Tesis Hipótesis

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1 Plan de Tesis: EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE EDIFICACIONES DE 4 PISOS DE MAMPOSTERIA CONFINADA CONSTRUIDAS EN LADERA EN LA CIUDAD DE CAJAMARCA – BARRIO BELLAVISTA-BAJA ANTE UN SISMO SEVERO. Autor: NILDER LEONARDO PALOMINO BECERRA Asesor: ------------------------------------------------------------ Cajamarca, Julio de 2015

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Plan de Tesis:

EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE EDIFICACIONES DE 4 PISOS DE MAMPOSTERIA CONFINADA CONSTRUIDAS EN LADERA EN LA CIUDAD DE CAJAMARCA – BARRIO BELLAVISTA-BAJA ANTE UN SISMO SEVERO.

Autor:

NILDER LEONARDO PALOMINO BECERRA

Asesor:

------------------------------------------------------------

Cajamarca, Julio de 2015

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CAPITULO I. INTRODUCCION

1.1. Planteamiento del Problema

El Perú se encuentra ubicado en una zona altamente sísmica. Nuestro territorio está incluido, al igual que chile, Bolivia, ecuador, entre otros, dentro de El Cinturón de Fuego del Pacífico, que concentra las zonas de subducción más importantes del mundo y ocasiona una intensa actividad sísmica y volcánica.

Nuestro departamento Cajamarca se encuentra ubicado en la zona Nor-Este del Perú, según el Reglamento Nacional de Edificaciones NTE-E-030. De manera más específica, se localiza en la zona sísmica 03 (RNE, 2013), que está calificada como una zona de alta actividad sísmica.

La ciudad de Cajamarca, así como casi toda la región, actualmente padecen las consecuencias debidas a un improvisado plan de desarrollo urbano, lo que ha venido originando una creciente expansión urbana en las zonas de ladera. Cajamarca actualmente vive un silencio sísmico desde varios años, lo cual es muy preocupante. Muchos especialistas evalúan la posibilidad de la ocurrencia de un gran movimiento telúrico y cuyas consecuencias pueden ser muy severas. Debido a la necesidad de tomar medidas para predecir los efectos que puede producir un evento con una magnitud de considerable grado, es necesario evaluar la respuesta sísmica de los sistemas estructurales que están más propensos a experimentar amplificaciones por las condiciones topográficas y cuyo estudio de sus efectos en comparación con los de los suelos blandos aún son escasos.

Las actuales construcciones en ladera, de la ciudad de Cajamarca, que se ha podido inspeccionar y que son motivo de interés pertenecen al barrio BELLAVISTA BAJA. Estas construcciones emplazadas sobre lecho rocoso con cierto porcentaje de suelo que se ha ido originando en el proceso de intemperización y el sistema estructural característicos de ellas es el de mampostería confinada. Dicho esto, debemos recordar que en un sismo, se presentan 3 tipos de ondas: ondas P, que son las más rápidas y las que llegan antes; ondas S, Son más lentas con vibración vertical principalmente y las ondas R y L que son superficiales. Estas últimas pueden ser de alta o baja frecuencia, siendo las de baja frecuencia las más perjudiciales para construcciones cortas y emplazadas sobre lecho rocoso, que es la característica de terreno sobre el cual se han emplazado nuestros sistemas estructurales en estudio. Se ha podido observar que la pendiente del terreno es muy fuerte, además muchas estructuras presentan voladizos los cuales generan una asimetría en elevación, la disposición de los diferentes elementos estructurales como vigas no muchas veces cumple con la continuidad y hay una alternancia de rigideces entre elementos de mampostería y muros de concreto armado en los primeros niveles; que dan una visión preliminar sobre los posibles puntos débiles de estas obras en los primeros niveles.

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1.2. Formulación del Problema

Las situaciones anteriormente descritas de las edificaciones en las zonas de las laderas de la ciudad de Cajamarca, en el contexto actual de peligros símicos; nos llevan pues, a formular el problema a investigar con la siguiente pregunta orientadora:

¿Cuán desfavorable es la respuesta sísmica de las edificaciones de 4 pisos de mampostería confinada construidas sobre ladera en la ciudad de Cajamarca – Barrio Bellavista Baja ante un sismo severo?

1.3. Justificación del Problema

Si bien las laderas son muy estables bajo cargas gravitacionales, estas tienden a desarrollar amplificaciones de presiones y de aceleración ante cargas de sismo, efectos que son intensificados un más si las construcciones están emplazadas en rocas (mayor vibración), entonces: la evaluación de la respuesta sísmica de estas estructuras es crucial para determinar cómo ha de comportarse la estructura y que mecanismos de falla o colapso se han de generar. Esto es importante mucho más en ciudades donde el diseñador debe adaptarse al perfil del terreno para la construcción de varios niveles, como las construcciones emplazadas en ladera en la ciudad de Cajamarca pertenecientes al barrio Bellavista Baja.

