ALGUNOS ASPECTOS DEL DISEO SISMORRESTENTE DE EDIFICIOS Y DE
OBRAS DE INFRAESTRUCTURA
Roberto Meli
Instituto de Ingeniera, UNAM, Mxico
Temas a tratar
Criterios y normas de diseo sismorresistente
Efectos locales e interaccin suelo-estructura
Estructuras irregulares y requisitos de ductilidad
Sistemas para reduccin de la respuesta ssmica
Aspectos especiales del diseo ssmico de:
Puentes
Estructuras industriales
Tneles
Normativa sismorresitente
Son pocos los pases en los que existe un cuerpo homogneo de normas, como los Euro-cdigos
Diferencias en un mismo pas, en los criterios de diseo para distintos materiales y sistemas estructurales (Acero o concreto; edificios, puentes). Sobre todo en USA
Dos o tres cdigos se toman como modelo, pero con modificaciones derivadas de:
Los principios y los procedimientos generales tienden a coincidir
La normativa mexicana (como un ejemplo)
Normas para edificios. Los reglamentos de construccin son de mbito municipal
Muchos municipios adoptan un reglamento modelo de su estado
Normas Tcnicas Complementarias de Diseo Ssmico. Son parte de un cuerpo tcnico anexo al Reglamento de Construcciones
Las normas del Distrito Federal son adoptadas por muchos municipios
Normativa para obras civiles
Mucho ms dispersa que la de edificios
El Eurocdigo 8 cubre las obras ms comunes
En Mxico:
Manual de Diseo de Obras Civiles de la Comisin Federal de Electricidad MDOC(2008)
Captulo 3- Diseo por Sismo
Subcaptulos: Edificios; Pndulos invertidos y apndices; Muros de retencin; Chimeneas y silos; Tanques y cisternas; Estructuras industriales; Tuberas; Presas; Aislamiento ssmico y disipadores de energa; Torres de telecomunicacin; Tneles; Cimentaciones
Distintos tipos de espectros de diseo
Espectros para eventos con un perodo de retorno dado (probabilidad de excedencia)
Espectro para peligro uniforme
Espectros para distintos estados lmite
Espectro para sismo mximo creble
Acciones ssmicas de diseo
El espectro de (seudo)aceleraciones como va para definir la accin ssmica de diseo
Distintas formas espectrales. Por diferencias en la tectnica de los sismos generadores y en la forma de tomar en cuenta las modificaciones por el tipo de suelo
Ejemplo del Euro-Cdigo : Estados lmite (ltimo y de servicio: limitacin de dao)
Muchos cdigos no explican las bases para llegar a sus espectros de diseo
Espectros de velocidades y de desplazamientos
Distintos tipos de espectros de diseo
Espectros para evento con un perodo de retorno dado (probabilidad de excedencia)
Espectro como envolvente de dos o ms eventos crticos
Espectro para peligro uniforme
Espectros para distintos estados lmite: limitacin de daos, prevencin de colapso, espectro para sismo mximo creble
Forma tpica del espectro de diseo.Euro-Cdigo EC-8
Grandes diferencias entre los espectros de diseo y los de eventos registrados
Sismo de Tohoku. Espectros del movimiento ms fuerte registrado en la zona epicentral
Calle principal de la ciudad de Sendai despus del sismo de magnitud 9.0
Mxico. Sismos Fuertes en el siglo XX
MDOC-CFE. Aceleraciones mximas del terreno.Estado Lmite de Prevencin de Colapso
Efectos de sitio
Correccin del espectro para roca, a sitios con distintos tipos de suelo
Tres a cinco tipos
Efectos del suelo blando, amplificacin de ondas de periodo largo
Microzonificacin
Clculo de espectros de sitio
Factores de amplificacin para la construccin del espectro en distintos tipos de suelo EC-8
Tipos de suelo para definir Espectro de diseo.EC-8
Diferencias en los movimientos ssmicos en distintos sitios de la ciudad de Mxico
Microzonificacin de la ciudad de Mxico
NTCDS-DF. Espectros de diseo ssmico actuales
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 1 2 3 4 5
T (seg)
Sa
(g
al)
Ts=0.5
Ts=0.75
Ts=1
Ts=1.25
Ts=1.5
Ts=1.75
Ts=2
Ts=2.25
Ts=2.5
Ts=3
Ts=3.25
Ts=4
Perodos de retorno para espectros de diseo
Tpico para E.L. de prevencin de colapso (o de integridad estructural): 475 aos (10 % de probabilidad de ser excedido en 50 aos)
Para E.L. de Limitacin de daos: 50 aos (30% de ser excedido en 50 aos)
