¿Diseño Basado en
Desempeño en Chile?
René Lagos C. - Ingeniero Civil
C.E.O. Rene Lagos Engineers
renelagos engineers
Performance of High-Rise Concrete Buildings in Chile
International Journal of High-Rise Buildings – CTBUH (sep. 2012)
Coautores
Marianne KUPFER,
Jorge LINDENBERG,
Patricio BONELLI,
Rodolfo SARAGONI,
Tomas GUENDELMAN,
Leonardo MASSONE,
Ruben BOROSCHEK,
Fernando YAÑEZ,
renelagos engineers
Objetivos de la NCh433
Lograr estructuras que:
a) resistan sin daños movimientos sísmicos de intensidad
moderada;
b) limiten los daños en elementos no estructurales durante
sismos de mediana intensidad;
c) aunque presenten daños, eviten el colapso durante
sismos de intensidad excepcionalmente severa.
Filosofía de Diseño Sísmico
renelagos engineers
Objetivos de la NCh433
Lograr estructuras que:
a) resistan sin daños movimientos sísmicos de intensidad
moderada;
b) limiten los daños en elementos no estructurales durante
sismos de mediana intensidad;
c) aunque presenten daños, eviten el colapso durante
sismos de intensidad excepcionalmente severa.
- Se mencionan tres niveles de intensidad de movimiento
sísmico, pero la norma no los define en forma explícita.
- Se definen como objetivo tres niveles de desempeño pero no
se exige su verificación explícita.
Filosofía de Diseño Sísmico
renelagos engineers
Objetivos de la NCh433
Lograr estructuras que:
a) resistan sin daños movimientos sísmicos de intensidad
moderada;
b) limiten los daños en elementos no estructurales durante
sismos de mediana intensidad;
c) aunque presenten daños, eviten el colapso durante
sismos de intensidad excepcionalmente severa.
- Los procedimientos definidos en las normas tradicionales
intentan satisfacer implicitamente y simultáneamente los tres
objetivos de desempeño, estableciendo reglas prescriptivas
para un solo nivel de solicitación sísmica.
Filosofía de Diseño Sísmico
renelagos engineers
Vision 2000 (SEAOC 1995):
Conceptos para el Diseño por Desempeño (PBD)
Filosofía de Diseño Sísmico
Objetivos de Desempeño
Niveles Sísmicos para Diseño y Verificación
renelagos engineers
Niveles de desempeño
Como se produce daño?:
a) Daño Estructural: Depende de εc y εs
b) Daño en componentes No-Estructurales: δi / hi
c) Daño en Contenidos: Depende de la aceleración.
Filosofía de Diseño Sísmico
renelagos engineers
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
SEAOC – VISION 2000
d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025 renelagos engineers
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
SEAOC – VISION 2000
d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025
Nivel de
Demanda
NCh433
Sa/R*
1.4 Sa/R*
Sa
1.2 Sa
renelagos engineers
Los Angeles Tall Buildings
Structural Design Council
(LATBSDC)
Pacific Earthquake
Engineering Research
Center (PEER)
Council on Tall Buildings
And Urban Habitat
(CTBUH)
Ejemplos de Normas Sísmicas para
Performance-base Design
renelagos engineers
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
SEAOC – VISION 2000
d/H 0.002 0.005 0.015 0.025
Nivel de
Demanda
NCh433
Sa/R*
1.4 Sa/R*
Sa
1.2 Sa
renelagos engineers
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
SEAOC – VISION 2000
d/H 0.002 0.005 0.015 0.025
Extremadamente Raro = MCE
(PR = 2475 años)
2% en 50 años con tope deterministico.
Nivel de
Demanda
NCh433
Sa/R*
1.4 Sa/R*
Sa
1.2 Sa
1.5 Sa
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
SEAOC – VISION 2000
d/H 0.002 0.005 0.015 0.025
Extremadamente Raro = MCE
(PR = 2475 años)
2% en 50 años con tope deterministico.
Nivel de
Demanda
NCh433
Sa/R*
1.4 Sa/R*
Sa
1.2 Sa
1.5 Sa Baja Probabilidad
de Colapso
Sísmos de Magnitud ≥ 8 entre 1570 y 2010 en
Chile
renelagos engineers
renelagos engineers
¿Cómo se comportaron los edificios en el
terremoto del 27F - 2010?
