UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
Facultad de Ingeniería Civil
TESIS
COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE UN EDIFICIO ALTO CON SISTEMA ESTRUCTURAL NO CONVENCIONAL APLICANDO EL DISEÑO BASADO POR
DESEMPEÑO, LIMA
PRESENTADA POR:
RAU LINO, WILDER CIRILO
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO CIVIL
Huancayo–Perú 2023
...
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
INFORME N° 008-2022-RDST-AST-FIC/UNCP
A : Dr. TITO MALLMA CAPCHA
Decano de la Facultad de Ingeniería Civil
DE : Dr. RONALD DANIEL SANTANA TAPIA
Asesor de Tesis
ASUNTO : Reporte de similitud y originalidad de Software TURNITIN INTERESADO : Bach. Wilder Cirilo RAU LINO
FECHA : C.U., 15 de diciembre de 2022
Mediante el presente tengo el grato honor de dirigirme a su despacho, para informar sobre el reporte de similitud y originalidad del software anti plagio turnitin de la tesis:
“COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE UN EDIFICIO ALTO CON SISTEMA ESTRUCTURAL NO CONVENCIONAL APLICANDO EL DISEÑO BASADO POR DESEMPEÑO, LIMA”, desarrollado por el Bach. Wilder Cirilo RAU LINO, donde informo que el porcentaje de similitud es de 25%, el cual adjunto, y que está dentro de los límites que exige el Reglamento de Investigación.
Agradeciendo la atención que brinde a la presente, y reiterándole mis cordiales saludos quedo de usted.
Atentamente:
________________________________
Dr. SANTANA TAPIA, Ronald Daniel Asesor de Tesis
25 %
INDICE DE SIMILITUD
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FUENTES DE INTERNET
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PUBLICACIONES
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TRABAJOS DEL ESTUDIANTE
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COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE UN EDIFICIO ALTO CON SISTEMA ESTRUCTURAL NO CONVENCIONAL APLICANDO EL DISEÑO BASADO POR DESEMPEÑO, LIMA
INFORME DE ORIGINALIDAD
FUENTES PRIMARIAS
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Dimitrios G. Lignos, Alexander R. Hartloper, Ahmed Elkady, Gregory G. Deierlein, Ronald Hamburger. "Proposed Updates to the ASCE 41 Nonlinear Modeling Parameters for Wide- Flange Steel Columns in Support of
Performance-Based Seismic Engineering", Journal of Structural Engineering, 2019
Publicación
Submitted to Universidad Andina del Cusco
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VERÓNICA MARÍA LLOPIS PULIDO. "La Catedral de Valencia: construcción y
estructura. Análisis del Cimborrio", Universitat Politecnica de Valencia, 2014
Publicación
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DEDICATÓRIA
En memoria de mis queridos abuelos Leoncio Lino Cosme y Adriana Lavado Rimari
AGRADECIMENTOS
A mi madre Reyna Lino por su apoyo y amor incondicional, a mis hermanos y mi pequeña hija que siempre están presentes y me alentaron a cumplir este objetivo.
Al ing. Ronald Santana Tapia por su apoyo y asesoramiento recibido y a todos los docentes de la Facultad De Ingeniería Civil De La Universidad Nacional Del Centro Del Perú que siempre nos alientan a ser buenos profesionales.
INDICE GENERAL
CAPITULO I 19
1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ... 19
1.1. Planteamiento del problema... 19
1.2. Formulación del problema ... 21
1.3. Formulación del objetivo ... 21
1.4. Justificación ... 21
1.5. Delimitación... 22
1.6. Formulación De Hipótesis ... 24
CAPITULO II 25 2. MARCO TEORICO... 25
2.1. Antecedentes ... 25
2.2. Bases Teóricas ... 27
2.3. Definición de Términos Básicos ... 74
CAPITULO III 76 3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ... 76
3.1. Método de la investigación ... 76
3.2. Enfoque de la investigación ... 76
3.3. Tipo de investigación ... 76
3.4. Nivel de la investigación... 76
3.5. Diseño de la investigación ... 77
3.6. Población y muestra ... 77
3.6.1. Población ... 77
3.6.2. Muestra ... 77
3.7. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ... 78
3.7.1. Técnica... 78
3.7.2. instrumentos... 78
3.8. Técnicas de análisis y procesamiento de datos ... 78
3.9. Procedimiento metodológico ... 78
CAPITULO IV 80 4. ANÁLISIS Y DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN ... 80
4.1. Descripción general del edificio alto ... 80
4.2. Normatividad ... 81
4.3. Descripción de los componentes estructurales ... 81
4.3.1. Columnas ... 82
4.3.2. Diagrid ... 83
4.3.3. Vigas collar... 83
4.3.4. Vigas principales ... 83
4.3.5. Vigas y losas postensadas... 83
4.3.6. Núcleo central... 83
4.3.7. Diafragmas... 84
4.4. Proceso de diseño de un edificio alto... 84
4.5. Análisis y diseño de acuerdo a los requisitos de la N.T.E. E.030-2019 ... 85
4.5.1. Modelamiento estructural ... 85
4.5.2. Características de los materiales:... 86
4.5.3. Dimensiones de los elementos... 87
4.5.4. Cargas gravitacionales ... 89
4.5.4.1. Carga muerta ... 89
4.5.4.2. Carga viva ... 91
4.5.5. Cargas sísmicas... 91
4.5.5.1. Parámetros para la estimación de la fuerza sísmica... 91
4.5.6. Irregularidades ... 95
4.5.6.1. Irregularidad en altura (Ia)... 95
4.5.6.2. Irregularidad en planta (Ip) ... 96
4.5.7. Restricciones a las Irregularidades ... 96
4.5.8. Estimación del peso Sísmico ... 96
4.5.9. Análisis Dinámico Modal Espectral ... 96
4.5.9.1. Análisis modal ... 97
4.5.9.2. Espectro de pseudo-aceleraciones sísmicas de diseño... 97
4.5.10. Disposiciones especiales para análisis de edificios altos ... 98
4.5.10.1. Iteración suelo estructura ... 98
4.5.10.2. Amortiguamiento viscoso estructural equivalente... 99
4.5.10.3. Índice de estabilidad del edificio considerando el Efecto P- Delta ... 99
4.5.10.4. Análisis no lineal de secuencia constructiva... 101
4.5.11. Verificación del sistema estructural... 102
4.5.12. Fuerza cortante mínima... 103
4.5.13. Excentricidad inherente ... 104
4.5.14. Excentricidad Accidental ... 104
4.5.15. Efectos de sismo en la dirección vertical ... 105
4.5.16. Requisitos de rigidez... 105
4.5.16.1. Control de Desplazamientos Laterales... 105
4.5.17. Requisitos de resistencia ... 106
4.5.17.1. Resistencia Requerida ... 107
4.5.17.3. Diseño de elementos diagrid ... 107
4.5.17.4. Diseño de Columnas ... 108
4.5.17.5. Diseño de vigas collar ... 109
4.5.17.6. Diseño de muros del núcleo central ... 110
4.5.17.7. Diseño de Vigas Principales ... 111
4.5.17.8. Diseño de Vigas Perimetrales ... 112
4.5.17.9. Diseño de vigas de acople... 113
4.6. Evaluación del desempeño estructural de edificios altos... 114
4.6.1. Definición de los niveles de amenaza sísmica... 114
4.6.2. Análisis dinámico lineal de historia de respuesta frente a un SLE... 115
4.6.2.1. Modelo y análisis estructural ... 115
4.6.2.2. Procedimiento de Análisis ... 116
4.6.2.3. Peligro sísmico SLE... 116
4.6.2.4. Registros de aceleración ... 116
4.6.2.5. Selección de registros sísmicos... 117
4.6.2.6. Corrección de Acelerogramas... 120
