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Para edificaciones bajo sismos ocacionales
Tipo: Tesis
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Presentado a la Sección de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Civil en cumplimiento parcial de los requerimientos para el grado de:
Autor : Ing. Sebastián Casimiro Victorio
Recomendado : Dr. Javier Pique del Pozo Asesor de la Tesis
Aceptado por: CE.Ing. Francisco Coronado del Águila Jefe de la Sección de Posgrado
@ Año; Universidad Nacional de Ingeniería, todos los derechos reservados ó el autor autoriza a la UNI-FIC a reproducir la tesis en su totalidad o en partes.
The purpose of this thesis is to determine the occasional earthquake for the design of buildings. In order to perform seismic design using a performance based design philosophy, multiple design levels earthquakes are required, as well as structural performance levels and performance objectives.
Based on this philosophy, maximum firm ground accelerations, elastic design spectrum and uniform hazard spectrum were obtained, using probabilistic seismic hazard analysis considering a 72 year return period. The maximum ground acceleration has been used for scaling the most significant earthquake records in Perú. A uniform hazard spectrum has been considered as the objective design spectrum in such a way the spectra of such records are compatible with the specified objective.
Additionally a summary of analytical and experimental work on lateral load response of reinforced concrete and masonry buildings is presented. Cracking is used as damage indicator of structural elements and drift as damage level of the structural system.
Conceptual and methodological aspects relating to the evaluation of seismic damage on buildings have been analyzed. For this purpose, incremental nonlinear static analyses and elastic time history analyses have been used.
The damage evaluation procedure has been applied to an eight story shear wall building which was designed for strength according to the E-060 Peruvian seismic standard. To determine maximum demands in the inelastic range, an incremental nonlinear static analysis and an elastic time history analyses were performed using parameters of the occasional earthquake.
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Quiero expresar mis más sinceros agradecimientos al Dr. Javier Pique del Pozo, por su asesoramiento así como por todo el apoyo brindado en el desarrollo de este estudio. A todas las personas que de alguna u otra forma colaboraron en la realización de este estudio, muchas gracias.
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8.6.5.1 Muros de cortante 222
8.7 Resultados del análisis estático no lineal .......................................................... 225
8.8 Resultados del análisis elástico tiempo-historia ............................................... 232
8.9 Conclusiones........................................................................................................ 236
CAPITULO 9 ............................................................................................................. 237
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................... 237
9.1 Conclusiones........................................................................................................ 237
9.2 Recomendaciones................................................................................................ 242
LISTA DE FIGURAS
Fig. 2.1: Relación entre el periodo de retorno y la probabilidad de excedencia para diferentes periodos de diseño ..................................................................................... 9 Fig. 2.2: Probabilidad de excedencia contra Vida útil para diferentes periodos de retorno....................................................................................................................... 10 Fig. 2.3: Niveles de desempeño, para elementos estructurales y no estructurales ........ 14 Fig. 2.4: Tres niveles de desempeño, para elementos estructurales y no estructurales.. 24 Fig. 3.1: Elementos del análisis del peligro sísmico probabilístico............................... Fig. 3.2: Fuentes sismogenicas de Subducción yContinentales[25]............................. Fig. 3.3: Relación de atenuación de Youngs et al. (1997), suelo firme para la fuente de subducción- Intraplaca (F 8 ), H (profundidad focal) = 140km.................................. Fig. 3.4: Relación de atenuación de Sadigh et al. (1997), suelo firme, para sismos continentales............................................................................................................. 39 Fig. 3.5: Curvas de peligro sísmico para la ciudad de Lima con el aporte al peligro de diversas fuentes sísmicas.......................................................................................... 42 Fig. 3.6: Curva de peligro sísmico para las ciudades ubicadas en la zona sísmica Z=3, para suelo firme, obtenidas para una probabilidad del 50% de ser excedido en 50 años-periodo de retorno de 72 años (Sismo de nivel ocasional)............................. 43 Fig. 3.7: Curva de peligro sísmico para las ciudades ubicadas en la zona sísmica Z=2, para suelo firme, obtenidas para una probabilidad del 50% de ser excedido en 50 años-periodo de retorno de 72 años (sismo de nivel ocasional) ............................. 