Análisis comparativo de la vulnerabilidad sísmica de un edificio
de hormigón armado para uso comercial con y sin muro de corte mediante
desempeño estructural
Comparative
analysis of the seismic vulnerability of a reinforced concrete building for
commercial use with and without a cutting wall through structural performance
Artículo resultado de proyecto de investigación financiado por
La universidad estatal del Sur de Manabí
Hugo Javier Córdova Morán
Universidad Estatal “del Sur de Manabí“
https://orcid.org/0000-0001-9599-5407
Jipijapa -Manabí - Ecuador
Byron Baque Campozano
Universidad de Guayaquil
https://orcid.org/0000-0001-6071-074X
Guayaquil - Ecuador
http://centrosuragraria.com/index.php/revista
Publicada por: Instituto Tecnológico Edwards Deming
Quito - Ecuador
Enero - Junio vol. 1. Num. 1 –
2018
Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons
Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.
RECIBIDO: 7 DE ENERO 2017
ACEPTADO: 8 DE MARZO 2017
PUBLICADO: 4 DE ENERO 2018
RESUMEN
Este
trabajo de investigación estudia el desempeño de un edificio de hormigón armado
considerando dos modelos: uno estructurado en base a pórticos planos acoplados
a muros de corte y otro solo con pórticos de hormigón armado, para ello se analizó y diseñó los elementos
estructurales necesarios de la configuración de
cada modelo según los procedimientos y normativa vigente, el edificio es
de cinco pisos con tres vanos en la dirección del eje X y cinco en la dirección
del eje Y, diferenciándose solamente en las configuraciones antes mencionadas.
El desempeño de las estructuras es evaluado bajo procedimientos estático no
lineales o análisis pushover,
en la dirección del eje fuerte de los muros (eje X).
Los
parámetros de modelación y criterios de aceptación numérica que definen las
curvas constitutivas de las rótulas plásticas, cualquiera sea su naturaleza,
son evaluados según el documento FEMA 356 (FEMA, 2000), mientras que los
análisis pushover son ejecutados en el programa
computacional estructural Etabs v 9.09. Se describe
la secuencia de fallas que afecta a las estructuras, se evalúan las curvas de
capacidad de cada modelo del edificio y se muestra que la alta rigidez de los
muros incrementa la resistencia de los edificios a la vez que disminuye su
ductilidad global.
PALABRAS
CLAVE: elevación del edificio, método de las áreas, áreas cooperantes
ABSTRACT
This research paper studies the performance of a reinforced concrete building considering two models: one structured on the basis of flat porches coupled to cutting walls and another only with reinforced concrete porches, for this purpose the necessary structural elements of the structure were analyzed and designed. configuration of each model according to the procedures and regulations in force, the building is five stories with three openings in the direction of the X axis and five in the direction of the Y axis, differing only in the configurations mentioned above. The performance of the structures is evaluated under static nonlinear procedures or pushover analysis, in the direction of the strong axis of the walls (X axis).
The
modeling parameters and numerical acceptance criteria that define the
constituent curves of the plastic ball joints, whatever their nature, are
evaluated according to FEMA 356 (FEMA, 2000), while pushover analyzes are
performed in the Etabs structural computer program v
9.09. The sequence of faults affecting the structures is described, the
capacity curves of each model of the building are evaluated and it is shown
that the high stiffness of the walls increases the strength of the buildings
while decreasing their overall ductility.
KEY WORDS: Building elevation, Method of areas, Cooperating areas
INTRODUCCIÓN
Los
sismos son un fenómeno natural que están presentes desde la antigüedad y que
inevitablemente nos van acompañar en el futuro. Estos son vibraciones de la
corteza terrestre inducidos por ondas sísmicas provenientes de un lugar o zona
donde han ocurrido movimientos súbitos (disparo sísmico o liberación de
energía).
Cabe destacar que debido a las corrientes de convención, los
continentes continúan en movimiento. Dicho movimiento no se produce en forma
uniforme, razón por la cual en ciertas regiones es muy lento del orden de una
centésima de milímetro por año y en otras es muy rápido con más de 10 cm al
año. De igual manera, hay zonas en las que segmentos de la corteza chocan entre
si y otras en las que no existe choque.