Solo los habitacionales construidos entre 1985 y 2009
• Edificios que colapsaron: 4 (aprox.)
• Edificios para demolición: 40 (estimados)
• Número de edificios > 3 pisos 9.974
• Número de edificios > 9 pisos 1.939
• Edificios Colapsados > 9 pisos: 0.2 %
• Edificios para demolición: 2.0 %
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
Los Angeles Tall Buildings
Structural Design Council (LATBSDC)
d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025
Nivel de
Demanda
NCh433
Sa/R*
1.4 Sa/R*
Sa
1.2 Sa
renelagos engineers
La Práctica Chilena en Diseño Sísmico
Chile tiene varias normas de solicitaciones y de diseño
sísmico, diferenciadas por funcionalidad o sistema
estructural.
Normas de solicitaciones sísmicas:
NCh433 para edificios residenciales y oficinas
NCh2745 para edificios con aislación basal
NCh2369 para instalaciones industriales
Performance Based Design: No está en las Normas
Se ha usado en proyectos especiales
Análisis No-lineal (push-over, time history)
Para identificar modo de falla y nivel de desempeño
renelagos engineers
Demandas Elásticas en las Normas Chilenas: (SD: 10% en 50 años)
NCh 433 Of 2009 para edificios residenciales y oficinas
NCh 2745 Of 2003 para edificion con aislación basal
NCh 2369 Of 2003 para instalaciones industriales
A) Espectros de Aceleraciones B) Espectros de Desplazamiento Espectros de respuesta para 5% de amortiguamiento y registros (Mw 7.8 - 8.8) obtenidos en Zona sísmica 3 y suelo Típo II
NCh 2745
NCh 2745
NCh 2369
NCh 2369
NCh 433 NCh 433
NCh 2745
NCh 433
NCh 2745
NCh 433
La Práctica Chilena en Diseño Sísmico
renelagos engineers
La Práctica Chilena en Diseño Sísmico
NCh 433 Of 2009:
•Tipo de análisis: Análisis Modal Espectral – Modelo Lineal
•Fuerzas de diseño: Respuesta elástica reducida por R*
•Esfuerzo de corte basal: ≥ Esfuerzo de corte mínimo
•Control de deriva: En el C.M. y en el perímetro
renelagos engineers
Espectro Elástico: Sa (Zona Sísmica 3)
La Práctica Chilena en Diseño Sísmico
renelagos engineers
La Práctica Chilena en Diseño Sísmico
renelagos engineers
La Práctica Chilena en Diseño Sísmico
renelagos engineers
δu = desplazamiento lateral de diseño en el techo (DS61)
Niv
ele
s d
e S
acu
did
a S
ísm
ica Frecuente
(PR = 43 años)
50% in 30 años
Ocasional
(PR = 72 años)
50% in 50 años
Severa
(PR = 475 años)
10% in 50 años
Muy Severa
(PR = 970 años)
10% in 100 años
Desempeño de la Edificación
Plenamente
Operativo
Seguridad
de VidaOperativo
Colapso
Inminente
Objetivos de
Desempeño(Vision 2000)
Los Angeles Tall Buildings
Structural Design Council (LATBSDC)
d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025
Nivel de
Demanda
NCh433
Sa/R*
1.4 Sa/R*
Sa
1.2 Sa
renelagos engineers
El edificio chileno de H.A.
Indices Estructurales
relacionados con Desempeño
Sísmico
renelagos engineers
δd = desplazamiento de diseño (NCh433)
δy = desplazamiento de fluencia (push-over analysis)
δu = desplazamiento máximo de techo = 1.3 Sde (NCh433)
µ = demanda global de ductilidad de desplazamiento = δu / δy
renelagos engineers
Vu
Diagrama: Fuerza Horizontal V - Deformación lateral δ
δu
θp
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Vu
1.4 δd
renelagos engineers
δu
θp
Diagrama: Fuerza Horizontal V - Deformación lateral δ
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
δd = desplazamiento de diseño (NCh433)
δy = desplazamiento de fluencia (push-over analysis)
δu = desplazamiento máximo de techo = 1.3 Sde (NCh433)
µ = demanda global de ductilidad de desp. = δu / δy≤ µΔ*
µΔ* = razón de ductilidad de desp. modificada = δu / 1.4δd
Razón de ductilidad de desplazamiento modificada µΔ*
µΔ* = δu / 1.4* δd ≥ µ = demanda global de ductilidad de desp.