43 Fig. 3.8: Curva de peligro sísmico para las ciudades ubicadas en la zona sísmica Z=1, para suelo firme, obtenidas para una probabilidad del 50% de ser excedido en 50 años-periodo de retorno de 72 años (sismo de nivel ocasional) ............................. 44 Fig. 3.9: Curva de peligro sísmico para la ciudad de Lima para suelo firme, obtenidas para una probabilidad del 50% de ser excedido en 50 años-periodo de retorno de 72 años (sismo de nivel ocasional)............................................................................... Fig. 3.10: Definición del espectro de peligro uniforme (Reiter, 1990).......................... 46 Fig. 3.11: Curva de peligro sísmico para un rango de periodos estructurales, y la construcción del espectro de peligro uniforme........................................................ Fig. 3.12: Curva completa del espectro de peligro uniforme para el sismo ocasional, para la ciudad de Lima............................................................................................ 49 viii
Fig. 3.13: Comparación de los espectros de peligro uniforme generadas para la ciudad de Lima con los espectros propuestos por el código sísmico E-030 para la zona sísmica 3, para el sismo raro con un periodo de retorno de 475 años ..................... 50 Fig. 4.1: Procedimiento de escalamiento real para registros del movimiento del suelo. 58 Fig. 4.2: Registros sísmicos originales y escalados a la aceleración máxima del suelo (PGA) para la ciudad de Lima para el sismo de nivel ocasional............................. Fig. 4.3: Espectro de diseño elástico para el nivel de sismo ocasional (periodo de retorno de 72 años).............................................................................................................. Fig. 4.4: Espectros de respuesta y de diseño antes y después del escalamiento............ Fig. 4.5: Desagregado para T=0 s, PGA, Mw=7.1, Rrup=70.7 km ........................ 64 Fig. 4.6: Desagregado para T=0.2 s, Mw=7.1, Rrup=70.7 km...................................... Fig. 4.7: Desagregado para T=1 s, PGA, Mw=7.6, Rrup=70.7 km ........................ 65 Fig. 4.8: Desagregado para T=2 s, PGA, Mw=7.5, Rrup=70.7 km ........................ 66 Fig. 4.9: Procedimiento para la selección de registros sismicos [1] .............................. 67 Fig. 4.10: Contribucion de la magnitud en la selección de registros sísmicos. Forma espectral de respuesta (normalizada a la ordenada de 0.2 s) para suelo firme para 10km para un sismo de magnitud 5.5, 6 y 7 usando los valores medios obtenidos de la ecuación de atenuación de Youngs (1997)......................................................... 68 Fig. 4.11: Influencia de la distancia en el escalamiento de acelerogamas. Forma espectral de respuesta (normalizada a la ordenada de 0.2 s) para suelo firme para 10km, 20km y 50km para un sismo de magnitud 7 usando los valores medios obtenidos de la ecuación de atenuación de Youngs (1997).................................... 69 Fig. 4.12: Espectros de respuesta originales y el promedio que se ajusta al espectro objetivo.................................................................................................................... 71 Fig. 4.13: Registros sísmicos compatibles con las características de un emplazamiento, para el sismo ocasional............................................................................................ 72 Fig. 4.14: Espectros de respuesta antes y después de hacer el ajuste al espectro de peligro uniforme del sismo de nivel ocasional (periodo de retorno de 72 años) .... 73 Fig. 4.15: Acelerogramas antes y después de ajustarse al espectro de peligro uniforme. ................................................................................................................................. 73 Fig. 4.16: Registros de aceleración, velocidad y desplazamiento del sismo de Pisco del 15 de agosto del 2007, componente EO y registrado en la estación ICA2 ............. 76 Fig. 4.17: Registro de aceleraciones del Sismo de Pisco del 15 de Agosto de 2007, registrado en la Estación ICA2................................................................................. 77 Fig. 4.18: Gráfico Intensidad de Arias v/s Tiempo para el registro de Sismo de Pisco de 2007......................................................................................................................... 81 Fig.4.19: Duración del registro sísmico original............................................................. 84 Fig. 4.20: Duración de un registro sísmico escalado linealmente.................................. Fig. 4.21: Variación del registro sísmico de Pisco, componente EO, en contenido de frecuencias y amplitud con el ajuste espectral ......................................................... 85 Fig. 4.22: Variación de la duración significativa y el espectro de respuestas con el método del ajuste espectral....................................................................................... 85 Fig. 4.23: Registro sísmico y espectro de amplitudes de Fourier del sismo del 17 de Octubre de 1966 (componente N82W)..................................................................... 88 Fig. 4.24: Registro sísmico y espectro de amplitudes de Fourier del sismo del 31 de Mayo de 1966 (componente N82W) ........................................................................ 89 Fig. 4.25: Registro sísmico y espectro de amplitudes de Fourier del sismo del 3 de Octubre de 1974 (componente N82W).....................................................................