El origen de la mayoría de los sismos es explicado
satisfactoriamente por la teoría de la tectónica de las placas. La cual
manifiesta que la corteza terrestre, la litosfera, está compuesta por un
mosaico de doce o más bloques grandes y rígidos llamados placas que se mueven
uno respecto de otro.
Las
principales placas tectónicas son: Nazca, Sudamericana, Cocos, Norteamericana,
Caribe, Africana, Euroasiática, Antártica, Pacifico, Filipinas, Arábica, Australiana
y de la India. Las cuales contienen a su vez micro placas.
En
América del Sur, ocurre el choque entre la Placa de Nazca o Placa Oceánica Con
la Placa Sudamericana o Placa Continental. Este choque origina el fenómeno de
subducción, por el cual la Placa de Nazca por ser más rígida y fuerte se
introduce por debajo de la Placa Sudamericana y continúan moviéndose hacia el
manto. Dicho proceso origina las erupciones volcánicas y los sismos.
En el cinturón cicunpacífico y concretamente en el
Ecuador, el proceso de subducción de la Placa de Nazca, genera una alta
sismicidad en su recorrido, buzamiento, hacia el este. Por este proceso en la
costa ecuatoriana tienen un hipocentro superficial y en la región oriental los
eventos sísmicos asociados con la subducción pueden tener profundidades locales
mayores a 200 km. A más de la actividad sísmica asociada a la zona de
subducción, existen sismos que se generan por la activación de fallas locales
Se conoce que por lo general los sismos superficiales son los que
causan mayor daño, entonces se puede indicar que la costa ecuatoriana tiene
mayor actividad sísmica en nuestro país, seguida por la sierra y finalmente por
el oriente. Prueba de ello es el sismo acaecido en Bahía de Caráquez
el 4 de agosto de 1998.
Además si consideramos que el principal criterio de
estructuración, para edificios de hormigón armado en Ecuador es el de pórticos
de hormigón armado, el cual genera estructuras más flexibles, con periodos de
vibración más largos, que conllevan mayores deformaciones. Este tipo de
estructuración, no permite alcanzar muchos pisos de altura, ya que se hace muy
difícil que cumpla con los requisitos de deformaciones máximas de entrepiso que
exige la norma de diseño sísmico de edificios del CEC-2002.
Otros
de los sistemas menos utilizados corresponden a los sistemas estructurales
basados en pórticos y muros. Este tipo de estructuración otorga a las
edificaciones una alta capacidad resistente a acciones laterales, y a la vez
genera una estructura rígida que permite controlar los desplazamientos
relativos de entrepiso.
Sistemas duales (pórticos acoplados a muros), pueden combinar las
ventajas de los elementos que le constituyen. Pórticos dúctiles que interactúan
con muros, pueden proveer una cantidad importante de disipación de energía,
cuando así se requiera, particularmente en los pisos superiores del edificio (Paulay, 1992).
La idea de que un edificio estructurado en base a pórticos y muros
de corte es menos vulnerable ante un sismo fuerte, es lo que se desea
ratificar. Además, interesa cuantificar cuán más vulnerable resulta una
estructuración que otra, considerando la ventaja de que un edificio de pórticos
presenta una mayor flexibilidad en cuanto a disponibilidad de espacio, pero una
menor resistencia ante un evento sísmico.
Este trabajo se realizó con la finalidad de determinar cómo
influye la propuesta planteada en el proceso de análisis y diseño de este tipo
de edificación, se consideró además las características propias de la zona de
construcción en lo relacionado a sismos. El diseño de las estructuras estará
basado en las normas establecidas en el Código Ecuatoriano de la Construcción
(CEC-2002) y demás reglamentos utilizados en el país.
Las grandes pérdidas materiales y económicas que han resultado de
eventos sísmicos severos, desde la antigüedad hasta los actuales momentos en
las distintas regiones del planeta, ha preocupado a los investigadores y
profesionales inmersos en la ingeniería estructural.
Después de los sismos de México 1979-1985, Loma Prieta 1989, Northidge 1994 y Kobe 1995, se formularon nuevas
metodologías de análisis, diseño y evaluación sísmica en varias partes del
mundo. Fue entonces cuando se introdujo el diseño por desempeño, que enfatizan
la necesidad de un control explícito de la respuesta dinámica de la
estructuras.