4.6.2.7. Proceso de escalado espectral ... 120
4.6.2.8. Rigidez efectiva frente a un SLE ... 130
4.6.2.9. Análisis tiempo historia lineal elástico ... 131
4.6.2.10. Combinación de carga: análisis de historia de respuesta lineal ... 131
4.6.2.11. Caso de carga Modal Lineal Tiempo Historia en Etabs ... 132
4.6.2.12. Revisión de los criterios de aceptación ... 133
4.6.3. Análisis no lineal Tiempo–Historia frente a un MCE ... 134
4.6.3.1. Modelamiento para el análisis no lineal... 134
4.6.3.2. Efecto torsional ... 134
4.6.3.3. No linealidad de los materiales ... 135
4.6.3.4. Rigidez efectiva frente a un nivel de sismo MCE... 138
4.6.3.5. Modelamiento no lineal utilizando el enfoque de plasticidad distribuida ... 139
4.6.3.5.1. Modelamiento secciones fibras para muros ... 140
4.6.3.5.2. Modelamiento secciones fibras para los diagrid. ... 142
4.6.3.5.3. Modelamiento secciones fibras para las columnas ... 143
4.6.3.5.4. Modelamiento secciones fibras para vigas collar... 144
4.6.3.6. Modelamiento no lineal bajo el enfoque de plasticidad concentrada ... 145
4.6.3.6.1. Modelamiento de rótulas plásticas en vigas principales ... 145
4.6.3.7. Modelamiento de rótulas plásticas en vigas de acople ... 146
4.6.3.8. Análisis dinámico no lineal Tiempo - Historia ... 148
4.6.3.8.1. Procedimiento de Análisis... 148
4.6.3.8.2. Peligro sísmico MCE ... 148
4.6.3.8.3. Selección de registros sísmicos ... 149
4.6.3.8.4. Proceso de escalado espectral ... 149
4.6.3.8.5. Caso de carga Modal No Lineal Tiempo Historia en Etabs ... 156
4.6.3.9. Revisión de los criterios de aceptación para un MCE ... 157
CAPITULO V 158 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 158
5.1. Resultados del Análisis de Respuesta Lineal Tiempo–Historia ... 158
5.1.1. Fuerza de corte en el edificio... 158
5.1.2. Evaluación de la Sensibilidad torsional... 159
5.1.3. Desplazamiento lateral ... 161
5.1.4. Límites de deriva ... 162
5.1.5. Aceleración máxima de piso frente a un SLE ... 163
5.2. Resultados del Análisis de Respuesta No Lineal Tiempo–Historia... 164
5.2.1. Fuerza de corte en el edificio... 164
5.2.2. Verificación de la Respuesta torsional ... 165
5.2.3. Desplazamiento lateral transitorio ... 166
5.2.4. Límites de deriva transitoria ... 167
5.2.5. Límites de deriva residual... 168
5.2.6. Aceleración máxima de piso frente a MCE... 169
5.2.7. Estabilidad al Volteo del Edificio... 170
5.3. Desempeño global del edificio... 172
5.3.1. Control del desempeño a prevención de colapso (CP) ... 173
CONCLUSIONES 177
BIBLIOGRAFIA 179
ANEXOS 183
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Edificio El Cubo, Beirut (Líbano) ...20
Figura 2 Izquierda: Torre Cristal. Derecha: el edificio del Centro Sanitario la Paz ...28
Figura 3 200 edificios más altos del mundo ...29
Figura 4 Edificio Marina Bay Sands (Singapur), Edificio CCTV China (Beijing, China) ....30
Figura 5 John Hancock Center in Chicago, USA (estructura de acero) ...31
Figura 6 Torres Petronas in Kuala Lumpur, Malasia (concreto de alta resistencia)...32
Figura 7 Módulo de elasticidad frente a la resistencia del concreto ...33
Figura 8 Esquema del sistema pórticos resistente a momentos ...36
Figura 9 Esquema del sistema pórticos arriostrados concéntricamente ...36
Figura 10 Esquema del sistema pórticos arriostrados excéntricamente ...37
Figura 11 Comportamiento del sistema estructural tipo tubo...38
Figura 12 Comportamiento del sistema estructural tipo tubo múltiple ...38
Figura 13 Sistema estructural tipo tubo arriostrado...39
Figura 14 (a) esquema de trabajo del sistema outrigger (b) Control de fuerzas de volteo con el sistema outrigger, (c) Interacción de núcleo central - sistema outrigger ...39
Figura 15 (a)Vista panorámica Doha Tower (Doha, Qatar), (b) Vistas del diagrid durante el proceso constructivo ...41
Figura 16 (a) Modulación triangular del sistema diagrid, (b) configuración tridimensional del sistema diagrid y del núcleo interno ...42
Figura 17 (a), fuerza de corte acumulado, (b) momento de volteo...42
Figura 18 Esquema de la deflexión causada por la aplicación de una fuerza externa (a) estructura con base fija, y (b) estructura con base flexible ...43
Figura 19 Efecto de la flexibilidad y amortiguación de la cimentación sobre las fuerzas sísmica...44
Figura 20 Modelos alternativos que implantan el movimiento del suelo en edificios con sótano ...45
Figura 21 Efecto backstay en edificios altos ...46
Figura 22 Amortiguación viscosa equivalente frente a la altura de las edificaciones ...49
Figura 23 Dirección de entrada del espectro sísmico considerando el efecto de la bidireccionalidad sísmica...50
Figura 24 Modelo de Mander ...56
Figura 25 Eficiencia del núcleo confinado: (a) secciones circulares, (b) secciones rectangulares ...57
Figura 26 Curva esfuerzo-deformación del acero sometido a tensión...58
Figura 27 Modelos idealizados para elementos viga-columnas con respuesta inelástica...59
Figura 28 Deformación de un elemento de concreto armado a flexión...60
Figura 29 Relación momento curvatura - momento rotación ...61
Figura 30 Longitud de la zona plástica equivalente ...62
Figura 31 Modelo de plasticidad distribuida en una viga de concreto armado ...64
Figura 32 Modelo para un elemento viga o columna de concreto armado: (a) modelo de rótula plástica; (b) curva backbone, y (c) modelo de respuesta cíclica ...65
Figura 33 Modos de histéresis para distintos tipos de deterioro individuales ...66
Figura 34 Método del Espectro de capacidad (A) representación Sa–T, (B) representación Sa - Sd ...67
Figura 35 Concepto de la Curva de capacidad ...67
Figura 36 Determinación del punto de desempeño ...68
Figura 37 Idealización de un sistema de 1GDL...69
Figura 38 Respuesta modal del análisis de historia para un sistema elástico MDF ...72
Figura 39 Vista arquitectónica del edificio alto con sistema diagrid propuesto ...80
Figura 40 Estructuración de edificio alto con sistema diagrid y núcleo central (planta y elevaciones)...82
Figura 41 Modelamiento estructural en el software Etabs v20.3.0 ...86
Figura 42 Variación de la resistencia del concreto hacia la altura del edificio ...87
Figura 43 Espectro inelástico de pseudo aceleraciones para la zona - Microzonificación Sísmica del Distrito de San Borja, Lima...98
Figura 44 Análisis por secuencia constructiva ...101
Figura 45 Desplazamiento lateral máximo ...105
Figura 46 Deriva de entre piso máximo...106
Figura 47 Espectro de aceleraciones para el nivel de servicio (SLE)...116
Figura 48 Registro Acelerogramas Estación Parque de la Reserva (PQR). Sismo del 29/11/1971 ...118
Figura 49 Acelerogramas Estación Parque de la Reserva (PQR), Sismo del 17/10/1966....119
Figura 50 Acelerogramas Estación Surco (SCO). Sismo del 03/10/1974 ...120
Figura 51 Corrección por línea base de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (29/11/1971)...121
