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RESUMEN En el proyecto sismorresistente de edificios tal como es aplicado actualmente, se parte de ciertas consideraciones cuya validez no siempre está clara o en algunos casos no permiten al proyectista tomar decisiones que hagan aseguren la integridad del edificio durante su vida útil. Por esta causa, en este trabajo se trata el tema del comportamiento sísmico de los edificios de hormigón armado, estudiando la respuesta no lineal, procurando aclarar algunos criterios adoptados en el proyecto sismorresistente. La respuesta no lineal de los edificios de hormigón armado se estudia mediante el análisis numérico estático y dinámico, en cuya modelización se han incluido características importantes de este material compuesto como son la plasticidad y el daño, así como también las condiciones especiales de confinamiento que proporciona el proyecto sismorresistente. Para evaluar la respuesta no lineal se parte de un estudio de edificios porticados, emplazados en zonas de alta sismicidad y proyectados conforme a dos relevantes normas sismorresistentes: el Eurocódigo-8 y el IBC-2003. Para lograr la caracterización de la respuesta sísmica, se incluyen en este estudio la aplicación de un procedimiento de predimensionamiento sísmico de secciones de los elementos de los edificios proyectados, la propuesta de un procedimiento de análisis estático no lineal con control de fuerzas, la determinación del modo de colapso, el estudio de la influencia de la reserva de resistencia y la redundancia en los factores de reducción de respuesta, el cálculo de la ductilidad máxima de los pórticos, la formulación de un índice de daño sísmico objetivo y la determinación de umbrales objetivos de daño correspondientes a unos Estados Límite específicos. La aplicación de los umbrales de daño permite estimar el desplome para el cual se proyecta el edificio, lo que a su vez permite estimar la ductilidad por prestaciones, lo que permite realizar el proyecto con base en desplazamientos sin necesidad de a.
El Diseño Sísmico Basado en Desempeño (DSBD) se hizo presente de forma concreta en el diseño estructural chileno mediante un documento con recomendaciones publicado por ACHISINA en 2017. El DSBD requiere modelos no lineales para evaluar el desempeño sísmico de un edificio. Un nuevo enfoque de modelación no lineal de muros de hormigón armado llamado Beam-Truss Model (BTM) ha sido desarrollado en la última década y ha mostrado un buen ajuste en la simulación de ensayos experimentales. El objetivo principal de este estudio es evaluar la factibilidad del uso del BTM para la aplicación del DSBD. El segundo objetivo es comparar la respuesta sísmica de un edificio estructurado con muros T con la respuesta sísmica de un edificio con muros rectangulares. La hipótesis principal es que el uso del BTM permitirá realizar análisis no lineales de edificios de hormigón armado, con dificultad moderada y tiempo acotado para evaluar desempeño sísmico. El enfoque BTM se validó mediante la simulación de ensayos experimentales de un muro T y un muro rectangular. La evaluación de la factibilidad del BTM se realizó considerando un modelo numérico no lineal tridimensional de ambos edificios de estudio. Estos edificios se diseñaron usando la normativa chilena vigente y se sometieron a análisis estáticos no lineales utilizando el programa computacional Opensees. Se concluye que el BTM es un enfoque que tiene dificultades de convergencia, lo que complica su aplicación práctica. Para el modelo 3D del muro WSH6 y el muro TW2 se obtuvo convergencia en solo 17% y 6% de los análisis, respectivamente. De los resultados del análisis estático no lineal se concluye que la distribución del esfuerzo de corte entre los muros, la variación de la carga axial y el modo de falla es diferente para el edificio estructurado con muros T y el estructurado con muros rectangulares.