Para consecuencias muy graves en caso de falla, se aplican factores de importancia
En diseo por desempeo hay otros niveles:
Prevencin de colapso . Perodo de retorno 2475 aos, (2% de probabilidad de excedencia), para revisin de mecanismo de colapso con push-over
Factores correctivos del espectro de diseo
Por ductilidad (factor de reduccin por disipacin de energa por comportamiento inelstico, equivale a un amortiguamiento adicional)
Por sobrerresistencia (Factor de reduccin ligad principalmente al tipo de mecanismo de colapso)
Por importancia (Factor de aumento segn las consecuencias de la falla; edificios crticos)
Diferencias entre los valores especificados por distintas normas
Diferencias notables en:
Perodos de retorno y coeficientes ssmicos
Correcciones por tipo de suelo
Factores de reduccin por ductilidad y sobrerresistencia
Factores de carga para las combinaciones que incluyen sismo (llegan a ser muy distintos)
La mayora de estos factores estn calibrados para edificios
Debe evitarse mezclas de normas distintas porque pueden tener factores de seguridad mayores en diferentes partes
Criterios de diseo ssmico
Casi todas las normas establecen dos objetivos:
Daos mnimos ante sismos con moderados (intensidad con probabilidad significativa de presentarse durante la vida til del edificio)
Evitar colapso ante sismos de intensidad extraordinaria, con una probabilidad muy pequea de ocurrir
Casi ningn cdigo explica claramente cmo es que siguiendo los requisitos que establece se cumplen los dos objetivos
Diseo ssmico por desempeo
Establece relaciones explicitas entre tres (o cuatro) niveles de desempeo y las intensidades ssmicas correspondientes. Relacionan el dao y los niveles de desempeo, que se asocia a los desplazamientos laterales de (entrepiso)
En el fondo es equivalente a un diseo por estados lmites
Parece suficiente, y mucho ms prctico, limitarse a los dos estados lmite de rigor: servicio y falla
Diseo por capacidad
Requiere un dimensionamiento y detallado que garanticen que la estructura tenga un modo de falla dctil (que se alcance cierta de capacidad de desplazamiento)
Lo anterior se debe revisar con un anlisis no lineal hasta la falla (push over)
Factores de comportamiento ssmico y distorsiones de entrepiso mximas
Sistema Estructural(1)
Q(2)
Distorsiones
de Diseo
Limitaciones de Uso y
Regularidad (3)(4)
Zona I Zona II Zona III
Marcos
rgidos de
acero,
compuestos o
de concreto
reforzado
Dctiles 4.0 0.03 SR SR A, B y C
Con ductilidad limitada 3.0 0.02 SR SR A y B
Con ductilidad reducida 2.0 0.015 SR A, B y C NP
Marcos
rgidos de
acero,
compuestos o
de concreto
reforzado(5)
rigidizados
con
Con contravientos concntricos
dctiles(6) 3.0 0.015 SR A, B y C A, B y C
Con contravientos concntricos
restringidos contra pandeo(6) 4.0 0.015 SR A, B y C A, B y C
Con contravientos concntricos
no dctiles o que solo trabajan
a tensin(7)
2.0 0.008 SR A, B y C NP
Con muros de acero o
compuestos(6) 4.0 0.015 SR A, B y C A, B y C
Con muros de concreto con
detallado dctil(6)
3.5 0.015 SR A, B y C A, B y C
Con muros de concreto con
ductilidad limitada(6)
2.0 0.01 SR A y B A y B
Con muros de concreto con
ductilidad reducida (7)
2.0 0.006 SR A y B NP
Marcos conformados por columnas y losas
planas o marcos prefabricados de concreto
reforzado, ambos con detallado ssmico
2.0 0.01 SR A y B NP
Otros sistemas estructurales de acero,
compuestos o de concreto reforzado(7)
1.0 0.006 A y B A y B NP
Comprobacin del cumplimiento de los objetivos
Desempeo medido en trminos de la relacin accin-respuesta
Dao en trminos de desplazamiento lateral o distorsin de entrepiso
Relacin Fuerza Cortante-Distorsin
Relacin Fuerza cortante-distorsin de entrepiso
Mecanismo de falla dctil: viga dbil - columna fuerte
SMc = 1.5 SMg
Anlisis de la estructura
Anlisis lineal equivalente (modal espectral o paso a paso)
comportamiento no lineal tomado en cuenta con factores correctivos
Modelo de la estructura segn el nivel de desempeo que se est evaluando
Revisin de respuesta al colapso con mtodo esttico equivalente, push-over.
