DISEÑO POR DESEMPEÑO

DISEÑO POR DESEMPEÑO
ING GUILLERMO BOTAS Y ESPINOSA
DISEÑO POR DESEMPEÑO.
1.- INTRODUCCIÓN.
Al diseñar una estructura localizada en una zona
sísmica, el diseñador se enfrenta a determinar el
espectro de diseño sísmico para el sitio. Generalmente
se apoya en los reglamentos de construcción para cada
ciudad o en el manual de obras civiles de la CFE; sin
embargo, los autores de estos reglamentos tienen
también la incertidumbre sobre el espectro de diseño
aplicable ya que no existe a la fecha ningún análisis que
permita predecir movimientos sísmicos ni su magnitud
ni su duración ni su fecha del evento.
DISEÑO POR DESEMPEÑO.
2. OBJETIVO.
El objetivo básico de un diseño por desempeño es la
seguridad del edificio cuando el suelo está vibrando por un sismo.
2.1Clasificación del tipo de sismo en un diseño por
desempeño
2.1.1 SISMO DE SERVICIO: Se analiza y diseña la estructura con
50% de probabilidad de ocurrencia en los próximos 50 años. El
resultado de este análisis no permite que se tenga daño alguno
estructural .
2.1.2 SISMO DE DISEÑO: Se analiza y diseña la estructura para
un sismo con 67% de probabilidad del sismo máximo esperado, El
resultado de este análisis permite la deformación estructural
dentro de los límites aceptables sin causar riesgos, la vida esta
protegida; sin embargo, algunos elementos no estructurales
pueden sufrir daños tales como fisuras o grietas y la estructura
permanece de pie.
2.1.3 SISMO MÁXIMO ESPERADO: Análisis con el (SME) (2% de
probabilidad en 50 años) La estructura va a responder con alto
grado de confianza ante el sismo máximo esperado, mientras se
mantiene su estabilidad. No presentando colapso.
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Comportamiento
inaceptable
Objetivo Básico
Objetivo Medio
Objetivo alto
Completamente
Operacional
Operacional
Seguro
Cerca del
colapso.
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• 3.- EXPERIENCIAS DE APLICACIÓN DEL
DISEÑO POR DESEMPEÑO EN LA CIUDAD
DE MEXICO.
•
Los edificios más altos en la Ciudad de México como
son la Torre Mayor ubicada en Paseo de la Reforma ya en
pleno funcionamiento y La torre Mítikah actualmente en
construcción son dos ejemplos de estructuras diseñadas
utilizando un “ DISEÑO POR DESEMPEÑO”.
Para el
desarrollo del presente trabajo, se ha tomado como ejemplo
el desarrollo del proyecto ejecutivo de la torre Mitikah que
consiste en una torre de usos múltiples: comercios, hotel y
habitación en 60 pisos , esta torre está ubicada al sur de la
Ciudad de México en un predio limitado por Real de
Mayorazgo y Av. Río Churubusco.
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
• 5.- CARACTERISTICAS GEOTECNICAS DEL SUBSUELO.
5.1.- Tomando en consideración los sondeos
efectuados en el estudio de mecánica de suelos del sitio, la
estratigrafía está definida por una capa de materiales
compactos consistentes en arenas y limos compactos
afectados por secado que forma la capa superficial.
•
Subyaciendo este depósito se localiza una capa de
arcillas y limos deformables con contenidos de agua
variables entre 50 y 200%
• Subyaciendo estos depósitos se localizan los depósitos
profundos, por lo que se comprueba que el subsuelo en el
sitio pertenece a la zona II o zona de transición, con las
siguientes características de acuerdo al RCDF.
•
•
Zona
II
C
0.32
Ao
0.08
Ta
0.2
Tb
1.35
r
1.33
DISEÑO POR DESEMPEÑO
•
6.- DISEÑO SISMICO.
Dada la importancia urbana del conjunto de edificios que forman
este complejo urbano y sobresaliendo la torre Mitikah de 60 pisos
de altura, se consideró necesario llevar a cabo un estudio de la
respuesta sísmica del sitio en función de las características
dinámicas de los estratos que forman el subsuelo. Cabe hacer
mención que el estudio fue elaborado por el Dr. Eduardo Botero
Jaramillo, en este trabajo solo se resumen algunos conceptos que
obtuvo el Dr Botero para proporcionar un marco que sirvió de
base al diseño por desempeño, el estudio se inicia con:
•
Determinación de las funciones de riesgo sísmico.
Para esta determinación se empleó el “ método probabilístico de
ocurrencia histórica En México el catálogo histórico de sismos
comienza en 1475 e incluye aproximadamente 162,800 sismos
ocurridos entre 1900 y 1997, a partir de esta información. Se
generan mapas de riesgo y se obtienen los espectros resultantes a
períodos de retorno de 43 años para el SISMO DE SERVICIO., 125
años para el SISMO DE DISEÑO y 1911 años para el SISMO
MÁXIMO ESPERADO, los muestra el Dr. Botero en la siguiente
figura.