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Fig. 5.20: Espectro de respuesta promedio más una desviación estándar, sirve como referencia para la construcción de espectro de diseño .......................................... 117 Fig. 5.21: Identificación de las regiones de aceleración, velocidad y desplazamiento 118 Fig. 5.22: Trazado de rectas y periodos que identifican las regiones de aceleración, velocidad y desplazamiento.................................................................................... Fig. 5.23: Espectro de diseño en velocidades................................................................ Fig. 5.24: Espectro de diseño elástico para sismos ocasionales (PGA = 0.293g)......... Fig. 5.25: Espectro de diseño elástico propuesto y espectro de respuesta promedio mas una desviación estándar.......................................................................................... 120 Fig. 5.26: Comparación de los espectros de peligro uniforme con el espectro elástico de diseño y el espectro promedio generadas para la zona sísmica 3, para el sismo ocasional.................................................................................................................. 121 Fig. 5.27: Espectros Elásticos de Diseño comparación de este trabajo con la Norma sismorresistente E.030........................................................................................... 122 Fig. 6.1: Formas de falla en elementos estructurales de concreto armado .................... 128 Fig. 6.2: Representación de las derivas de entrepisos en edificaciones ........................ 129 Fig. 6.3: Representación de la ductilidad en estructuras ............................................... 131 Fig. 6.4: Representación de los estados límites de deformación de la sección transversal de concreto armado sobre la relación momento curvatura..................................... Fig. 6.5: Estado límite de agrietamiento del concreto................................................... Fig. 6. 6 : Estado límite de primera fluencia del refuerzo............................................... Fig. 6.7: Estado límite de aplastamiento del concreto................................................... Fig. 6. 8 : Estado límite de pandeo del refuerzo.............................................................. Fig. 6.9: Estado límite último........................................................................................ Fig. 6.10: Estados Límites del sistema estructural........................................................ 140 Fig. 6.11: Relación de daños de los elementos sobre la relación de histéresis .............. 144 Fig. 6.12: Desempeño estructural típico y los estados de daño asociadas..................... Fig. 6.13: Curva de comportamiento de un muro de albañilería confinada .................. 149 Fig. 6.14: Estados de daños para los estados límites ELS, ELO, ELDC y ELU ......... 152 Fig. 6.15: Identificación de los estados límites en las curvas de histéresis de un muro de albañilería confinada............................................................................................... 153 Fig. 7.1: Curva de capacidad......................................................................................... Fig. 7.2: Distribución de carga lateral (uniforme, triangular y modal) utilizadas en el análisis Pushover por control de cargas.................................................................. 158 Fig. 7.3: Espectro de capacidad..................................................................................... Fig. 7.4: Representación bilineal de la curva de capacidad........................................... Fig. 7.5: Transformación del espectro de respuesta elástico en espectro de demanda elástico.................................................................................................................... 162 Fig. 7.6: Espectro de diseño elástico Newmark-Hall.................................................... Fig. 7.7: Punto de desempeño........................................................................................ Fig. 8.1: Espectro de pseudo-aceleraciones empelado para el análisis dinámico ........ 170 Fig. 8.2: Vista en planta de la edificación de ocho niveles........................................... Fig. 8.3: Modelo tridimensional de la edificación de ocho niveles con muros estructurales............................................................................................................ 172 Fig. 8.4: Formas de modo del edificio de 8 niveles....................................................... Fig. 8.5: Distribución de refuerzos longitudinales y corte en vigas .............................. 179 Fig. 8. 6 : Diagrama de interacción (M-P) de la columna CA1 (columna ubicado en la intersección de los ejes A y 1)................................................................................