Figura 53 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (29/11/1971). F.E.=2.730 ...122 Figura 54 Escalado del registro SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(29/11/1971). F.E.=2.73...122 Figura 55 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú (29/11/1971). F.E.=2.730 ...123 Figura 56 Escalado del registro SLE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(29/11/1971). F.E.=2.730...123 Figura 57 Corrección por línea base de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(17/10/1966)...124 Figura 58 Corrección por línea base de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(17/10/1966)...124 Figura 59 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (17/10/1966). F.E.=1.260 ...125 Figura 60 Escalado del registro SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(17/10/1966). F.E.=1.260...125 Figura 61 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú (17/10/1966). F.E.=1.260 ...126 Figura 62 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú (17/10/1966). F.E.=1.260 ...126 Figura 63 Corrección por línea base de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(03/10/1974)...127 Figura 64 Corrección por línea base de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(03/10/1974)...127 Figura 65 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (03/10/1974). F.E.=0.743 ...128 Figura 66 Escalado del registro SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(03/10/1974) F.E.=0.743...128 Figura 67 Espectro de pseudo aceleraciones SLE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (03/10/1974). F.E.=0.743 ...129 Figura 68 Escalado del registro SLE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(03/10/1974). F.E.=0.743...129 Figura 69Definición del Caso de Carga Nolinear Estático ‘Gravedad’...132
Figura 70 Ejemplo definición del Caso Linear Time History por el método de Integración
Directa para el sismo de Lima 197, Estación Surco en la dirección E-W ...133
Figura 71 Curva esfuerzo-deformación de acero de refuerzo (modelo de Park) en Etabs ...135
Figura 72 Curva fuerza–deformación para el caso del concreto en Etabs (modelo de Mander)...136
Figura 73 Factor de degradación de energía para el concreto bajo carga cíclica ...136
Figura 74 Curva esfuerzo-deformación de concreto no confinado (f’c=350kg/cm2)...137
Figura 75 Curva esfuerzo-deformación de concreto no confinado (f’c=800kg/cm2)...137
Figura 76 Curva esfuerzo-deformación de concreto confinado (D7_80x80cm2 f`c=500kg/cm2) ...138
Figura 77 Modelado mediante fibras para un muro de concreto armado ...140
Figura 78 Asignación del acero de refuerzo para determinar las propiedades de rótula por fibras del núcleo central Ncl_50_f’c=800kg/cm2...141
Figura 79 Definición automática de una rótula plástica basado en el enfoque de fibras para el elemento muro del núcleo central Ncl_50_f’c=650kg/cm2...141
Figura 80 Modelado mediante fibras para una columna de concreto armado. ...142
Figura 81 Definición automática de una rótula plástica basado en el enfoque de fibras para el elemento diagrid D1_90x90_f’c=800kg/cm2...143
Figura 82 Definición automática de una rótula plástica basado en el enfoque de plasticidad distribuida para el elemento columna Cst3_140x100cm2_f’c=800kg/cm2...143
Figura 83 Modelado mediante fibras para vigas de concreto armado. ...144
Figura 84 Definición automática de una rótula plástica basado en el enfoque de fibras para el elemento Viga Collar Vco2_80x80_f’c=800kg/cm2...144
Figura 85 Definición automática de una rótula plástica basado en el enfoque de plasticidad concentrada para el elemento viga principal VN_40x80cm2_f’c=350kg/cm2...145
Figura 86 Definición automática de una rótula plástica basado en el enfoque de plasticidad para el elemento viga de acople (controlado por flexión) Vaco2_50x130_f’c=500kg/cm2.146 Figura 87Propiedades de la rótula para la viga de acople Vaco2_50x130_f’c=500kg/cm2 sometido a flexión (M3)...147
Figura 88 Rotación de cuerda para vigas de acoplamiento. ...147
Figura 89 Espectro de aceleraciones para un MCE. ...149 Figura 90 Factor de escala para MCE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
Figura 91 Escalado del registro para MCE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (29/11/1971). F.E.= 8.177...150 Figura 92 Factor de escala para MCE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(29/11/1971). F.E.= 8.177...151 Figura 93 Escalado del registro para MCE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú (29/11/1971). F.E.= 8.177...151 Figura 94 Factor de escala para MCE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(17/10/1966). F.E.=3.776...152 Figura 95 Escalado del registro para MCE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (17/10/1966). F.E.= 3.776...152 Figura 96 Factor de escala para MCE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(17/10/1966). F.E.= 3.776...153 Figura 97 Escalado del registro para MCE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú (17/10/1966). F.E.= 3.776...153 Figura 98 Factor de escala para MCE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú
(03/10/1974). F.E.=2.210...154 Figura 99 Escalado del registro para MCE de la componente E-W. Sismo de Lima, Perú (03/10/1974) F.E.= 2.210...154 Figura 100 Factor de escala para MCE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú
(03/10/1974). F.E.= 2.210...155 Figura 101 Escalado del registro para MCE de la componente N-S. Sismo de Lima, Perú (03/10/1974). F.E.= 2.210...155 Figura 102 Ejemplo definición del Caso NL T-H por el meto de integración directa para el sismo de Lima 1971, Estación Parque de la Reserva en la dirección E-W ...157 Figura 103 Fuerza de corte frente a un SLE hacia la altura del edificio alto. (a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...159 Figura 104Índice de torsión Ax’ frente a un SLE hacia la altura del edificio alto. (a)
Dirección X y, (b) Dirección Y...160 Figura 105 Desplazamientos lateral máximos frente a un SLE hacia la altura del edificio alto.
(a) Dirección X, y (b) Dirección Y ...161 Figura 106 Derivas máximas frente a un SLE (a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...162 Figura 107 Aceleración de piso hacia la altura del edificio frente a un SLE. (a) Dirección X y (b) Dirección Y ...163
Figura 108 Fuerza de corte frente a un MCE hacia la altura del edificio alto. (a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...164 Figura 109 Ratio de desplazamientos máximos en esquinas opuestas frente a un MCE hacia la altura del edificio alto. (a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...165 Figura 110 Desplazamientos lateral máximos frente a un MCE hacia la altura del edificio alto. (a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...166 Figura 111 Derivas Transitorias Máximas frente a un MCE hacia la altura del edificio alto.