1280 edificios: Base de datos René Lagos Engineers
renelagos engineers
Envolvente de µΔ*
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
renelagos engineers
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
renelagos engineers
Espectro de Desempeño a partir del Espectro de Desplazamiento
1.3Sde max
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
renelagos engineers
Short & Flex.
Tall & Stiff Tall & Flex.
Short & Stiff
Stiff Flex.
Tall
Short
1.3Sde max
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Espectro de Desempeño a partir del Espectro de Desplazamiento
Indice de Desempeño: δu /Ho
2622 Edificios Chilenos: Base de Datos T. Guendelman
δu = 1.3 Sde (Tag)
88%
54%
renelagos engineers
δu
Ho
0
5
10
15
20
0 50 100 150 200 250
10
00
du/H
o
Ho/T (m/sec)
Drift and Stiffness2622 Chilean Buildings Database by Guendelman
fully operational
operational
flexiblebuildings
normalstiffnessbuildings
stiff buildings
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Indice de Desempeño: δu /Ho
Desplazamiento de Techo δu =1.3 Sde (Zona 2 - Suelo II) 85 Edificios: Base de Datos René Lagos Engineers
Buildings with Ho/T > 40 (normal stiff.)
→ Drift < 0.005 (operational) renelagos engineers
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
La manera más eficiente de mejorar el desempeño
sísmico es reducir el “drift” aumentando el valor
del parámetro Ho/ T renelagos engineers
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Indice de Desempeño: δu /Ho
Desplazamiento de Techo δu =1.3 Sde (Zona 2 - Suelo II) 85 Edificios: Base de Datos René Lagos Engineers
Los edificios de muros tienen valores del parámetro
Ho/ T mayores que los edificios de marcos rígidos
renelagos engineers
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Indice de Desempeño: δu /Ho
Desplazamiento de Techo δu =1.3 Sde (Zona 2 - Suelo II) 85 Edificios: Base de Datos René Lagos Engineers
Desplazamiento relativo de entre-piso: δi / hs
Indicador de control de daño en elementos no-estructurales
renelagos engineers
d top
i
d i
hs
i
d i
hs
d top d top
H
edif. muros edif. marcos sistemas duales
Max i ~ 1.2 Max i ~ 2.0 Max i ~ 1.2
Studies based on inelastic models for Chilean earthquakes records (Bonelli, 2008) indicate ratios
between maximum interstory drift vs maximum roof drift between 1.2 and 2.0, the smallest values
for shear wall type buildings and the largest values for frame type buildings.
=dtop / H
i =di / hs
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Demanda de Desplazamiento vs Daño Sísmico Estructural
Parámetros: Ho/T - Deformación unitaria del hormigón εc
Post-terremoto la Norma NCh430 establece
un control de daño ~ SDI
ACI 318-11 §21.9.6.2 model
renelagos engineers
lw
hw
ϕu = demanda de curvatura θp = demanda de rotación
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
εc
c/lw
N=15
N=20
N=25
Ho/T=40
Ho/T=70
Ho/T=100
N= número de pisos Zona Sísmica 3 – Suelo Tipo D
Profundidad de la fibra neutra (%):
Edificios Flexibles (bajo Ho/T) son mas suceptibles de daño cuando aumenta la carga axial.
Los edificios de rigidez intermedia (Ho/T=70 ), presentan valores de εc < 0.008 para c/lw< 0.5
En edificios rígidos (Ho/T=100 ), la mayoría de los valores de εc quedan bajo el límite 0.003
Para niveles bajos e carga axial (low c/lw), es poco probable que se produzca daño por
compresión, independientemente de la rigidez de la estructura y del número de pisos.
renelagos engineers
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
εc
c/lw
N=15
N=20
N=25
Ho/T=40
Ho/T=70
Ho/T=100
N= número de pisos Zona Sísmica 3 – Suelo Tipo D lw
hw
Profundidad de la fibra neutra (%):
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Demanda de Desplazamiento vs Daño Sísmico Estructural
Parámetros: Ho/T - Deformación unitaria del hormigón εc
La incorporación Post-terremoto en la Norma Chilena de un límite a la deformación unitaria
por compresión en el hormigón = 0.008 (estado límite de daño por compresión), puede ser
vista como una reducción en los niveles de carga axial (o en la profundidad del eje neutro),
pero también puede interpretarse como un incentivo a la adopción de structuras mas rígidas,
lo cual reafirma la práctica histórica Chilena.