1.4. Alcances o Delimitación del Tema

Para el desarrollo de esta investigación pretende crear modelos de los actuales sistemas estructurales construidos sobre laderas y someterlas a fuerzas dinámicas con el uso de programas computacionales para el análisis sísmico de edificaciones como ETABS, para lo cual primeramente se ha de tomar como población de estudio a cierto número de edificaciones en la zona de ladera, y cuyas características sean compatibles con las de los problemas indicados. Para el análisis de la respuesta sísmica se ha de considerar como criterios de falla a la formación de mecanismos de colapso, la excedencia de las derivas o desplazamientos entre-piso máximo, la máxima capacidad estructural de los elementos y la máxima capacidad de rotación entre ellos.

1.5. Limitaciones

Las principales limitaciones están relacionadas con las condiciones o requisitos que imponen los reglamentos para que el análisis modal espectral tenga suficiente precisión y resulte aplicable.

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1.6. Objetivos

1.6.1. Objetivos General.

Determinar la respuesta sísmica de las edificaciones de 4 pisos de mampostería construidas sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja ante un sismo severo.

1.6.2. Objetivos Específicos.

Definir el sistema estructural de las edificaciones de mampostería confinada de 4 pisos construida sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja a partir de sus características funcionales y estructurales.

Determinar los parámetros de sitio de las edificaciones de mampostería confinada de 4 pisos construida sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja.

Determinar los periodos de vibración de las edificaciones de mampostería confinada de 4 pisos construida sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja.

Determinar la cortante basal de las edificaciones de mampostería confinada de 4 pisos construida sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja.

CAPITULO II. MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes Teóricos

Entre los estudios para determinar la vulnerabilidad, peligro y riesgo sísmico, así como investigaciones realizadas para disminuir los efectos sísmicos en las edificaciones, mencionaremos las de mayor relevancia.

Vázquez et al. (2002), en su artículo científico, presentaron el resumen de su investigación sobre el comportamiento y rehabilitación sísmica de residencias típicas ubicadas en laderas o terrenos escarpados y apoyados sobre columnas gravitacionales, la cual se enfoca en la evaluación estructural de este tipo de residencias. Para los análisis estáticos No-Lineales, se usaron aplicaron dos metodologías: la primera se basó en el método del espectro por capacidad y la segunda basada en análisis dinámicos No-Lineales transitorios. Para la

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generación de registros se trabajó con los espectros del UBC-97 y se incluyó el efecto de amplificación topográfica. En total se realizaron 120 evaluaciones utilizando el programa SIMQKE (Vanmarcke 1976), de las cuales se concluyó que: ninguna de las residencias es capaz de resistir terremotos representado por los espectros del código UBC-97 para los suelos tipo Sb y Se, confirmándose así la necesidad de rehabilitar estas residencia.

Illescas (2011), realizo una investigación sobre el desempeño sísmico de los edificios construidos en laderas, mediante un modelo tridimensional para ser analizado y diseñado según el Código Ecuatoriano de la Construcción. La metodología que se aplicó para el estudio de la capacidad de la estructura fue mediante un análisis no-lineal estático (Pushover) con el programa SIMQKE y se adoptó una construcción del espectro de diseño, basándose en las características de la zona de Loja que se considera una zona de moderado riesgo sísmico. El análisis se delimito a la construcción de un modelo tridimensional representativo de las construcciones en ladera de la ciudad de Loja y los elementos estructurales se diseñaron acorde al ACI 2005. Los resultados de esta investigación concluyeron que: Aunque en la edificación construida en ladera tiene un comportamiento adecuado, en cambio se generan puntos frágiles en las columnas especialmente en las más cortas, fallando el concreto por aplastamiento.

Baquero, (2013), en su tesis magistral evalúa la Interacción Dinámica Suelo Estructura (IDSE) de edificaciones construidas en ladera, considerando un modelo no lineal del suelo y elastoplástico para las estructuras, en un espacio bidimensional por medio del software de elementos finitos PLAXIS 2010. Se evaluaron dos variables: relación de la cortante basal y la relación del desplazamiento máximo experimentado en el techo de los edificios en ladera. Se consideró para los suelos tres velocidades promedio de onda: 154 m/s, 300m/s y 470 m/s; y tres ángulos de inclinación de taludes de: 10°, 20° y 30°. De los resultados se concluye que existe una disminución en la cortante basal experimentada por las edificaciones al incrementarse la inclinación de las laderas y al disminuirse la rigidez del perfil geotécnico.

2.2. Bases Teóricas

2.2.1. Método del espectro de capacidad

La aplicación de este método contempla los siguientes pasos:

a) Obtención de la curva de capacidad de la estructura.

Según Cesar Fajardo (2012), La capacidad de la estructura puede ser representada por una curva pushover. Esta representa la relación entre la fuerza cortante en la base de la estructura y el desplazamiento máximo asociado en el topo de la misma.