Efecto de la automatizacin de los procesos de anlisis y de dimensionamiento
Los grandes paquetes de cmputo para diseo
Los mtodos de anlisis tienden a hacerse ms refinados
Modelos 3D de elementos finitos, analizados con el mtodo modal espectral
Los mtodos estticos tienden a desaparecero a emplearse solo para comprobaciones.
Determinacin del sistema estructural (Estructuracin)
La estructuracin como etapa bsica del proceso de diseo
Los problemas graves se generan por sistemasestructurales inapropiados
Soluciones tpicas de regiones de bajo peligro ssmicopueden no ser adecuadas en zonas ssmicas
Caractersticas deseables del sistema estructural:Rigidez, regularidad, simetra, flujo de fuerzas claro y eficiente que se preste a lograr alta capacidad de disipacin de energa
Debilidades frecuentes:Torsin. discontinuidad, concentraciones, planta baja dbil,
Torsin por excentricidad de rigideces
Colapso por columnas dbiles
Falla por cambio de estructuracin en planta baja (Pisco, Per, 2007)
Colapso por planta baja dbilSismo de Ismit, Turqua
Casos de columnas cortas
Detallado del refuerzo
Detallado para ductilidad (capacidad de disipacin de energa)
Propicia modos de falla dctiles
Va ligado al diseo por capacidad
Cara libre del nudo
Seccin B-B
PLANTA
A
A
BB
Cara libredel nudo
Estribocerrado
oEstribo
abierto enforma deletra U
invertida
Seccin A-A
Ld
Refuerzo transversal y vertical en uniones viga-columna de marcos dctiles
Diferentes opciones para los factores de reduccin por ductilidad
Requisitos y reducciones por ductuilidad diferentes segn el peligro ssmico del sitio
Opcin de adoptar requisitos de ductilidad de distintos niveles, siempre que se usen los factores de reduccin correspondientes a cada uno de ellos
Armado de unin viga-columna paramarco dctil
Interaccin Suelo-Estructura
La presencia de la estructura modifica el movimiento del terreno en la base
La deformacin del suelo modifica el movimiento de la estructura, en particular su perodo de vibracin
Perodo predominante, TS , de la vibracin del terreno
Las caractersticas de la vibracin del terreno en un sitio se describen de manera simplificada por el perodo predominante de vibracin de los estratos deformables, TS
Las de la estructura se definen por su perodo fundamental de vibracin, TE
TS /TE Define la amplificacin del movimiento del suelo (resonancia)
Perodo fundamental de vibracin del sitio
Interaccin suelo-estructura. Modificacin de la accin del suelo sobre la estructura
Interaccin cinemtica
Las ondas de longitud menor que la dimensin de la planta, se filtran y reducen su amplitud. Este fenmenoes significativo en edificios muy rgidos y masivos sobresuelos blandos
Interaccin inercial
La vibracin del edificio como un cuerpo rgidorestituye al suelo parte de la energa que ste, habaintroducido en el edificio. Esto equivale a un amortiguamiento adicional que es significativo en edificios rgidos sobre suelos blandos
Catedral Metropolitana. Efecto de la presencia del edificio en el movimiento ssmico del terreno
Red de instrumentacin ssmica, operando desde 1997
Registros de sismo 17/01/97
Comparacin entre movimiento en stano y en campo libre
CL / SC (E - W)
0.1
1
10
100
0.1 1 10
Frecuencia (Hz)
Am
plitu
d
11-Ene-97
21-Ago-00
21-Ene-03
Respuestas registradas en techo y en stano
Efectos del movimiento de la base en la respuesta de la estructura
Hay desplazamiento y rotacin de la base de la estructura
Estos tienen efecto principalmente en el perodo fundamental del conjunto estructura-cimentacin. Muy poco en modos superiores
Interaccin Suelo-Estructura. Modelos para anlisis
Efecto del amortiguamiento en la amplificacin dinmica para un S1GL. Resonancia
Dispositivos para reducir la respuesta ssmica de las estructuras (Aisladores y Disipadores)
Particularmente empleados en puentes, porque su estructura es simple y es fcil identificar las posiciones ptimas de los dispositivos
Algunos cientos de puentes ha sido dotados de dispositivos de este tipo, pero solo pocos edificios
Su empleo es relativamente reciente, por lo que hay poca evidencia de su desempeo en sismos severos