Esta tesis propone una metodología de evaluación del daño sísmico basada en el método del espectro de capacidad pero con un enfoque probabilista que se apoya en simulaciones Monte Carlo. Así la acción sísmica, la estructura y el daño esperado se consideran y se analizan como variables aleatorias. La metodología, que se valida mediante el análisis dinámico incremental, es una nueva, robusta y potente herramienta de análisis de riesgo tanto a nivel de edificios individuales como a nivel urbano y regional. La validación mediante el análisis dinámico, de hecho, ha supuesto crear también una metodología probabilista basada en el análisis dinámico incremental. El daño esperado puede obtenerse para cualquier intervalo de confianza permitiendo así, a los gestores de la protección civil la elección de los niveles prioritarios o de interés. Como el análisis dinámico incremental requiere acelerogramas, se ha optado por usar registros de terremotos y se ha diseñado una técnica que, para una determinada base de datos, permite optimizar, minimizando la dispersión, el número de acelerogramas compatibles con un determinado espectro de respuesta; de esta forma la incertidumbre en la acción sísmica se considera de una manera adecuada. Aunque a efectos metodológicos, se ha estimado suficiente y adecuado considerar como variables aleatorias gaussianas sólo las propiedades resistentes del hormigón y el acero, con todo se ha introducido también una nueva e interesante forma de incorporar la variabilidad espacial de la resistencia de vigas y columnas. Los desarrollos metodológicos se ilustran con numerosos casos de estudio de edificios existentes y bien documentados. En particular, se han estudiado los edificios de hormigón armado con forjados reticulares, clasificados en altos, de altura mediana y bajos. Este estudio se ha realizado considerando acciones sísmicas compatibles con los espectros previstos en el eurocódigo EC8 para terremotos tipo 1 y tipo 2 y para suelos A, B, C, D y E. La aplicación del método a edificios irregulares ha confirmado la insuficiencia de modelos 2D en estructuras asimétricas. Así, el método probabilista se ha aplicado a dos edificios de especial importancia para escenarios sísmicos de interés. El primero es el hospital de Vielha, para la acción sísmica con un periodo de retorno de 475 años; el segundo es un edificio del Barrio de San Fernando en Lorca, que fue severamente dañado por el terremoto del mes de mayo de 2011. En este segundo caso la acción sísmica se ha definido de forma determinista mediante las dos componentes horizontales de aceleración registradas en la ciudad. En los análisis 3D se ha incorporado el efecto de direccionalidad, concluyendo que edificios del mismo tipo situados en un mismo lugar pueden sufrir daños significativamente distintos dependiendo sólo de su orientación azimutal. Los resultados obtenidos en el caso de Lorca son compatibles con los daños observados lo que contribuye a validar el método probabilista y los desarrollos implementados en esta tesis.
En el presente texto se ilustra el procedimiento de análisis y diseño sísmico de un edificio de acuerdo con el Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes, NSR-10. Se desarrolla un modelo analítico lineal de pórticos tridimensionales, se analiza una estructura en el espacio y se ilustra y desarrolla el diseño y detalle de los diferentes elementos que lo conforman como son las columnas, vigas, nudos y muros. No sólo se aplica la norma sino que se discuten sus disposiciones y se compara con las normas de otros países.
Este libro está dirigido a estudiantes de grado y postgrado, así como a ingenieros estructurales, arquitectos y otros profesionales interesados en el diseño sismorresisente de edificios. Su objetivo es el de dar a conocer parte de la cuantiosa información experimental, teórica y práctica existente en los centros de investigación sobre este tema y contribuir a la difusión de técnicas avanzadas. Por ello incluye tanto los fundamentos y técnicas de diseo convencionales, actualmente recogidos en las normativas de diversos países, como las técnicas avanzadas que sin duda serán empleadas en un futuro próximo. Además, los autores hacen diversas aportaciones, y no sólo desde el punto de vista conceptual, como la presentación de los disipadores de energía como la continuación natural de las técnicas actualmente establecidas, sino también desde el punto de vista práctico, al presentar novedosos sistemas estructurales, sistemas de aislamiento de base y de disipación de energía, junto con métodos numéricos para su simulación, así como metodologías de inteligencia artificial aplicadas al razonamiento estructural cualitativo.