(a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...167 Figura 112 Deriva residual máxima frente a un MCE hacia la altura del edificio alto ...169 Figura 113 Aceleración de piso máximo frente a un MCE hacia la altura del edificio (a) Dirección X y, (b) Dirección Y...170 Figura 114 Momento de volteo hacia la altura del edificio frente a un MCE. (a) Dirección X y, (b) Dirección Y ...171 Figura 115 Definición de la opción Performance Check en Etabs tomando los valores
máximos...172 Figura 116 Relación (D/C) para nivel de desempeño de CP, Sismo W-E Lima 1966. (a) rendimiento del diagrid, columnas y vigas (b) rendimiento del núcleo central...173 Figura 117 Relación (D/C) para nivel de desempeño de CP, Sismo N-S Lima 1966. (a) rendimiento del diagrid, columnas y vigas (b) rendimiento del núcleo central...174 Figura 118 Relación (D/C) para nivel de desempeño de CP, Sismo W-E Lima 1971. (a) rendimiento del diagrid, columnas y vigas (b) rendimiento del núcleo central...174 Figura 119 Relación (D/C) para nivel de desempeño de CP, Sismo N-S Lima 1971. (a) rendimiento del diagrid, columnas y vigas (b) rendimiento del núcleo central...175 Figura 120 Relación (D/C) para nivel de desempeño de CP, Sismo W-E Lima 1974. (a) rendimiento del diagrid, columnas y vigas (b) rendimiento del núcleo central...175 Figura 121 Relación (D/C) para nivel de desempeño de CP, Sismo N-S Lima 1974. (a) rendimiento del diagrid, columnas y vigas (b) rendimiento del núcleo central...176
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Resistencias del concreto utilizados en el proyecto ...86 Tabla 2 Cuadro columnas ...88 Tabla 3 Cuadro diagrid ...88 Tabla 4 Cuadro Muros ...88 Tabla 5 Cuadro vigas de acople ...89 Tabla 6 Cuadro de vigas...89 Tabla 7 Peso Propio ...90 Tabla 8 Carga permanente ...90 Tabla 9 Carga viva ...91 Tabla 10 Factor de zonificación sísmica...92 Tabla 11 Perfil de suelo para el proyecto...92 Tabla 12 Factor de Suelo ...93 Tabla 13 parámetros de sitio ...93 Tabla 14 Factor de amplificación sísmica...93 Tabla 15 Factor de importancia y factor de uso...94 Tabla 16 Irregularidad en altura...95 Tabla 17 Irregularidad en planta ...96 Tabla 18 Índice de estabilidad para el edificio alto ...100 Tabla 19 Verificación de la responsabilidad sísmica del sistema Diagrid...102 Tabla 20 Verificación de la cortante estática por encima del podio ...103 Tabla 21 Fuerza cortante mínima y factor de escala...104 Tabla 22 Distribución de acero de refuerzo longitudinal y transversal en elementos diagrid ...108 Tabla 23 Distribución de acero de refuerzo longitudinal y transversal en elementos columna ...109 Tabla 24 Distribución de acero de refuerzo longitudinal y transversal en viga collar...110 Tabla 25 Distribución de acero de refuerzo en núcleo central...111 Tabla 26 Distribución de acero de refuerzo longitudinal y transversal en vigas principales 112 Tabla 27 Distribución de acero de refuerzo longitudinal y transversal en vigas perimetrales ...113 Tabla 28 Distribución de acero de refuerzo longitudinal y transversal en vigas de acople ..113 Tabla 29 Niveles de amenaza sísmica...115 Tabla 30 Datos técnicos del evento sísmico Lima (29/11/1971) ...117
Tabla 31 Datos técnicos del evento sísmico Lima (17/10/1966) ...118 Tabla 32 Datos técnicos del evento sísmico Lima (03/10/1974) ...119 Tabla 33 Registro Símicos escalados a un SLE ...130 Tabla 34 Rigideces efectivas para el modelado no lineal de la estructura frente a SLE ...130 Tabla 35 Rigideces efectivas para el modelado no lineal de la estructura frente a un MCE 139 Tabla 36 Registro Símicos escalados a un MCE ...156
RESUMEN
El propósito del presente trabajo es conocer cuál es el comportamiento sísmico de un edificio alto con sistema estructural no convencional aplicando el diseño basado por desempeño. El tipo de investigación la investigación es aplicada, un nivel de la investigación explicativo y un diseño cuasiexperimental. Para el presente trabajo se idealizo un edificio de concreto armado de 48 pisos y 216m de altura empleando el sistema Diagrid. La técnica de recolección de datos es el análisis documental. La metodología que se realizó para el diseño inicial fue siguiendo los lineamientos de los códigos de diseño utilizando para ello un Análisis Lineal de Espectro de Respuesta ante un Sismo de Diseño (DE). Posteriormente, se procede a la etapa de verificación del desempeño, para ello se realizó Análisis Lineales y No Lineales Tiempo Historia sometiendo a la estructura ya diseñada a niveles de sismo de servicio (SLE) y un sismo máximo considerado (MCE). El primero nos permite demostrar que la estructura seguirá siendo elástica y no sufrirá ningún tipo de daño, mientras que el segundo nos permite controlar los daños que pudiera presentar la estructura donde se obtuvo la respuesta inelástica de la superestructura. Finalmente se comprobó que ante un sismo SLE la estructura propuesta cumple los criterios de aceptación de deriva y desplazamientos máximos. Para un sismo MCE la estructura cumple con los criterios de aceptación para derivas, desplazamientos y derivas residuales para este nivel de sismo además de permanecer estable con un daño aceptable ante un posible colapso mínimo.
Palabras claves: Comportamiento Sísmico, edificio alto, Sistema Estructural No Convencional, Desempeño Sísmico, Sismo de Diseño (DE), Sismo de servicio (SLE) y Sismo máximo considerado (MCE).
ABSTRACT
The purpose of this paper is to know the seismic behavior of a tall building with an unconventional structural system applying performance-based design. The type of research is applied research, an explanatory research level and a quasi-experimental design. For the present work, a reinforced concrete building with 48 floors and 216m high was idealized using the Diagrid system. The data collection technique is
documentary analysis. The methodology that was carried out for the initial design was efollowing the guidelines of the design codes using a Linear Analysis of the Response Spectrum before a Design Earthquake (DE). We proceed to the performance verification stage, for this Linear and Non-Linear Analysis was carried out Subsequently Time History, subjecting the already designed structure to service earthquake levels (SLE) and a maximum earthquake considered (MCE). The first allows us to demonstrate that the structure will remain elastic and will not suffer any type of damage, while the second allows us to control the damage that the structure could present where the inelastic response of the superstructure was obtained. Finally, it was verified that in the event of an SLE earthquake, the proposed structure meets the maximum drift and displacement acceptance criteria. For an MCE earthquake, the structure meets the acceptance criteria for derivations, displacements, and residual derivatives for this level of earthquake, in addition to remaining stable with acceptable damage in the event of a possible minimal collapse.
Key words: Seismic Behavior, tall building, Unconventional Structural System, Seismic Performance, Design Earthquake (DE), Service Earthquake (SLE) and Maximum Considered Earthquake (MCE).
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, los edificios altos son un componente fundamental en el desarrollo sostenible de las grandes ciudades, donde se busca que la población se concentre dentro de los entornos urbanos, buscando optimizar recursos energéticos y preservar el medio
ambiente.
Es en este punto donde el campo de la ingeniería estructural se hace necesario, ya que las nuevas tendencias arquitectónicas vanguardistas suelen tener más libertad en el diseño de estos edificios de altura, haciendo que la estética del edificio sea un factor de importancia, ocasionando muchas veces que el edificio carezca de criterios básicos de estructuración (simplicidad, simetría, uniformidad, etc.), y que son un verdadero reto para la ingeniería estructural. Todo este contexto envuelve la necesidad de aplicar los denominados sistemas estructurales no convencionales (aquellos que no son usados comúnmente en el ámbito de la construcción y que no han sido estudiados en los códigos), con el objetivo de mejorar el comportamiento sísmico y tener estructuras que sean más seguras y eficientes.