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
43
Diseño por desempeño
ara 125 años
DISEÑO POR DESEMPEÑO.
ARA 1911 AÑOS
DISEÑO POR DESEMPEÑO
Espectro en campo libre para Tr 43 años
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO.
• 6.2 ELECCION DEL SISMO APLICABLE.
• Finalmente los espectros resultantes
del análisis de
propagación de onda presentado anteriormente, en la
superficie del terreno para campo libre se obtienen los
siguientes valores para la ordenada máxima de la
aceleración espectral 0.175g para Tr de 43 años, 0.25 g
para Tr de 125 años y 0.73g para Tr de 1911 años, en los
tres casos el período donde se produce la máxima g es del
orden de 0.75 seg.
• Cada edificio puede ser diseñado suponiendo un factor Q
igual a 3, y un factor de irregularidad de 0.9. Sin embargo,
como una medida conservadora los análisis se han basado
en un Q =2 y Q’ = 1.8.
• El cortante basal se escala a un mínimo de 3% de la masa
del edificio.
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
• 7.CRITERIO
DE
DISEÑO
BASADO
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL.
EN
EL
• FILOSOFIA GENERAL.
• Los sistemas de resistencia lateral de la torre consisten en
muros de cortante acoplados a marcos de concreto. Aunque
los marcos proveen redundancia en el análisis, estos se
consideran como sistemas simples para propósito de diseño
sísmico.
DISEÑO POR DESEMPEÑO
DISEÑO POR DESEMPEÑO
•
•
•
• SISMO A NIVEL DE SERVICIO..
El ASCE 41 Y PEER ofrecen criterios para sismos al nivel de
servicio los cuales están representados por un sismo con el 50
% de probabilidad de ocurrencia en los próximos 50 años que
equivalen a un período de retorno de 43 años. Bajo tal
circunstancia el edificio se comporta prácticamente elástico no
hay daños.
– SISMO A NIVEL DE DISEÑO.
Esta es una implicación de los códigos o Normas en donde un
sismo con periodo de retorno de 125 años deberá de cumplir
con un comportamiento elástico lineal como se ha mencionado
anteriormente.
Cuando las fuerzas de diseño se dividen entre Q’ = 1.8 y
cuando se escala el mínimo cortante basal, y la resistencia
esperada de los materiales se toman en cuenta, el nivel de las
fuerzas máximas permisibles están por arriba de las fuerzas de
diseño para una condición de servicio.
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• MAXIMO SISMO CREIBLE.
• Se establece el máximo sismo creíble (MCE), para un
período de retorno de 1911 años; considerando una
probabilidad de ocurrencia del 2% en los próximos 50 años,
como podemos observar en la figura 1.4, la magnitud de
este evento está bastante arriba del nivel del sismo de
diseño.
• Bajo tal evento, se espera que el edificio sufra daños
importantes en la estructura; sin embargo el edificio no se
colapsará. Este límite se define como “límite de prevención
al colapso” o como límite “LPC”
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•
7.2.- REQUISITOS Y PROPIEDADES DE LOS
MATERIALES Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES.
•
7.2.2 MUROS DE CORTANTE.
• Los muros de cortante se modelan empleando el elemento
finito como “schell properties”. Elementos que se espera
tengan un comportamiento inelástico y se modelan como
elementos de comportamiento no lineal. Otros muros se
modelan como elementos de comportamiento elástico
lineal.
DISEÑO POR DESEMPEÑO
• VIGAS SECUNDARIAS.
• Las vigas secundarias se modelan con elemento finito,
como parte de los marcos de la estructura en el sistema
SAP2000. Las vigas se modelan como uniones discretas en
las caras de los muros de concreto. La capacidad de
momento esperado de las vigas se calculó basados en el
refuerzo requerido por el diseño y el nivel de sismo de
diseño, Tr de 125 años.
• 7.2.4 ELEMENTOS ESTABILIZADORES(Outtrigger)
• Los elementos estructurales que son las armaduras de
acero, columnas de acero, son todos considerados como
elementos estabilizadores; por lo tanto las propiedades
elásticas se usan adoptando sus propiedades.
• En la torre de 60 niveles, se tienen estas armaduras de
acero en los niveles 17, 30 y 60 .Parte del sistema de
elementos estabilizadores son los cinturones de armaduras
de acero, según se muestra en la figura siguiente:
DISEÑO POR DESEMPEÑO
a.