renelagos engineers
lw
hw
Edificios Chilenos: Indices Estructurales
Demanda de Desplazamiento vs Daño Sísmico Estructural
Parámetros: Ho/T - Deformación unitaria del hormigón εc
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
εc
c/lw
N=15
N=20
N=25
Ho/T=40
Ho/T=70
Ho/T=100
N= número de pisos Zona Sísmica 3 – Suelo Tipo D
Profundidad de la fibra neutra (%):
Basado en lo anterior, se puede afirmar que, aunque el
“Objectivo Básico” de la Norma Chilena es similar al
criterio del VISION2000 (SEAOC), el nivel real de
desempeño que se logra para edificios normales está
más próximo al objetivo de desempeño correspondiente a
edificios en categoría “Esenciales - Peligrosos ”.
Edificios Chilenos: desempeño Sísmico Estructural
renelagos engineers
Edificios típicos Chilenos de muros
1.- En Chile ocurren terremotos de gran magnitud cada
83 ± 9 años en la zona central del pais.
En forma práctica, podríamos asumir que todo edificio
experimentará durante su vida útil, en alguna ocasión el
sismo más severo. Por lo cual vastaría con considerar
para efectos de diseño, un solo sísmo, para el cual el
objetivo de diseño debería ser de ocupación inmediata
(operational).
renelagos engineers
Concluciones:
¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?
2.- El parámetro Ho/T tiene una buena correlación con los
objetivos de desempeño definidos como δu/Ho de acuerdo
al documento VISION 2000 del SEAOC.
En edificios con altos valores de Ho/T (>70), los estudios
indican que en suelos firmes es posible esperar una
respuesta gloval elástica, no obstante que a nivel de
elementos individuales, puede ocurrir comportamiento
inelástico.
renelagos engineers
Concluciones:
¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?
3.- La incorporación post-terremoto en la Norma Chilena
de un límite a la deformación unitaria por compresión en
el hormigón = 0.008 (estado límite de daño por
compresión), puede ser vista como una reducción en los
niveles de carga axial (o en la profundidad del eje neutro),
pero también puede interpretarse como un incentivo a la
adopción de structuras mas rígidas, lo cual reafirma la
práctica histórica Chilena. Esta exigencia en conjunto con
el uso de sistemas estructurales con valores altos de Ho/T
conduce a estructuras que presentan buenos niveles de
desempeño sísmico.
renelagos engineers
Concluciones:
¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?
4.- Reconociendo que el nivel de desempeño de un
edificio depende de la demanda de esplazamiento y no de
su resistencia, las limitaciones de la norma Chilena
NCh433.Of96 para deformaciones de entrepiso bajo
fuerzas reducidas, en conjunto con la exigencia de un
esfuerzo de corte basal mínimo, han derivado en el uso de
sistemas estructurales rígidos con altos valores de Ho/T.
Esto indirectamente ha contribuido el comportamiento
exitoso que históricamente han presentado nuestros
edificios al ser sometidos a terremotos fuertes.
renelagos engineers
Concluciones:
¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?
5.- La norma Chilena de diseño sísmico declara como
objetivo un nivel de desempeño de “seguridad de vida”
para el terremoto de los 475 años para edificios normales.
Sin embargo como se ha mostrado, el “Drift” de techo
para la mayoría de los edificios diseñados de acuerdo a la
práctica Chilena queda bajo 0.5%, lo cual corresponde a
un nivel de “operacional”.
También se debe reconocer que para terremotos
frecuentes o incluso ocasionales, los edificios han
presentado niveles de desempeño “completamente
operacional”. renelagos engineers
Concluciones:
¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?
renelagos engineers
Chilean type shear wall buildings
Concluciones:
¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?
6.- Basado en lo anterior, se puede afirmar que, aunque el
“Objectivo Básico” de la Norma Chilena es similar al
criterio del VISION2000 (SEAOC), el nivel real de
desempeño que se logra para edificios normales está
más próximo al objetivo de desempeño correspondiente a
edificios en categoría “Esenciales - Peligrosos ”.
Gracias!
renelagos engineers