El diseño estructural de un edificio alto demanda obligatoriamente aplicar una metodología basada en desempeño, donde se pueda tener una mayor aproximación al comportamiento sísmico real del mismo para encontrar sus puntos más vulnerables. Someter a la estructura a un análisis lineal y no lineal tiempo-historia, que es en la actualidad el análisis más completo que existe, nos permite determinar la variación de la respuesta de la edificación en cualquier instante de tiempo, y que, a pesar de tener un costo computacional elevado, es el único que nos da una visión más amplia para realizar un diseño eficiente de una estructura compleja que es el caso de los edificios altos.
La presente investigación abarca todos los temas expuestos, donde se busca un diseño por desempeño de un edificio alto idealizado de 48 niveles y 216m de altura donde se emplea el sistema estructural no convencional diagrid, y que tiene como característica principal la configuración diagonal de sus elementos resistentes, proporcionando una mayor rigidez lateral a la estructura, reduciendo la materia prima y optimizando su eficiencia. El proyecto está ubicado en el distrito de San Borja, Lima, considerada una zona de alto riesgo sísmico según la N.T.E. E.030 Diseño Sismorresistente. Sin embargo, el problema principal
encontrado es que los códigos de diseño estructural no especifican adecuadamente criterios apropiados de modelado, análisis y aceptación para sistemas estructurales de los edificios altos, por lo que se vio necesario complementarlas según recomendaciones de diversos autores expertos en el tema, obteniendo finalmente la respuesta sísmica aceptable del edificio
alto y de todos sus componentes, verificando su buen desempeño para distintos niveles de amenaza sísmica.
El contenido del presente trabajo de investigación está dividido en los siguientes capítulos:
Capítulo I, se presenta el planteamiento de la investigación donde se enfatiza el planteamiento del problema, los objetivos, justificación, delimitación de la presente investigación y la formulación de las hipótesis.
Capítulo II, se muestra los fundamentos teóricos y antecedentes con referencia a la presente investigación. Se describen la información consultada sobre el diseño estructural de edificios altos en el mundo, concreto de alta resistencia y de los sistemas estructurales no
convencionales que mejora la respuesta sísmica y optimizan el uso de recursos en este tipo de edificaciones.
Capítulo III, se expone la metodología de investigación empleada que se empleó para el desarrollo de la presente investigación. Se muestran el tipo, nivel y diseño de la
investigación, además, se indica cual fue la población y la muestra tomada.
Capítulo IV, se presenta el desarrollo del proyecto de investigación con el análisis y diseño de la estructura que edificio alto para que cumpla con la filosofía de diseño sismorresistente.
Capítulo V, se da a conocer los resultados de la investigación, con el análisis y discusión del desempeño de un edificio alto utilizando un sistema estructural no convencional.
Por último, se presenta las conclusiones resultado de la investigación.
CAPITULO I 1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN
1.1. Planteamiento del problema
El crecimiento constante de las grandes ciudades en forma horizontal genera problemas como la reducción de áreas verdes y agrícolas. Por otro lado, genera problemas de acceso a los servicios básicos de la población, como hospitales, escuelas o mercados por el tiempo de traslado requerido de transporte a través de largas distancias ante la necesidad de traslado de un punto a otro sea un gran inconveniente. Todo esto nos lleva a que en la actualidad la mejor opción para las grandes cuidades es el crecimiento vertical a través de la construcción de edificios altos que nos permite aprovechar espacios pequeños, reducir el daño ambiental, respetar las áreas verdes, ahorro de tiempo al desplazarnos, dando lugar a un estilo de vida sostenible. Al respecto, también Gómez Hermoso (2014) menciona que:
En los próximos años y, muy posiblemente, en las próximas décadas, el concepto de sostenibilidad se convertirá, cada vez más, en un parámetro fundamental en el desarrollo de las grandes ciudades. Con una clara tendencia a la concentración de la población en entornos urbanos, y con la necesidad de optimizar el consumo energético y preservar el medio ambiente, donde las edificaciones en altura tendrán un evidente protagonismo. (Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, p. 12)
Sin embargo, en la actualidad, los verdaderos desafíos en el campo de la ingeniería estructural son planteados como resultado de las tendencias arquitectónicas
vanguardistas de los edificios altos, cuya virtud principal es tener el protagonismo en las grandes ciudades, obligando a los diseñadores dotarlas de característica que salen fuera de lo habitual priorizando a la creatividad y experimentación, el resultado viene marcado por edificios con ideas conceptuales inspiradas en la naturaleza con formas geométricas complejas como por ejemploel edificio “el cubo” (figura 1) ubicado en la cuidad de Beirut en el Libano, ganador del premio del mejor edificio alto del 2016 y que posee un sistema estructural no convencional materializado a partir del apilamiento de pares de vigas vierendeel (viga con forma de celosía ortogonal) paralelas alternadas en 90º de su dirección de un piso a otro.
Figura 1
Edificio El Cubo, Beirut (Líbano)
Nota: Tomado de https://www.archdaily.pe/pe/02-98001/el-cubo-orange-architects
Todo este contexto ha generado la construcción de edificaciones altas que obligan a buscar metodologías de diseño estructural más eficientes para alcanzar los objetivos del diseño arquitectónico y que llevan al ingeniero estructural a investigar sistemas
estructurales no convencionales, es decir las que usualmente no utilizamos para el diseño estructural y no están descritas en los reglamentos de diseño.
Al respecto Suárez Riestra (2011) define un sistema estructural como:
Un conjunto de elementos que individualmente y en forma conjunta soportan una carga determinada (vertical o de gravedad, horizontal de viento o de sismo), garantizando su resistencia y un comportamiento deseable.
También Lozano Ramírez (2013) afirma lo siguiente:
Una estructura no convencional, se refiere a aquel que no es usado comúnmente en el diseño y/o construcción, y que tiene un componente innovador frente al contexto nacional y el campo de la arquitectura e ingeniería estructural. (p. 11)
El problema principal encontrado para este tipo de edificaciones es que debido a que los aspectos dinámicos y mecánicos de la respuesta que controlan el comportamiento de los edificios altos son diferentes, y que las disposiciones actuales de los códigos de diseño estructural no especifican adecuadamente criterios apropiados de modelado, análisis y aceptación para sistemas estructurales de los edificios altos, criterios que además abordan la confiabilidad, la seguridad, preservación y funcionalidad (Pacific Earthquake
1.2. Formulación del problema 1.2.1. Problema General
¿Cuál es el comportamiento sísmico de un edificio alto con sistema estructural no convencional aplicando el diseño basado por desempeño?
1.2.2. problemas específicos
¿Cumplirá un edificio alto con sistema estructural no convencional con los requisitos de rigidez, resistencia y ductilidad?
¿Será viable el uso del sistema estructural no convencional de un edificio alto para zonas de alta amenaza sísmica?
¿Cuál es la Susceptibilidad del edificio alto con sistema estructural no convencional a los efectos de torsión?
¿Cumplirá con los objetivos de desempeño un edificio alto con sistema estructural no convencional para distintos niveles de demanda sísmica?
1.3. Formulación del objetivo 1.3.1. Objetivo General
Determinar el comportamiento sísmico de un edificio alto con sistema estructural no convencional aplicando el diseño basado por desempeño.
1.3.2. Objetivos Específicos
Verificar los requisitos de rigidez, resistencia y ductilidad de un edificio alto con sistema estructural no convencional.
Evaluar la viabilidad del sistema estructural no convencional de un edificio alto para zonas de alta amenaza sísmica.
Verificar la susceptibilidad del edificio alto con sistema estructural no convencional a los efectos de torsión.
