Tomás Guendelman NOVIEMBRE 2014

SEMINARIO HILTI
MÁS ALLÁ DE LA NORMA NCh433
Tomás Guendelman
NOVIEMBRE 2014
1
FILOSOFÍA DE DISEÑO DE LA
NORMA NCh433.Of96
� Protección de la vida
� Lograr estructuras que:
� Resistan sin daños durante sismos de intensidad moderada
� Resistan con daños limitados (en elementos no estructurales) durante sismos de
mediana intensidad.
� Aunque presenten daños, eviten el colapso durante sismos de intensidad
excepcionalmente severa.
La Norma señala que la conformidad con sus disposiciones no asegura, en todos
los casos, el cumplimiento de los objetivos antes mencionados.
2
FILOSOFÍA DE DISEÑO AMPLIADA
(incluida en NCh2369)
� Protección de la vida humana y de los contenidos.
� Control de daños a través de la identificación de “niveles de desempeño”.
� Aceptación del daño como decisión objetiva de diseño.
3
PROCEDIMIENTOS COMPLEMENTARIOS
QUE SE SUGIERE SEAN
INCORPORADOS EN EL ANÁLISIS
Y EN EL DISEÑO
4
Es importante tener presente que el análisis normativo considera la aplicación de un
modelo lineal, lo que ignora una serie de factores no lineales, pero que en muchos
casos, se pueden incluir sin grandes dificultades.
Entre otros, se sugieren los siguientes:
1.
2.
3.
4.
5.
5
Diseño por Capacidad
Diseño por Desempeño
Pushover Inverso
Aislación y Disipación de Energía
Calificación Estructural
1. DISEÑO POR CAPACIDAD
P0
P0
Eslabones Frágiles
Eslabón Dúctil
Eslabones Frágiles
Pis�P0
Pis
Elabones Frágiles
(a)
P0
P0
Pi
Pi
+
1 Eslabón Dúctil
(b)
�
Cadena Dúctil
(c)
ANALOGÍA DE PAULAY Y PRIESTLEY
6
2. DISEÑO POR DESEMPEÑO
Ley de la Oferta y la Demanda
� Oferta: Capacidad Resistente que ofrece la estructura.
Válida para todo nivel de Demanda.
� Demanda: Exigencia de Resistencia que demandan
diferentes niveles de severidad de las solicitaciones
sísmicas (Estados Límites).
OFERTA ≥ DEMANDA
7
CAPACIDAD DE LA ESTRUCTURA
MÉTODO “PUSHOVER”
�
V
Compensación área
a
V
�
g � Mg
a
V
�
g � Mg
Donde:
� u �� � 4 � 6�� y
�
�
�y
8
�u
DEMANDA SÍSMICA
NIVELES DE DEMANDA VISION 2000
Nivel de
Demanda
9
Sismo
Probabilidad de
Excedencia
Período de
Retorno
1
Frecuente
50% en 30 años
43 años
2
Ocasional
50% en 50 años
72 años
3
Esporádico
10% en 50 años
475 años
4
Muy
Esporádico
(Raro)
10% en 100 años
970 años
NIVELES DE DESEMPEÑO VISION 2000
Nivel de
Nivel de
Demanda Desempeño
10
Desempeño Estructural
/H
Objetivo
1
Servicio
•
Ausencia de daños, desempeño elástico.
0.002
2
Operacional
•
La estructura no deberá experimentar
daño, o éstos serán mínimos, de modo
tal que se garantice su normal
operación.
0.005
3
Daño
Controlado
•
La estructura podrá experimentar
daños significativos, pero deberá
quedar una reserva adecuada para
evitar el colapso.
0.015
4
Ultimo
•
La estructura podrá experimentar
importantes daños estructurales y no
estructurales. Su rigidez se habrá
degradado de manera significativa, pero
no deberá alcanzar el colapso.