Aplicaciones en el contenido de los edificios
Maquinaria y aparatos particularmente sensibles a la vibracin
Situaciones favorables para emplear los dispositivos reductores de la respuesta
Aisladores: Eficaces para estructuras rgidas en suelo firme y para sitios con posibles epicentros cercanos
Amortiguadores:tiles para estructuras que amplifican mucho la vibracin del terreno (condiciones cerca de la resonancia)Uso principal en rehabilitacin de edificios existentes
Aislador de base con ncleo amortiguador
Esquema del comportamiento de edificios sin y con aislamiento de base
Amortiguadores en sistemas de contraviento
Criterios de anlisis y diseo de estructuras con dispositivos reductores de la respuesta
Modelos con resortes (elsticos) y amortiguadores con propiedades derivadas de pruebas de laboratorio
Tpicamente, anlisis modal espectral y revisin con anlisis paso a paso. Los paquetes de cmputo normalmente no permiten considerar amortiguamientos diferentes a cada resorte
Ejemplo de espectro de diseo y de anlisis ssmico de un edificio alto en Mxico D.F.
Problemtica muy particular: sismos lejanos y de gran magnitud; Suelo extremadamente blando en el que se amplifican las ondas de baja frecuenciaEdificios muy altos son pocos vulnerables porque tienen frecuencias fundamentales mucho menores que las del suelo.Estudio cuidadoso del sitio. Cimentaciones profundas Interaccin muy favorable entre cimentacin y suelo
244 m, 57 pisos ms 9 stanos
Edificio alto en la ciudad de Mxico
Estratigrafa
Corte de la obra subterrnea
Efectos favorables de la parte subterrnea
La rigidez de la parte subterrnea reduce la amplificacin de las ondas desde los estratos firmes profundos
Tambin amortigua la vibracin de las ondas que son transmitidas por el suelo circundante
Reduccin importante de las ordenadas espectrales
Espectros de diseo con y sin Interaccin suelo-estructura (ISE) (Perodo de retorno de 475 aos
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Accele
rati
on
(cm
/s2)
Period (sec)
Espectro estndar Espectro calculado
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Accele
rati
on
(cm
/s2)
Period (sec)
Espectro estndar con incertidumbre
Espectro calculado
Espectros sin ISE
Espectros con ISE
Espectros de diseo para tres perodos de retorno; con y sin ISE
0
200
400
600
800
1000
1200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Accele
rati
on
(cm
/s2)
Period (sec)
43 475 2475
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Accele
rati
on
(cm
/s2)
Period (sec)
43 475 2475
Espectros sin ISE
Espectros con ISE
Consideraciones sobre el diseo ssmico de puentes
Sistemas estructurales simples y con poca redundancia
Daos importantes en sismos recientes
Frecuentemente ubicados en riveras lo que los hace sensibles a la licuefaccin y a los efectos de la interaccin suelo estructura
Problemas por movimientos de los apoyos
Falla de apoyo de vigas en columnas Problemas de licuacin
Falla de columnas
Puente Bull Creek Canyon. San Fernando,CA
Sismo de Kobe, 1996. Falla de columnas del viaducto de Hanshin
Diseado y construido entre 1965 y 1968
Seccin y armado con capacidad para 1.0g
Escasez de acero transversal
Insuficiencia de anclaje del acero longitudinal
Puentes de una sola columna, tipo rbol. Columnas hudcas y pretensadas
Anlisis de la columna
Momento ltimo resistente de la rtula derivado de la grfica momento-curvatura
Corresponde a primera fluencia para E.L. de servicio y al inicio del aplastamiento del concreto del ncleo para el de falla, ecu=0.004, esu= 0.05
Fuentes de sobrerresistencia llevan a incrementos muy elevados respecto al resultado del anlisis
Se acostumbra incrementar 30% el momento resistente calculado, considerando que los otros estados lmites tambin tienen sobrerresistencia
Se complica para sistemas estructurales
Proyectistas prefieren usar Q= 1 (AASHTO)
Falla de base de una columna por pandeo y sucesiva ruptura de las barras longitudinales
Modo de falla
Confinamiento en rtulas plsticas
Confinamiento para ductilidad del ncleo