Evaluar los objetivos de desempeño de un edificio alto con sistema estructural no convencional para distintos niveles de demanda sísmica.
1.4. Justificación
1.4.1. Metodológica
Si bien es cierto el objetivo de estudiar el desempeño de cualquier estructura más allá de sus límites elásticos es poder reducir probabilidad de colapso; para un edificio alto frente a un determinado nivel de sismo, vemos que el desempeño está en función no solo de la resistencia estructural, sino además de otros factores como la capacidad de deformación
no lineal, el sistema estructural, la intensidad y duración de movimiento telúrico, también la capacidad del grado de exactitud que tengamos al modelar toda la gama completa de deformaciones y parámetros no lineales que puedan conducir al colapso de la edificación.
Todo esto nos lleva a darnos cuenta que tales cálculos son en realidad muy complejas, ya que se basan en supuestos y simplificaciones que nos hacen pensar que solo podremos obtener valores con cierto nivel de confianza que nos permita predecir el real comportamiento de este tipo de estructuras.
En este contexto, el propósito de este proyecto de investigación consiste en desarrollar el análisis y diseño de un edificio alto con sistema estructural no convencional verificando su desempeño sísmico a través del análisis dinámico lineal y no lineal tiempo historia, aplicando las recomendaciones de diversos especialistas en el tema con la finalidad de que la edificación cumpla los requisitos de equilibrio, estabilidad, resistencia, funcionabilidad y sostenibilidad.
1.4.2. Práctica
El desarrollo de la investigación muestra las bondades del uso de los sistemas estructurales no convencionales, específicamente del sistema diagrid aplicado a un edificio alto con la finalidad de exponer lo sustancial del diseño por desempeño en este tipo de estructuras. La principal motivación del desarrollo de esta investigación es conocer la aplicación de los sistemas estructurales no convencionales en estructuras especiales como lo son los edificios altos, y que mediante un análisis exhaustivo de la estructura se lograría obtener la optimización de los recursos en su construcción y mejorar los resultados del comportamiento sísmico en comparación con los sistemas estructurales convencionales.
1.5. Delimitación 1.5.1. Conceptual
La investigación propuesta se encuentra enmarcada en el campo de la Ingeniería Civil, puntualmente en la especialidad de Estructuras.
El edificio en estudio constará de 5 sótanos y 48 pisos superiores con 216m de altura total, será de concreto armado y se empleará el concepto del sistema estructural diagrid.
No habiéndose realizado la evaluación del efecto del viento en la estructura, ya que además de escapar a los objetivos de la presente tesis, para el caso de los edificios altos las cargas de viento son fuerzas muy complejas de estimar; al respecto S. Franchini (2014) afirma lo siguiente:
En los edificios de baja altura, las cargas de viento pueden estimarse mediante las normativas de diseño donde la variación de la carga por la velocidad y turbulencias se estiman por medio de coeficientes. Para los edificios altos estas aproximaciones no son válidas, donde los códigos limitan su uso a una altura máxima de 60m, entendiendo que, para alturas mayores las cargas de viento se estimaran por medio de ensayos con modelos a escala en túneles aerodinámicos. (Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, p. 59)
Tampoco se evaluará la posibilidad de edificio de entrar en resonancia (medida en que la relación entre el período de vibración de las ondas sísmicas y el periodo de vibración de la estructura se acerca a la unidad, donde las deformaciones y aceleraciones aumentan considerablemente provocando graves daños e incluso el colapso del edificio), al respecto Alcañiz Martínez (2015) afirma lo siguiente:
Las ondas sísmicas afectan a las estructuras en función a diferentes características que tienen los sismo. Mientras que las ondas de baja frecuencia hacen que los edificios entren en resonancia afectando en menor grado a los bajos, las ondas de alta frecuencia afectan sobre todo a las casas bajas y en menor grado a las grandes estructuras. Los edificios altos sufren más daños que los bajos en suelos blandos y de gran potencia. (p.
3)
En base a lo citado y dadas las condiciones de suelo rígido donde se ubica el proyecto (distrito de San Borja de la ciudad de Lima) excluiremos la evaluación de resonancia ya que para el caso de la estructura proyectada es poco probable que suceda este efecto.
Finalmente, no se evaluará la edificación frente a cargas de provenientes de explosiones, ni el efecto de las propiedades dependientes del tiempo que incluyen el flujo plástico del concreto (incremento de deformación del concreto por estar afectado constantemente a esfuerzos en el transcurso del tiempo), y los efectos de la contracción del concreto que es una de las causas principales en la fisuración de las estructuras. Estos efectos no se verán en la presente tesis por ser un estudio muy complejo que depende de muchos factores y que son ajenos a los objetivos de estudio.
1.5.2. Espacial
El proyecto de investigación se enfocará en el desarrollo del análisis y diseño de un edificio alto con sistema estructural no convencional aplicado a un proyecto que se desarrollará en el distrito de San Borja de la ciudad de Lima.
1.5.3. Temporal
El análisis y diseño del edificio alto con sistema estructural no convencional se realizará en el presente año 2023.
1.6. Formulación De Hipótesis 1.6.1. Hipótesis General
El buen comportamiento sísmico de un edificio alto con sistema estructural no convencional es fundamental para lograr un nivel de desempeño aceptable.
1.6.2. Hipótesis Específicos
El edificio alto con sistema estructural no convencional cumple con los requisitos de rigidez, resistencia y ductilidad.
El sistema estructural no convencional de un edificio alto resulta viable para las zonas de alta amenaza sísmica.
La respuesta de susceptibilidad a los efectos de torsión del edificio alto con sistema estructural no convencional es insignificante.
Los objetivos de desempeño de un edificio alto con sistema estructural no convencional muestra resultados satisfactorios para distintos niveles de demanda sísmica.
CAPITULO II 2. MARCO TEORICO
2.1. Antecedentes
2.1.1. Antecedentes de la investigación 2.1.1.1. Antecedentes Nacionales
Sáenz Azorsa (2019), en su tesis titulada“Vulnerabilidad sísmica en edificaciones esenciales mediante curvas de fragilidad analíticas–edificio administrativo de la Universidad Nacional del Centro del Perú”, presenta la metodología de evaluación de vulnerabilidad sísmica, a través la curva de fragilidad se evalúa la vulnerabilidad sísmica del edificio administrativo de la Universidad Nacional Del Centro del Perú. Mediante los análisis dinámico y estático lineal se verifica los requerimientos de rigidez,
resistencia y ductilidad para la estructura actual según la norma técnica E.030.
seguidamente, mediante las curvas de fragilidad determina la probabilidad de daño en la estructura. Mediante la curva pushover y distintos niveles de demanda sísmica se
determina los puntos débiles de la edificación; obteniendo como conclusión final que la estructura no cumple los requisitos de diseño que la norma actual presenta.
Núñez Herrera (2018), en su tesis de Posgradotitulada “Análisis comparativo de edificios con sistemas estructurales de concreto armado: duales versus diagrid”, tiene como objetivo principal comparar los resultados de un edificio de seis niveles con sistema dual versus tres edificios donde se aplica el sistema diagrid de concreto armado, pero con distinta configuración para las diagonales (variación del ángulo entre 35º a 65º), ambas estructuras están ubicados en una zona de alta sismicidad (Lima). La metodología aplicada es el análisis dinámico modal espectral, obteniendo una mejor respuesta sísmica para los modelos con el sistema diagrid en comparación con el sistema dual. El estudio concluye afirmando que el sistema diagrid es más eficiente en comparación con los sistemas convencionales por la reducción del peso de las edificaciones (30% más livianos), reducción en la cantidad de acero de refuerzo necesario (29% menos acero), menores dimensiones de la cimentación. Al final destaca las bondades del sistema diagrid y resalta las limitaciones de los sistemas estructurales tradicionales, tanto por el lado arquitectónico como rendimiento estructural.