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La aplicación de las fuerzas laterales para edificaciones de más de un piso se puede realizar de la siguiente manera:

Aplicar fuerzas laterales, a nivel de los entrepisos, en proporción a sus masas y la forma del modo fundamental del modelo elástico de la estructura (por ejemplo: W i . ϕi .V/∑ W

i. ϕi). (Cesar Fajardo, 2012)

b) Conversión de la curva de capacidad al espectro de capacidad

Para usar el método del espectro de capacidad es necesario convertir la curva de capacidad, la cual está descrita en términos de la fuerza cortante en la base de la estructura y el desplazamiento (asociado a dicha fuerza) en el tope de la misma, en un espectro de respuesta en el formato de aceleración desplazamiento (ver figura 2.1) [11].

c) Consideraciones Sísmicas y aceleración espectral del sismo

De acuerdo a lo especificado en la [ 1 ] Artículo 18, para un amortiguamiento β=5% la aceleración espectral del sismo se calcyla mediante la siguiente expresión:

sa =Z . U . C . SR

. g

En donde: Sa = Aceleración espectral (g). Z= Factor de zona. U= factor de uso. C= coeficiente de amplificación sísmica. S= factor de suelo. R= coeficiente de reducción de reducción de solicitaciones sísmicas. TP= periodo que depende del tipo de suelo. T= periodo fundamental de la estructura.

d) Obtención del Punto de Desempeño.

Figura 2.1. Conversión de la Curva de Capacidad al Espectro de Capacidad.

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En resumen, el método del espectro de capacidad busca reducir la curva del espectro elástico de demanda para interceptar la curva de capacidad en coordenadas espectrales y encontrar, de esta manera, el punto de desempeño(Performance point). (Cesar Fajardo, 2012).

e) Análisis Modal de la Estructura

Peso de la edificación (NTE – 030 16.3):

El peso (P), se calculará adicionando a la carga permanente y total de la Edificación un porcentaje de la carga viva o sobrecarga que se determinará de la siguiente manera:

En edificaciones de las categorías A y B, se tomará el 50% de la carga viva.

En edificaciones de la categoría C, se tomará el 25% de la carga viva. En depósitos, el 80% del peso total que es posible almacenar. En azoteas y techos en general se tomará el 25% de la carga viva.

Figura 2.2. Ubicación del punto inicial para el proceso iterativo en la búsqueda del punto de desempeño.

Figura 2.3. Representación bi-lineal del espectro de capacidad por el criterio de igualdad de energía disipada.

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En estructuras de tanques, silos y estructuras similares se considerará el 100% de la carga que puede contener.

Periodos de la Estructura:

El programa ETABS calcula las frecuencias naturales y los modos de vibración de las estructuras. En el análisis tridimensional se ha empleado la superposición de los primeros modos de vibración ya que son los más significativos.

f) Desplazamientos y Distorsiones en la estructura existente

Máximo desplazamiento relativo de entrepiso:

La Norma técnica de diseño Sismo Resistente E - 030 (2006), establece como distorsión máxima de entrepiso el valor de 0.007 para estructuras compuestas predominantemente por concreto armado y 0.005 para estructuras compuestas predominantemente de albañilería confinada, esto se cumplirá en ambas direcciones de análisis.

g) Verificación del cortante en la base

Cortante total en la Base (NTE – 030 17.3)

Se calculara mediante la siguiente expresión:

Vi =Z . U . C . SR

. P

Cortante Mínimo de la base (NTE – 030 18.2)

Para una estructura irregular será del 90% del cortante total en la base del análisis estático.

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CAPITULO III. HIPOTESIS DE INVESTIGACION

3.1. HIPOTESIS GENERAL

La respuesta sísmica de las edificaciones de 4 pisos de mampostería confinada construidas sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja será desfavorable ante un sismo severo debido a sus ineficientes sistemas estructurales y demanda sísmica alta.

3.2. HIPOTESIS ESPECÍFICAS

El sistema estructural de las edificaciones de 4 pisos de mampostería confinada construidas sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja es ineficiente debido a sus características funcionales y estructurales.

La demanda sísmica de las edificaciones de 4 pisos de mampostería confinada construidas sobre ladera en la ciudad de Cajamarca-Barrio Bellavista Baja es alta debido a los parámetros de su espectro de diseño desfavorables.

3.3. DEFINICION DE VARIABLES

3.3.1. VARIABLES INDEPENDIENTES

Sistema Estructural: es entendido como todo aquel conjunto de elementos que tiene la función común de resistir cargas, cuyo dimensionamiento tiene una serie de condicionantes propios y que cumple diversos estados límites de servicio y rotura (Bozzo y Barbat 2004).

Demanda Sísmica se denomina así al requerimiento que el sismo impone sobre la estructura y que se representa mediante los espectros de pseudo - aceleración “Sa” y de desplazamiento “Sd” (Guendelman et al. 2008).

3.3.2. VARIABLES DEPENDIENTES

Respuesta Sísmica: es el comportamiento de la estructura expresada en desplazamientos de entre-pisos máximos, rotaciones y formación de mecanismos de colapso, que se producen en ella al actuar sobre esta una carga de sismo.

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