0.025
PROPUESTA PARA CHILE
Sólo 3 niveles
11
Nivel de
Desempeño
Proposición
de los
Niveles de
Demanda
Desplazamiento
Objetivo
Ductilidad
Global
Servicio
Sae/R*
0.002
1.0
Operacional
1.4 Sae/R*
0.005
2.0
Daño
Controlado
Sae
0.015
3.0
RELACIÓN ENTRE DEMANDA ELÁSTICA E INELÁSTICA
R
�1�
Sai � � �Sae
�R�
����
1
To
T
Sai
g
Diagrama de Demanda
Inelástica
�
Sdi
R
T
To
Sae - Sde
Sai - Sdi
12
:Factor de Modificación de Respuesta
:Ductilidad Global
:Período
:Parámetro Característico del Suelo
:Diagrama de Demanda Elástica
:Diagrama de Demanda Inelástica
���
Sdi � � �Sde
�R�
DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE DESEMPEÑO
Sai
g
�d � 2
�d � 1
Sdi
�y
13
�ui �u2
�u1
VERIFICACIÓN DE LAS EXIGENCIAS EN
EL PUNTO DE DESEMPEÑO
� Para el caso de edificios diseñados con NCh433.Of.96 ,en el
Estado Límite de "Daño Controlado“:
� PD � 3
� � � PD� y � 0.015H
14
EJEMPLO
1.2
Punto de
Desempeño
1.0
capacidad
demanda u= 1
demanda u= 1.5
Sa (g)
demanda u= 3
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.00
0.02
0.04
0.06
Sd (m)
15
0.08
0.10
3. PUSHOVER INVERSO
Consiste en crear un procedimiento que:
• Retenga las características del Pushover Convencional, pero
que se oriente al diseño por capacidad.
• Sea aplicable a modelos estructurales complejos, de barras y
elementos finitos, de variada naturaleza constitutiva.
16
EJEMPLO
Se desea controlar el diseño a través del mecanismo de falla definido por
las 4 etapas que se muestran a continuación.
En cada etapa se indica el factor de desplazamiento acumulado para el
que se alcanza dicha situación.
La solución de este ejemplo se obtiene fácilmente mediante el empleo de
programas convencionales de análisis de estructuras planas.
17
18
ETAPA 1
ETAPA 2
fdesp = 1.25
fdesp = 1.50
ETAPA 3
ETAPA 4
fdesp = 2.00
fdesp = 3.00
4. AISLACIÓN Y DISIPACIÓN DE ENERGÍA
� Aisladores en la Base
� Amortiguadores de masa en sintonía (Tuned Mass Dampers)
� Disipadores de Energía entre pisos (amortiguadores)
� Otros sistemas de disipación pasiva o activa
19
AISLADORES Y DISIPADORES DIVERSOS
Núcleo de Plomo
Goma
Lámina de
Acero
Placa de Montaje
Aislador de goma
Amortiguador viscoso
20
Péndulo de fricción
TADAS (Triangular Added Damping And Stiffness)
AISLACIÓN BASAL
21
TUNED MASS DAMPER
22
5. CALIFICACIÓN SÍSMICA DE
EDIFICIOS
23
�
La norma NCh433, en sus distintas versiones, permite el uso de un
modelo lineal de análisis, que no brinda certeza respecto del
cumplimiento de la filosofía que inspira a dicha normativa.
�
El estudio formal del comportamiento sísmico de una estructura
requeriría el uso de modelos teóricos no lineales.
�
Sin embargo, con el apoyo de la experiencia acumulada, es posible, a
partir de los análisis normativos, detectar aspectos que han originado
un satisfactorio comportamiento de los edificios chilenos en sismos
pasados.
¿CÓMO SE REALIZA?
24
�
A través de “indicadores sísmicos”.
�
Algunos de ellos están relacionados entre sí, sin embargo no se han eliminado,
debido a que detectan, con diferente sensibilidad, diversos problemas de
estructuración.
�
Los valores de los indicadores sísmicos provienen del análisis sísmico
normativo.
�
Los rangos de valores de dichos indicadores se obtuvieron de la experiencia
chilena, a partir de una muestra constituida por 585 edificios reales construidos
en el país, que generaron 1170 casos de estudio.