Fernández López, Zapata Velásquez (2019),en su tesis titulada “Análisis y diseño estructural de una torre de 40 pisos y 4 sótanos siguiendo normas peruanas incluyendo su desempeño en el distrito de Santiago de Surco, Lima”, realiza los procedimientos lineales estáticos y dinámicos, además del análisis estático no lineal. Mediante el pushover
construye la curva de capacidad de la estructura según los códigos FEMA 356 y ATC- 40; considera para el análisis los parámetros no lineales de los materiales y de los
elementos estructurales, además toma en consideración los efectos por empuje lateral por efectos del viento que actúa sobre la estructura. Para finalizar se verifica el diseño de los elementos estructurales, buscando un buen desempeño estructural a distintos niveles de demanda sísmica.
2.1.1.2. Antecedentes Internacionales
Lozano Ramírez (2013),con su tesis “Comparación sismo resistente y económica entre una estructura convencional y una no convencional en un mismo edificio irregular”
presenta el diseño de una estructura con diseño arquitectónico contemporáneo con irregularidades tanto en planta como en altura, encontrando que no necesariamente por ser un edificio irregular resulta ser peor y más costosa que un edificio regular. Mediante la metodología del análisis lineales y no lineales (pushover), demuestra además que el edificio proyectado utilizando un sistema estructural no convencional (conservando las irregularidades presentadas) se logra obtener mejores resultados del comportamiento sísmico en comparación del mismo edificio, pero utilizando un sistema estructural convencional.
Rodríguez Priego (2019), en su tesis titulada“Optimización de sistemas Diagrid y estructuras perimetrales” presenta varios casosde estudio que se centra en el uso de mallas perimetrales en edificaciones de distintas alturas. Los procesos de optimización son múltiples, como son, reducción del peso de la estructura, mejor control de
desplazamiento lateral, etc. Finalmente se llega a la conclusión que sistema estructural de elementos diagonales diagrid son seguros para edificios altos, siempre y cuando se verifica los esfuerzos en los elementos, y que el análisis estructural da buenos resultados a la respuesta global del edificio. Se prueba también que reduce la cantidad de materiales y por efecto se reduce el costo de la construcción.
Acevedo Maldonado (2015),en su tesis de maestría “Diseño estructural edificio M- 001”, presenta una memoria de cálculo de una estructura de 3 sótanos y 14 pisos con retículas de diagonales prismáticas (diagrid) en el perímetro de la edificación de concreto armado; el proceso de diseño se realiza con los lineamientos del reglamento colombiano de construcción NSR-10. Para la evaluación de los elementos estructurales se realizó un análisis no lineal mediante la técnica del pushover; se evaluó la capacidad de la
estructura de acuerdo a la normativa ASCE/SEI 41-13, verificado el buen
comportamiento de la edificación a distintos niveles de demanda sísmica. Finalmente propone mejoras al proceso de diseño elástico de la norma, con la finalidad de optimizar el comportamiento esperado de una edificación en términos de resistencia, ductilidad y reducir los niveles de daño.
Galarza Altamirano (2019),en su tesis titulada “Evaluacióndel desempeño sísmico del edificio de la Ocus mediante comparación del análisis estático no lineal (pushover), análisis estático modal (pushover multimodal) y dinámico no-lineal (historia de respuesta)”, considera los parámetros de la no linealidad de materiales y elementos estructurales del edificio “Ocus” ubicado en Ecuador.Se procedió a realizar análisis sísmicos no lineales como: historia de respuesta, pushover y pushover modal;
posteriormente se realizó la comparación de las respuestas estructurales en términos de desplazamientos, derivas, daño y capacidad entre las 3 metodologías mencionadas. Se evaluó las deficiencias, limitaciones, ventajas y desventajas de las metodologías mencionadas. Finalmente se concluye que el análisis Pushover modal, es la que menor errores mostraba al final del análisis, por ende, el autor recomienda como la más adecuada para controlar la vulnerabilidad de las edificaciones y reducir el posible colapso.
2.2. Bases Teóricas
2.2.1. De los Edificios altos
Por muy sencillo que parezca, muchos autores entre ingenieros, arquitectos y constructores en general no se ponen de acuerdo en definir a un edificio alto; en el pasado siglo XX se tenía la referencia del número de niveles para un edificio alto, siendo entre 15 a 20 plantas los edificios considerados altos. En la actualidad sabemos que esta definición quedo obsoleta ya que se tiene edificios de mayores dimensiones que superan fácilmente este número de niveles. En la figura 2 se nuestra el Centro Sanitario la Paz, en
la ciudad de Madrid de 17 plantas construido en los años 60, a su izquierda se tiene la torre Cristal que a simple apreciación se nota la mencionada referencia.
Figura 2
Izquierda: Torre Cristal. Derecha: el edificio del Centro Sanitario la Paz
Nota: Tomado de https://retokommerling.com/certificacion-energetica-de-edificios/
Al respecto, el Roberto Stark (2018) menciona que“los edificios altos son aquellos cuya altura en promedio están entre 200m a 300m sobre el nivel de vereda exterior, mayor a los 300m encontramos a los denominados edificios super altos, y por encima de los 600m los edificios mega altos”.
En la actualidad, la consideración para definir a los edificios altos es el parámetro de la esbeltez, y que es quizá el aspecto principal a tener en cuenta como parámetro para este tipo de edificios. La esbeltez mide la relación entre la altura medida desde el primer nivel de vereda exterior y el ancho de la base del edificio; este parámetro es importante porque condiciona aspectos relacionados con los efectos de las cargas horizontales (sismo y viento), condiciona también las dimensiones de los elementos estructurales, y por consecuencia las formas arquitectónicas del edificio, así también la funcionabilidad y su estética (Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], 2014).
Si bien cierto la esbeltez nos ayuda a predecir de mejor manera el comportamiento de un edificio alto, hay que distinguir entre los récords y las alturas promedio de los edificios altos. En la figura 3, donde se recogen los datos de los 200 edificios más altos del
actual de los edificios altos, que suelen estar entre los 200 y los 300m, Aunque se han construido, y se están construyendo, edificios por encima de los 800m (incluso en torno a los 1,000 m), estos son en realidad construidos para dar a conocer su poder económico y ego personal tanto de los constructores y propietarios; para este tipo de edificios incluso existe una clasificación que establece el Council Tall Building and Urban Habitat (CTBUH) en la que recoge los edificios con alturas superiores a los 300m que denominamos‘super tall building’(CCICCP, 2014).
Figura 3
200 edificios más altos del mundo
Nota: Tomado de Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], 2014.
2.2.2. Tendencias arquitectónicas de los edificios altos.
Otro de los aspectos importantes en el proyecto de construcción de estos edificios es su forma arquitectónica, tanto por los temas relacionados a la estética del mismo edificio, donde el mayor reto de la ingeniería de estructural es poder desarrollar proyectos
complejos con características estructurales atípicas o no convencionales y que en muchas ocasiones no cumplen con los requisitos básicos de la estructuración (simetría,
simplicidad, uniformidad y continuidad de los elementos estructurales, entre otras) como se aprecia en los ejemplos de la figura 4. Los conceptos de la arquitectura vanguardista dificultan el diseño de la estructura con la metodología convencional que todos
conocemos y que están en las normativas de diseño; la solución entonces dada las condiciones arquitecticas anteriormente mencionadas es poder desarrollar técnicas avanzadas y complejas de diseño estructural como lo son los métodos no lineales de diseño que desarrollaremos más adelante.