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Fig. 8.7: Sección y distribución de refuerzos longitudinales en las columnas CA1 y CB1........................................................................................................................ Fig. 8. 8 : Diagrama de interacción de la placa en la base del primer piso ..................... 191 Fig. 8.9: Detalle del muro estructural del primer piso................................................... Fig. 8.10: Curva del modelo de Mander para Concreto Confinado y No Confinado aplicado para cualquier forma de sección y nivel de confinamiento .................... 197 Fig. 8.11: Confinamiento efectivo del concreto y el mecanismo de arco en columna de sección rectangular.................................................................................................. Fig. 8.12: Relación de esfuerzos para concreto confinado y sin confinar..................... Fig. 8.13: Modelo trilineal de la curva esfuerzo-deformación del acero ...................... 202 Fig. 8.14: Tipo de columnas de concreto armado en el edificio de ocho niveles ......... 203 Fig. 8.15: Tipos de vigas de concreto armado en el edificio de ocho niveles ............... 203 Fig. 8.16: Muro de corte de concreto armado en el edificio de ocho niveles ............... 203 Fig. 8.17: Comparación de la relación esfuerzo-deformación del concreto confinado utilizando Xtract y Sap2000-SD Section en la Columna de 55x55cm y 50x50cm. ............................................................................................................................... 205 Fig. 8.18: Comparación de la relación esfuerzo-deformación del concreto confinado utilizando Xtract y Sap2000-SD Section de la Viga de 30x60 cm y muros de corte. ............................................................................................................................... 205 Fig. 8.19: Relación momento-curvatura y aproximación bi-lineal ............................... 207 Fig. 8.20: Columna CA1-50x50 cm y sus características geometricas para elcálculo de momento curvatura con el Sap2000...................................................................... 208 Fig. 8.21: Relación momento curvatura y estados límite de deformación .................... 210 Fig. 8.22: Idealización bilineal de la relación momento-curvatura de columna50x50 cm. ............................................................................................................................... 211 Fig. 8.23: Ubicación de los puntos del nivel de desempeño sobre la curva Idealizada de la relación momento-curvatura de columna 50x50 cm .......................................... 212 Fig. 8.24: Diagrama momento curvatura de la columna CA1 (50x50 cm) y su representación bilineal........................................................................................... 215 Fig. 8.25: Diagrama momento curvatura de columna CB2 (columna ubicada en la intersección de los ejes B y 2) de 50x50 cm y su representación bilineal ............ 215 Fig. 8.26: Diagrama momento curvatura de la columna CB2 (55x55 cm) y su representación bilineal........................................................................................... 216 Fig. 8.27: Diagrama momento curvatura de vigas 30x60 cm y su representación bilineal ............................................................................................................................... 216 Fig. 8.28: Diagrama momento curvatura de placa del primer piso (eje 1) y su representación bilineal........................................................................................... 217 Fig. 8.29: Diagrama momento rotación de la columna CA1 (50x50 cm) .................... 219 Fig. 8.30: Diagrama momento rotación bilineal de la columna CA1 (50x50 cm)....... Fig. 8.31: Rotación plástica en un muro controlado por flexión .................................. 222 Fig. 8.32: Desplazamiento lateral en un muro controlado por corte ............................. 223 Fig. 8.33: Modelo estructural para el análisis estático no lineal (Pushover) ................. 223 Fig. 8.34: Rótulas plásticas en vigas, placas y columnas para el análisis estático incremental no lineal Pushover............................................................................... Fig. 8.35: Secuencia de formación de rótulas plásticas ................................................ 226 Fig. 8.36: Curva de capacidad del edificio de ocho niveles en la dirección XX .......... 226 Fig. 8.37: Curva de capacidad y su representación bilineal en la dirección XX- diseño por resistencia......................................................................................................... 228 Fig. 8.38: Espectro de capacidad en la dirección XX ................................................... 229
