de la estructura.

La descripción de estas irregularidades no faculta al calculista o diseñador a considerarlas como normales, por lo tanto la presencia de estas irregularidades requiere revisiones estructurales adicionales que garanticen el buen comportamiento local y global de la edificación.

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-SE-DS, 2015, pág. 50) En la tabla 13 muestra los tipos de irregularidades en elevación que se podrían presentar con sus respectivos coeficientes estructurales representación con ϕE.

(48)

28

Tabla 13 Coeficientes de irregularidad en elevación Tipo 1 - Piso flexible φEi=0.9 Rigidez Kc <

0.70

Rigidez < 0.80(𝑘𝐷 + 𝐾𝑅 + 𝐾𝐹) 3

La estructura se considera irregular cuando la rigidez lateral de un piso es menor que el70%de larigidezlateraldelpisosuperioromenorqueel80% delpromediodelarigidezlateraldelostres pisos superiores.

Tipo 2 - Distribución de masa φEi=0.9

mD > 1.50 mE ó mD > 1.50 mC

La estructura se considera irregular cuando la masa de cualquier piso es mayor que 1,5 veces la masa de uno de los pisos adyacentes, con

excepción del piso de cubierta que sea más liviano que el piso inferior.

Tipo 3 - Irregularidad geométrica φEi=0.9

a > 1.3 b

La estructura se considera irregular cuando la dimensión en planta del sistema resistente en cualquier piso es mayor que1,3 veces la misma dimensión en un piso adyacente, exceptuando el caso de los altillos de un solo piso.

Nota: La descripción de estas irregularidades no faculta al calculista o diseñador a considerarlas como normales, por lo tanto la presencia de estas irregularidades requiere revisiones estructurales adicionales que garanticen el buen

comportamiento local y global de la edificación.