Resumen de resultados en una respuesta preliminar
Site Specific
(125yr X direction)
Site Specific
(125yr Y Direction)
Y
Base Shear X
40,244 KN*
X
Base Shear Y
-
55,000 KN
Base Moments X
-
3,000,000 KN-m
Base Moments Y
2,000,000 KN-m
-
Top Displacement X
0.21m
-
Top Displacement Y
-
0.16m
Max. Drift-X
L/413
-
Max. Drift-Y
-
L/542
*Base Reaction scaled to 3% of building weight or 40,244 KN (Total Building weight at ground
floor 1,341,000 KN) as per Mexico City code provision in Appendix A.3
Key Plan
b.
Respuesta preliminar no lineal para el sismo máximo
esperado MCE
Time History
(MCE X direction)
Time History
(MCE Y Direction)
Base Shear X
80,000 KN
23,000 KN
Base Shear Y
35,000 KN
92,000 KN
Base Moments X
2,000,000 KN-m
4,200,000 KN-m
Base Moments Y
4,300,000 KN-m
900,000 KN-m
Top Displacement X
0.7m
-
Top Displacement Y
-
0.38m
Max. Drift-X
L/250
-
Max. Drift-Y
-
L/370
Note:
Preliminary Results are for 100% of the Time History record in one direction and
30% in the perpendicular direction for the two mayor Building directions.
Y
X
Key Plan
a. REACCIONES EN LA BASE (DIRECCION X)
Base Reactions
• Time History in x-direction (TH1-X)
Vb= 80,000 kN
Mb= 4,300,000 kN-m
a. REACCION EN LA BASE (DIRECCION Y)
Base Reactions
• Time History in x-direction (TH1-Y)
Vb= 92,000 kN
Mb= 4,200,000 kN-m
DISEÑO POR DESEMPEÑO.
• En este caso los valores reportados son debidos al sismo máximo
esperado, al igual que en la figura anterior, el cortante en la base es
resistido por las seis losas del estacionamiento que forma una caja que
proporciona un empotramiento a la estructura. En segundo lugar, están
los muros pila que tienen gran capacidad al cortante por la fricción del
terreno y el muro pila, En tercer lugar se cuenta con 24 pilas que también
ayudan a soportar esta fuerza lateral y finalmente la fricción que se
desarrolla entre la losa de fondo de la cimentación y el terreno de
cimentación. Los valores se proporcionan en el estudio de mecánica de
suelos y ante estas solicitaciones ( 92,000 KN) y fuerzas resistentes, la
estructura no se colapsa en su cimentación.
• El momento máximo es resistido por los muros pila y por
las pilas exteriores cuya capacidad por fricción y por su
punta evitarán el colapso de la cimentación ya que el
estudio de mecánica de suelos señala una capacidad de
carga para pilas circulares mayor.
b. DEFORMACIONES PARA EL SISMO MAXIMO CREIBLE
Desplazamientos máximos en entrepisos consecutivos y
desplazamiento
total
en la dirección
• Time History in
x-direction
(TH1-X)x
L/250 dift-X
700 mm UX @ roof
b. Drift for MCE Ground Motion
Desplazamientos máximos de entrpisos consecutivos y totales en
dirección
x.
• Time History
in y-direction (TH1-y)
L/370 dift-X
380 mm UX @ roof
DISEÑO POR DESEMPEÑO
• En las diapositivas anteriores (30 y 31) se presentan el
siguiente comentario:
• Desplazamientos entre pisos sucesivos, la norma establece
un valor máximo de la altura del entrepiso entre 250 para
elementos estructurales y no estructurales, anclados a las
losas de entrepiso, no hay limitación en el desplazamiento
total del edificio que en la dirección x llega a 38 cm y en la
dirección y, se calcularon 70 cm, no hay colapso de la
estructura, para el máximo sismo esperado con 1911 años
de período de retorno.
b.
Non-Linear Plastic hinge Behavior
Time history in the Y direction
d.
Deformaciones en los muros de cortante en la dirección x,
para el sismo máximo esperado.
Shear Walls Strains
d.
Deformaciones en los muros de cortante en el nucleo del
edificio para la dirección y tomando en cuenta el sismo máximo
esperado.
Shear Walls Strains
d.
Esfuerzos de corte en los muros de cortante del nucleo
central.
Y
X
Shear Stress S12 –Time History in Y
direction
Key Plan
KN/m^2
Shear Stress at Time
20.45s
nmax = 2.0MPa
DISEÑO POR DESEMPEÑO.
• En las diapositivas anteriores ( 40 a 42, ) se muestran los
esfuerzos de corte en los muros de cortante del núcleo
central del edificio, Los esfuerzos cortantes máximos se
producen en el nivel de la cimentación el esfuerzo cortante
máximo es igual a 2 MPa según se muestra en la figura el
cual es resistido por los muros de cortante del núcleo
central del edificio en la dirección Y. Para el sismo máximo
esperado.
• También se presentan en esas diapositivas anteriores las
deformaciones obtenidas en el cálculo para el sismo
máximo esperado.