Para evaluar numéricamente el comportamiento sísmico de un edificio debido a la acción de un terremoto existen diferentes herramientas que tienen su base en el cálculo estático incremental, también conocido como push-over, y en el cálculo dinámico no lineal. Para poder estudiar el periodo fundamental de vibración (periodo asociado al primer modo de vibración) de un edificio dañado, el método basado en el push-over ofrece serias limitaciones ya que no calcula los desplazamientos en el techo del edificio debidos a una acción dinámica, por lo que será necesario recurrir al análisis dinámico. Así, el índice de daño es calculado haciendo uso de un análisis dinámico incremental, donde la acción sísmica es escalada para varios valores de un determinado rango de aceleraciones máximas,. Diferentes acciones sísmicas han sido consideras: el terremoto de Lorca (2011), una muestra de terremotos europeos que se ajusten a un determinado espectro del Eurocódigo 8, y una muestra de señales generadas aleatoriamente. El periodo fundamental del edificio es calculado con dos metodologías distintas: a partir del deterioro de la matriz de rigidez de la estructura y a partir del espectro de desplazamientos en el techo. El edificio considerado es representativo para los edificios de viviendas en España. Se relacionaran los periodos calculados con los índices de daño estableciendo dos relaciones distintas con los mismos parámetros. Finalmente se compararan los resultados obtenidos con ambas metodologías. El principal objetivo de este trabajo es ofrecer diferentes metodologías para poder establecer una relación entre el periodo de un edificio y su estado de daño. Los resultados obtenidos muestran cómo ambas metodologías son parecidas hasta un cierto valor de daño y cómo la incertidumbre aumenta cuanto más fuerte es la acción sísmica.
A partir de un exhaustivo estudio del estado del conocimiento, en este trabajo se desarrolla un modelo para el análisis no lineal de estructuras porticadas de hormigón armado con muros de mampostería sometidas a acciones sísmicas. Dicho modelo considera el comportamiento no lineal de los muros debido al daño progresivo que éstos sufren durante una acción sísmica. Sin embargo, puesto que está orientado hacia el diseño sísmico de estructuras, admite la hipótesis de que, una vez dañada completamente la mampostería, el pórtico de hormigón armado sigue teniendo un comportamiento en régimen elástico con inestabilidad elástica en los pilares (pandeo). En este sentido, el modelo desarrollado admite las simplificaciones que realizan las normas existentes de diseño ismorresistente como, por ejemplo, la española NCSE-02, que calculan las fuerzas símicas con base en un análisis dinámico lineal, pero va más allá, considerando el efecto estructural y el comportamiento no lineal de los cerramientos y de la tabiquería. Por esto, permite una mejor descripción del comportamiento de la estructura sometida a acciones sísmicas de diseño siendo, al mismo tiempo, suficientemente simple para asegurar la alta velocidad de resolución del problema sísmico necesaria en la práctica de diseño. El comportamiento de la estructura está influenciado de manera muy significativa por el comportamiento mecánico complejo de los muros de mampostería que depende de un gran número de variables, algunas de las cuales difíciles de controlar y/o cuantificar. La presencia de los muros aumenta la rigidez de la estructura y su resistencia a cargas laterales, produce efectos torsionales importantes, disminuye los periodos naturales de vibración con lo que las acciones sísmicas varían de forma relevante y contribuye a la disipación de la energía que éstas inducen. El efecto de los muros de mampostería se consideran incluyendo barras diagonales equivalentes en el esquema estructural. A pesar de que esta forma de tratar el problema ignora los efectos locales producidos por la mampostería, aproxima bien la rigidez y la resistencia global de la estructura y permite evaluar, de manera eficiente desde un punto de vista computacional, el comportamiento de la estructura con muros de mampostería. Para ello, en este trabajo se ha desarrollado un programa de ordenador que calcula las estructuras con una eficiencia computacional similar a la de los programas de cálculo convencionales que no consideran el efecto de los muros de mampostería y, por supuesto, muy superior a la de los programas de elementos finitos. Las características mecánicas del material compuesto de las barras equivalentes a la mampostería se han definido utilizando conceptos avanzados de mecánica computacional tales como la teoría de homogeneización y considerando la ortotropía. El modelo se ha validado con resultados existentes en la literatura de ensayos experimentales. Finalmente, el trabajo muestra ejemplos calculados con el programa de ordenador desarrollado que ilustran la capacidad del modelo y del programa de ordenador de resolver el problema.