�
Trabajos posteriores confirmaron la factibilidad de utilización de rangos en
edificios de gran altura (rascacielos).
INDICADORES DEL
PERFIL BÍO-SÍSMICO DE EDIFICIOS
BASE DE DATOS
INDICADORES SÍSMICOS
• de Rigidez
• de Acoplamiento
• de Redundancia Estructural y Demanda de Ductilidad
25
Casos de Estudio
400
380
585 Edificios
1170 Casos de Estudio
12 Edificios Altos
24 Casos de Estudio de Edificios Altos
Número de Casos
300
Perfil Original
284
248
200
166
100
68
Número de Pisos
2
4
4
2
60 - 80
80 - 100
100 -
45 - 50
40 - 45
2
35 - 40
30 - 35
25 - 30
20 - 25
15 - 20
5 - 10
0- 5
26
10 - 15
2
0
50 - 60
18
RASCACIELOS EN CHILE Y EN EL MUNDO
Taipéi 101, Taiwán
Torre Jin Mao, Shanghái
27
Torres Petronas, Kuala Lumpur
Central Plaza, Hong Kong
Torre 2 Costanera Center, Santiago
Edificio Titanium, Santiago
Altura vs. Periodo
140
500
H/T=150
450
H/T=150
H/T=70
H/T=70
120
400
Altura [m]
100
350
H/T=30
H/T=30
300
80
250
H/T=20
60
200
150
40
H/T=20
100
20
50
0
0.0
1.0
2.0 1.0
3.0
4.0
2.0
5.0
6.0
3.0 7.0
8.0
4.0
9.0
Periodo [s]
28
28
INDICADORES Y SUS RANGOS
Indicadores del Perfil Bío-Sísmico
Valores dentro de rangos
normales.
Valores aceptables ligeramente
apartados de rangos normales.
30 - 70
20 - 30 y 70 - 150
Rigidez
1
2
H/T [m/s]
M
P-Δ/M volc. basal directo
3
1000·δ/H
0 - 0,1
0,2‹ - 2,0‹
4
1000·δcentro gravedad/h
0,2‹ - 2,0‹
5
1000·δextremo/h
0‹ - 1,0‹
Acoplamiento Traslación-Rotación y Traslación-Traslación
0 - 0,8 y 1,2 - 1,5
6
T rotacional/T traslacional
0 - 0,2
7 Masa eq. rot. acoplada/Masa eq.trasl. directa
0 - 0,2
8
(M torsor basal/Q basal)/r basal
0‹ - 0,2‹
0,8 - 1,2 y 1,5 - 2,0
0,2 - 0,5
0,2 - 0,5
9 Masa eq. trasl. acoplada/Masa eq. trasl. directa
0 - 0,5
0,5 o más
10
Q basal acoplado/Q basal directo
0 - 0,5
0,5 o más
11
M volc. basal acoplado/M volc. basal directo
0 - 0,5
Redundancia Estructural y Demanda de Ductilidad
más de 3
12
Número Ejes Resistentes
inferior a 3
13
R**
29
0‹ - 0,2‹
0,5 o más
2-3
3-7
PERFIL BIO-SISMICO : EDIFICIO 17 PISOS
Valores dentro de rangos normales
Valores aceptables ligeramente
apartados de rangos normales
Valores fuera de rango
SISMO X
SISMO Y
CALIFICACION DE VALORES
42,974
121,633
INDICADORES SISMICOS
RIGIDEZ
1.-Altura Total / Período Traslacional (m/seg)
X
Y
0
2.-Efecto P-� (MP-� / Mb)
0,011
20
30
70
X
Y
0,002
0
3.-Desplazamiento total nivel superior (1000�/H)
4.-Máx. desplaz. de entrepiso en centros de gravedad (1000�cg/h)
5.-Máx. desplaz. de entrepiso en puntos extremos (1000�ext /h)
0,493
0,763
0,647
150
0.1
X
Y
0,179
0
0.2
2
0
0.2
2
X
Y
0,257
X
Y
0,844
0
1
ACOPLAMIENTO TRASLACION - ROTACION Y TRASLACION - TRASLACION
6.-Período Rotacional / Período Traslacional
0,836
X
Y
2,366
0
7.-Masa Eq. Rotac. Acoplada / Masa Eq. Traslac. Directa
8.-Excentricidad Dinámica (Mt/Qb) / Radio de Giro Basal
9.-Masa Eq. Trasl. Acoplada / Masa Eq. Trasl. Directa
0,097
0,263
0,079
0.8
11.-Mto. Volcante Basal Acoplado / Mto. Volcante Basal Directo
0,133
0,107
1.5
2
X
Y