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Tabla 4.4: valores de escalas obtenidas para el sismo de nivel ocasional ajustando al espectro de diseño dela norma E-030.................................................................... 62 Tabla 4.5: Frecuencias predominantes en el espectro de Fourier del sismo del 17 de Octubre de 1966...................................................................................................... 88 Tabla 5.1: Acelerogramas registrados en las estaciones sísmicas de la ciudad de Lima y los parámetros máximas calculados........................................................................ 111 Tabla 5.2. Niveles de peligro sísmico y aceleraciones en suelo firme, para la costa del Perú......................................................................................................................... 122 Tabla 6.1: Distorsiones permisibles y niveles de daño de edificios ............................ 129 Tabla 6.2: Coeficientes de reducción por ductilidad según el sistema estructural ...... 131 Tabla 6.3: Definición de estados de daños basados en el ancho de grietas y en la deriva máxima.................................................................................................................... Tabla 6.4: Derivas para diferentes sistemas estructurales y diferentes niveles de daño. ................................................................................................................................. Tabla 6.5: Niveles de Desempeño Estructural para Estructuras de Concreto Armado VISION-2000........................................................................................................ 147 Tabla 6. 6 : Niveles de Desempeño Estructural para Estructuras de Concreto Armado FEMA-273............................................................................................................. 148 Tabla 6.7: Distorsión de entrepisos para edificaciones con albañilería confinada- Gallegos y Casabonne (1984) [65]......................................................................... Tabla 6. 8 : Distorsión de entrepisos para edificaciones con albañilería confinada Gibu, Serida (1993) [65]................................................................................................... Tabla 6.9: Distorsión de entrepisos para edificaciones con albañilería Armada Gallegos y Casabonne (1982) [65]......................................................................................... Tabla 6.10: Distorsión de entrepisos para edificaciones con albañilería Armada, programa de investigación Japonés - Norteamericano [65].................................... Tabla 7.1: Limites de distorsión de entrepisos para diferentes niveles de desempeño 166 Tabla 7.2: Matriz de comportamiento........................................................................... Tabla 7.3: Registros sísmicos escalados y ajustados al nivel del sismo ocasional ...... 167 Tabla 8.1: Parámetros sísmicos considerados en la obtención de cargas sísmicas ..... 170 Tabla 8.2: Cargas sobre el muro de corte, en elprimer nivel....................................... Tabla 8.3: Características del acero de refuerzo recomendado para un diseño dúctil de estructuras de concreto armado............................................................................. 203 Tabla 8.4: Parámetros de confinamiento en columnas, vigas y elementos de borde ... 204 Tabla 8.5: Parámetros de confinamiento en columnas, vigas y elementos de borde, obtenidas mediante el programa Xtract y el Sap 2000.......................................... 204 Tabla 8. 6 : Cargas axiales en columnas y placas.......................................................... Tabla 8.7: Límites de desempeño del concreto y del acero de refuerzo ...................... 210 Tabla 8. 8 : Puntos de la relación momento curvatura bilineal ....................................... 211 Tabla 8.9: Matriz de comportamiento de la sección de columna CA1(50x50 cm) con carga axial Pu= -82.26 t ........................................................................................ 212 Tabla 8.10: Propiedades inelásticas en los extremos de las columnas CA1 (columnas ubicadas en la intersección de los ejes A y 1) o columnas esquineras .................. 220 Tabla 8.11: Propiedades inelásticas en los extremos de algunas vigas del eje 2 .......... 221 Tabla 8.12: Propiedades inelásticas en los extremos de la placa del primer piso ........ 221 Tabla 8.13: Puntos de la representación bilineal de la curva de capacidad .................. 228 Tabla 8.14: Parámetros de la información modal del edificio ...................................... 228 Tabla 8.15: Parámetros con información de la ductilidad del sistema y del espectro de demanda inelástico................................................................................................ 230
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Tabla 8.16: Valores del punto de fluencia de la representación bilineal de la curva de capacidad y datos del punto dedesempeño........................................................... Tabla 8.17: Valor de la distorsión de cada piso y de la distorsión límite obtenidos del análisis no lineal estático pushover....................................................................... 232 Tabla 8.18: Desplazamientos de los entrepisos obtenidos con registros escalados y ajustados................................................................................................................. 233 Tabla 8.19: Distorsiones de entrepisos obtenidos con registros escalados y ajustados 234 Tabla 8.20: Distorsiones obtenidas mediante el Espectro elástico correspondiente al sismo ocasional...................................................................................................... 235