Figura 4
Edificio Marina Bay Sands (Singapur), Edificio CCTV China (Beijing, China)
Nota: Tomado de https://es.wikipedia.org/wiki/Marina_Bay_Sands, https://es.wikiarquitectura.com/edificio/sede-de-la-cctv/
2.2.3. Materiales estructurales en los edificios altos
La necesidad de construir edificios“cada vez altos”, tiene como consecuenciala necesidad de buscar materiales más resistentes y a la vez más ligeros que nos permitan tener edificios seguros y con el menor costo económico posible; los materiales
estructurales empleados en la construcción de edificios altos han sufrido notables mejoras de sus propiedades como lo es el concreto de alta resistencia, dejando relegado así al concreto armado con resistencias convencionales.
Hasta el siglo XX, el acero estructural era el comúnmente usado para construir los edificios altos, ya que se aprovechaban sus propiedades resistentes y a la vez ligeros como el edificio John Hancock Center (figura 5), sin embargo, en las últimas décadas es el concreto de alta resistencia es el material que actualmente predomina en la
construcción de los modernos edificios como las Torres Petronas (figura 6). A ellos se suman los concretos especiales como el concreto autocompactante, que se usan para construir elementos estructurales con gran congestión de armaduras de refuerzo, y los concretos ligeros, que se usan para estructuras horizontales con el objetivo de disminuir el peso de la edificación (Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP],
Figura 5
John Hancock Center in Chicago, USA (estructura de acero)
Nota: Tomado de https://www.jmhdezhdez.com/2011/05/john-hancock-center-chicago-som.html
2.2.3.1. Concreto de alta resistencia
A inicios de los años 70 se comienza a desarrollar los denominados concretos de alta resistencia. La limitación de resistencias en el concreto convencional estaba establecida en los 50 MPa, resistencia máxima considerada en tiempos por las diferentes normas, y que se podía conseguir con cementos de buena calidad y alta resistencia.
El limitante para obtener concreto de mayores resistencias era la relación agua-cemento, el cual no podía bajar menos de 0.40, fue entonces con la aparición de aditivos la
solución de reducir esta relación y que sea compatible con el puesto en obra, estos aditivos permiten reducir el agua de amasado a valores mínimos necesarios para la hidratación del cemento; se trabajaban entre las relaciones agua-cemento entre 0,25 y 0,30, e incluso inferiores, logrando ampliar la resistencia del concreto por encima de los 70 MPa.
Gracias al concreto de alta resistencia, se pudo remplazar al acero estructural como único material para la construcción de edificios altos, ya que este material presentaba
problemas de la estructura para casos de incendios como fue el caso de las Torres Gemelas de Nueva York tras los atentados del 11-S del año 2001. En la actualidad los edificios más altos del mundo utilizan concreto de alta resistencia como el principal material de construcción, por su alto desempeño, seguridad y economía.
Figura 6
Torres Petronas in Kuala Lumpur, Malasia (concreto de alta resistencia)
Nota: Tomado de https://es.wikipedia.org/wiki/Torres_Petronas
Según el ACI (Instituto Americano del Concreto) considera que el concreto de alta resistencia, es aquel que tiene una resistencia a la compresión mayor a f´c>=420 kg/cm2.
La siguiente ecuación es la expresión que mejor representa la relación que existe entre el módulo el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión del concreto de alta resistencia.
Para f´c<3000 psi
= 57,000 ` ( ) ( 1 )
Mientras que para 3000 psi < fc′ <12,000 psi
= 40,000 ` + 10 ( ) ( 2 )
Aunque también se ha de mencionar que otros estudios han citado su preocupación por que la expresión subestima significativamente el módulo de elasticidad. La figura 7 presenta distintas propuestas por distintos investigadores de la relación entre el módulo de elasticidad del concreto y su resistencia que incorporando datos de hormigón de menor y mayor resistencia. (ACI Committee 363, 2010)
Figura 7
Módulo de elasticidad frente a la resistencia del concreto
Nota: Tomado de (ACI Committee 363, 2010), adaptado por Myers y Yang [2004].
2.2.4. Fundamentos Generales de Diseño Sísmico
La seguridad de una edificación es el factor más importante, y está relacionado con la capacidad de la estructura para resistir las cargas o solicitaciones máximas posibles que puedan ocurrir durante su vida útil, sin incurrir en daños excesivos o en colapso parcial o total de la edificación (Rochel, 2012, pág. 25).
2.2.4.1. Solicitaciones de Diseño Estructural 2.2.4.1.1. Solicitaciones de Resistencia
Toda edificación debe resistir los efectos procedentes de las cargas verticales, viento y sismo; además de las combinaciones más desfavorables de estos (Rochel, 2012).
Los parámetros de resistencia son necesarios al realizar un análisis del tipo no lineal, esta depende de que tan lejos llega a responder la estructura más allá de la deformación que produce degradación.
2.2.4.1.2. Solicitaciones de Rigidez
Las edificaciones deben tener rigidez adecuada a fin de evitar que sus deformaciones excesivas perjudiquen las condiciones de servicio del normal funcionamiento de la misma; además de garantizar el confort de sus ocupantes, también es importante disminuir los daños en los elementos no estructurales e instalaciones (Rochel, 2012).
2.2.4.1.3. Solicitaciones de Ductilidad
Es importan que la estructura tenga una gran la capacidad de disipar energía, ya que durante eventos sísmicos de gran magnitud las fuerzas actuantes sobrepasan a las de diseño y por consecuencia la estructura se ve obligada a deformarse en el rango inelástico; una estructura no dúctil podría sufrir graves daños en su estructura y en consecuencia aumentaría el riesgo de colapsar (Rochel, 2012).
2.2.4.2. Fundamentos especiales del diseño de edificios altos
Las normas de construcciones están dirigidas al diseño de edificaciones típicas, es decir aquellas con sistemas estructuras ya estudiados y donde se puede predecir su
comportamiento sísmico. Para el caso de edificios altos, la estructura resulta desafiante a los efectos de la naturaleza, y que la normatividad actual no contempla consideraciones especiales de diseño estructural, puesto que cada uno de ellos es un caso especial y se requiere entonces un estudio más profundo y análisis de cada uno de sus componentes con el mayor cuidado posible, teniendo en consideración de que cada edificio tiene una respuesta diferente y que los procedimientos de diseño descritas en las normativas no siempre se satisfacen los requerimientos de la estructura. (Feng Fu, 2018, pág. 2) 2.2.4.3. Sistemas estructurales para edificios altos
La estabilidad lateral es el problema principal en los edificios altos, ya que principales cargas laterales a la que están expuestas son las fuerzas sísmicas y la fuerza de los vientos; como el periodo fundamental es más extenso que las de los edificios de mediana y pequeña altura, es conveniente evaluar los dos casos anteriores con la finalidad de poder controlar la estabilidad lateral del edificio alto. En los edificios altos el control de derivas va verificado con el control del desplazamiento lateral donde se requiere que las derivas máximas seas entre un 50% a 60% de la máxima permitida por los códigos de diseño, puesto que un mal control de derivas generará graves efectos de inestabilidad a la estructura (Feng Fu, 2018)