0,564
0
0.2
0.5
0
0.2
0.5
X
Y
0,399
X
Y
0,029
0
10.-Corte Basal Acoplado / Corte Basal Directo
1.2
0.5
X
Y
0,109
0
0.5
0
0.5
X
Y
0,039
REDUNDANCIA ESTRUCTURAL Y DEMANDA DE DUCTILIDAD
12.-Nº de elementos relevantes en la resistencia sísmica
30
5
X
Y
4
0
13.-Factor de Reducción Espectral Efectivo (R**)
2,505
2
3
X
Y
3,126
0
3
7
SUGERENCIAS
• RIGIDEZ
31
•
Verificar que el cuociente H/T sea igual o superior a 30 m/seg.
•
El rango de valores característico de la construcción chilena se
ubica en torno a H/T = 70 m/seg.
•
Verificar que el momento volcante basal debido al efecto P-∆
sea inferior, o a lo sumo igual, al 10% del momento volcante
basal debido a las solicitaciones sísmicas.
• ACOPLAMIENTO
32
•
Lograr estructuraciones que separen los modos fundamentales
de manera tal que el cuociente entre períodos fundamentales se
aleje de la unidad, en alrededor de un 20%.
•
Procurar que el periodo torsional sea menor que los periodos
traslacionales.
•
Lograr estructuraciones que originen efectos indirectos menores
o iguales al 50% de los efectos directos.
•
Lograr que, en cualquier piso, la excentricidad dinámica no
supere el 50% del radio de giro del mismo piso.
• REDUNDANCIA Y DUCTILIDAD
33
•
Disponer de no menos de tres líneas resistentes en cada dirección
de análisis.
•
Valores de R** iguales o inferiores a 3, no requieren estudios
complementarios al análisis normativo.
•
Valores de R** comprendidos entre 3 y 7, podrán requerir el
estudio del desempeño estructural mediante procedimientos no
lineales aproximados tipo "push-over".
•
Valores de R** superiores a 7, podrán requerir el estudio del
desempeño estructural mediante procedimientos no lineales
refinados.
•
Verificar que el valor resultante de R** sea efectivamente provisto
en el diseño.
• DENSIDAD DE MUROS
34
•
Comprobar que, en cada piso, la superficie transversal de los
elementos resistentes sea mayor o igual al 2% de la superficie de
la losa de cielo de dicho piso.
•
Comprobar que, en cada piso, la superficie transversal de los
elementos resistentes sea mayor o igual al 1‰ de la superficie de
losas de cielo superiores acumuladas hasta dicho piso.
•
En edificios de hormigón armado, se debe verificar que el
desplazamiento lateral en el techo, δu=1.3Sde(Tag), sea inferior, o a lo
sumo igual, al 7‰ de la altura total del edificio.
•
En edificios de materiales que no aceptan agrietamiento, la
expresión se modifica a δu=1.3Sde(T), pero se mantiene el requisito
que limita este valor al 7‰ de la altura total del edificio.
• REFERENCIAS
•T.Guendelman, M. Guendelman, J. Lindenberg, "Perfil Bío-Sísmico de
Edificios”, VII Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería
Antisísmica y Primer Congreso Iberoamericano de Ingeniería Sísmica,
La Serena, Chile,1997.
•R. Henoch, J. Lindenberg, T. Guendelman y M. Guendelman, “PERFIL
BIO-SISMICO DE RASCACIELOS”, X Congreso Chileno de Sismología e
Ingeniería Antisísmica, Santiago, Mayo 2010.
35