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El diseño por desempeño requiere que las edificaciones y otras estructuras sean diseñadas y evaluadas para diferentes niveles de peligro sísmico. Tal es así que el comité visión 2000-1995 [60] y FEMA 273-1997 [23], establecen claramente la manera de cuantificar las características de los sismos que deban considerarse en el análisis sísmico de estructuras. Por ejemplo, consideran cuatros niveles de peligro sísmico. De acuerdo con su periodo de retorno, la acción sísmica puede definirse como sismo frecuente, sismo ocasional, sismo raro y sismo muy raro, que corresponden a periodos de retorno de 43, 72, 475 y 970 años, respectivamente. En el caso del Perú se han realizado investigaciones [3], [25] en la caracterización del sismo raro o severo en la que se indica las zonificaciones sísmicas para una vida útil de 50 años y con una probabilidad de excedencia del 10% (periodo de retorno de 475 años), lo cual se encuentra plasmado en la norma sismorresistente E-030. Para poder verificar el comportamiento de una estructura bajo los eventos sísmicos denominados ocasionales es necesario definir los parámetros de este evento sísmico, de una manera similar a la efectuada para el sismo severo. La aceleración máxima en suelo firme (PGA) es uno de los parámetros que se requiere definir. No basta definir que el sismo ocasional será la mitad del sismo raro o indicar que el sismo menor o sismo pequeño se va a presentar durante la vida útil de la estructura ya que esa relación varía con el sitio; es necesario entonces establecer valores apropiados para diferentes niveles de peligro sísmico en esta zona. Otro punto importante en el diseño sísmico basado en el desempeño es obtener registros sísmicos cuyas características (contenido de frecuencias, duración, etc.) representen el nivel de peligro sísmico de un emplazamiento cualquiera. Para obtener estos registros y que sean compatibles con un nivel de peligro en este caso el sismo ocasional, es necesario el escalamiento de estos registros existentes variando el contenido de frecuencias y su duración o ajustando los valores espectrales de estos registros a los valores espectrales de un espectro de diseño (espectro objetivo) para que de esta manera cada registro sea representativo del nivel de peligro requerido. Para ejecutar el diseño o la evaluación de una edificación por múltiples demandas es necesario contar con un espectro de diseño para cada nivel de peligro sísmico, por lo
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tanto de las dos características mencionadas anteriormente pueden obtenerse los espectros de diseño para el sismo ocasional. Además es necesario identificar los niveles de daño traducidos en los niveles de agrietamiento de los elementos estructurales y el nivel de distorsión de los entrepisos que puedan presentarse en una edificación debido a estos movimientos símicos y verificar que realmente estos niveles de movimiento no incursionan en el rango no lineal.
El objetivo principal de esta investigación ha sido caracterizar el movimiento sísmico ocasional mediante los parámetros de ingeniería (aceleración máxima del suelo, PGA) utilizados en el diseño y evaluación de edificaciones basados en el desempeño. El primer objetivo es caracterizar el movimiento sísmico de diseño a través del intervalo de recurrencia del sismo denominado ocasional a través de una formulación analítica y tomando en cuenta los periodos de retorno que se han propuesto para estructuras diferentes a las edificaciones. Luego de haber definido el periodo de retorno para el nivel sísmico considerado, el siguiente objetivo es la obtención de los parámetros como la aceleración máxima en suelo firme (PGA) para las tres zonas sísmicas del Perú, las curvas de peligro sísmico para estas tres zonas sísmicas y los espectros de peligro uniforme para este nivel de peligro sísmico, los cuales se obtuvieron mediante el análisis probabilístico del peligro sísmico (PSHA). Selección y escalamiento de registros sísmicos más importantes obtenidos en diferentes estaciones sísmicas del Perú y mediante diversas técnicas existentes obtener registros sísmicos que sean representativos del nivel de peligro sísmico, sismo de nivel ocasional (periodo de retorno de 72 años). Desarrollar el espectro de diseño elástico para el sismo ocasional para la zona sísmica tres, empleando los registros sísmicos más importantes obtenidos en las estaciones sísmicas de la ciudad de Lima. Identificar las distorsiones laterales y el nivel de daño que puedan ocurrir debido a los sismos ocasionales en edificaciones de concreto armado y edificaciones construidas de albañilería. 2