Los modelos de la estructura deben reflejar la penetracin de la fluencia dentro de la zapata y arriba en la columna
La reduccin de la rigidez por el agrietamiento
es muy severa y cambia el perodo de la estructura
Columnas pretensadas para mejorar control de agrietamiento
Columna prefabricada, monoltica con cabezal y zapata
Diseo de la cimentacin
Por capacidadDeben calcularse para
capacidad del suelo y para capacidad de la estructura de cimentacin
Discrepancias en los factores de sobrerresistencia
Discrepancias en los criterios de geotecnia y de estructuras
Zapata Pilas
Problemas de apoyos del sistema de piso
Efectos de movimientos fuera de fase, asentamientos de cimentacin
Proteccin contra cada de sistema de piso
Longitud de asiento
Llaves de cortante
Restrainers
Juntas flexibles viga columna para reducir la transmisin de momento a la columna
Los apoyos como sistemas de aislamiento ssmico y posible amortiguamiento
Movimiento fuera de fase de apoyos de pilas de puentes
Estructuras industriales. Tipologa
Naves industriales. Estructuras muy simples, sin columnas intermedias, prticos paralelos poco espaciados y de grandes luces, techos ligeros
Estructuras fabriles. Casi siempre irregulares con columnas que no continan en todos los niveles y grandes huecos en los sistemas de piso. Cargas concentradas elevadas.
Estructuras complementarias. Bases de maquinaria, chimeneas, Depsitos elevados
Criterios de diseo
En general los criterios de diseo son los mismosque en edificios, pero con tratamiento particularpara las condiciones especficas que se derivande que la estructura de los edificios industrialesdebe adaptarse al proceso industrial que serealiza en el edificio y suele implicarirregularidades en los sistemas estructurales
Condiciones frecuentes en edificios industriales
Falta de ortogonalidad de los sistemas resistentes
Falta de sistema de piso en algunas crujas (columnas de diferentes alturas)
Sistemas de piso que no constituyen diafragmas horizontales
Contravientos irregularmente distribuidos en planta y en elevacin
Apndices con masas importantes
Algunos criterios especficos para edificios industriales
Explorar la direccin crtica de las acciones ssmicas ortogonales (00% X +0,3Y + 0,7 V)
Mtodo de anlisis que tome en cuenta la flexibilidad del sistema de piso (en su caso)
Diseo para lograr continuidad entre los componentes estructurales
Anlisis local de los apndices estructurales y de los componentes con vibraciones locales significativas
Estados lmites especficos de desplazamientos laterales, para que no se afecte la operacin inmediata de la planta
Colapso de naves industriales en el sismo de Octubre 2012, en Emilia-Romaa
Falta de continuidad entre los elementos estructurales
Sistemas estructurales idneos.Nave industrial con estructura de acero
Efectos ssmicos en tneles
En general los efectos ssmicos en estructuras enterradas son poco significativos; se pueden volver crticos cuando atraviesan fallas activas o en suelos muy deformables o licuables
Pocos casos de daos severos
La vulnerabilidad ssmica de los tneles disminuye con la profundidad
En roca o suelo firme el tnel sigue el movimiento del suelo, y ste es poco alterado por la presencia del tnel
En suelos blandos hay que tomar en cuenta la interaccin suelo-revestimiento
Criterios de diseo
Se trata de un problema de capacidad de deformacin ms que de resistencia
Solucin con modelos analticos simplificados o
modelos de elementos finitos (PLAXIS)
Efecto de la vibracin longitudinal
Tneles en roca. Deformacin longitudinal mxima por la la incidencia de la onda de corte
Tneles en roca. Deformacin unitaria por ovalizacin
Tneles en roca. Deformacin unitaria por ovalizacin
Anlisis en suelo blandos
Ondas de corte que se propagan y se amplifican verticalmente
Se determina el mximo cambio de dimetro y se compara con el que produce agrietamiento o falta de impermeabilidad
0,005 a 0,01 segn recomendaciones
Rara vez rige el sismo
Tneles en suelo blando. Elementos mecnicos crticos en el revestimiento