En 1992 se iniciaran esfuerzos por desarrollar un marco de
referencia que hiciera posible la elaboración de una nueva generación de
códigos basados en el concepto del diseño por desempeño. Con este fin la
Sociedad de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC) estableció el Comité
Visión 2000. De manera paralela empezó a plantearse en Japón un marco que
permitiera el desarrollo de enfoques de diseño basados en esta filosofía
Por otra parte, en la última década, el diseño en base al
desempeño del edificio cada vez ha ido tomando más relevancia en la ingeniería
estructural sismo-resistente en el mundo entero. “Aquí, las estructuras son
diseñadas para lograr un desempeño.
En
el Ecuador después del sismo del 4 de agosto de 1998 (Ms= 7.1), registrado frente a las
costas de Bahía de Caráquez, el cual tuvo una
profundidad focal de 37 km., causo el colapso del edificio Calipso de 6 pisos y
dejo a los edificios: Karina de 4 pisos, Corales de 5 y el del Cuerpo de
Bomberos muy cerca del fallo, se ha planteado la necesidad de seguir estudiando
e investigando sobre cómo tener estructuras más seguras en el país, y
particularmente en la ciudad de Jipijapa que es donde se centra el presente
estudio.
En nuestro país por lo general utilizar pórticos tridimensionales
como elementos sismo-resistente ha sido una práctica común, sin embargo estos
han presentado desventajas en el momento de ser solicitado por sismos debido a que
disipan la energía , a la que se ven sometidos, con un comportamiento
no-lineal, acompañado de grandes deformaciones, que el sistema estructural de
pórticos puede llegar a resistir si se diseña adecuadamente, pero los acabados
no , lo que se traduce en daños en elementos no estructurales, aun para sismos moderados.
Así pues es necesario desarrollar e implementar metodologías que
conlleven a identificar las fuentes y posibles focos de concentración de daños
que se pueden presentar en edificios de nuestro medio.
Las
experiencias en el Ecuador y en otros países del continente plantean que además
de ser necesario dotar a los edificios de una rigidez adecuada, se debe evitar
las posibles irregularidades en planta y altura, trasmitir las cargas normales
y sísmicas lo más directamente posible a las fundaciones sin cambios bruscos de
dirección, evitar los traspasos de cargas a través de los diafragmas, evitar el
fenómeno de piso blando, columna corta y cualquier otro tipo de situaciones que
signifique concentración de tensiones.
Los factores antes descritos son controlados mediante una
estructuración adecuada. La evaluación de la rigidez del edificio y su
regularidad, tanto en planta como en altura, desde un punto de vista
paramétrico, requiere del cálculo de sus formas vibratorias, o modos de vibrar.
Los
sismos son un fenómeno natural que nos ha acompañado desde siempre y que
inevitablemente se presentaran en el futuro, esta afirmación tiene su base en
que como es conocido la distribución de los sismos en el mundo no es igual,
existen lugares donde estos eventos se concentran más, ya sea en cantidad como en intensidad.
MATERIALES Y MÉTODOS
Esta sección tiene por objetivo el caracterizar el modelo del
edificio en base a pórticos de acuerdo a sus
dimensiones generales, disposición de elementos estructurales, y otros
parámetros característicos.
En primer lugar se muestra la planta de piso de este
edificio, lo que permite visualizar la ubicación de las columnas y las vigas
A continuación se describirá estructuralmente cada
modelo del edificio, a partir del prediseño realizado
para estimar el tamaño de vigas, losas y columnas. Estos criterios de prediseño son criterios adoptados para efectos de esta
investigación.
Para realizar el pre diseño de
vigas, se procede a estimar las cargas que actúan sobre el edificio mediante el
“Método de las áreas cooperantes
Las secciones de los columnas se determinan
de acuerdo a la magnitud del esfuerzo de compresión axial (carga normal) que
deben soportar dichas columnas en cada nivel del edificio. Se estiman áreas
tributarias de las losas que descargan en las columnas y con dicha carga se
calcula la sección de la columna, a partir de las siguientes relaciones:
El edificio está constituido estructuralmente por muros y pórticos
ubicados en ejes resistentes en direcciones perpendiculares (X e Y) capaces de
resistir la acción sísmica y gravitacional. El edificio puede considerarse
empotrado a nivel de primer piso.
Modos y periodos de la estructura en análisis.
Para establecer la solicitación sísmica se define el espectro
elástico de diseño, el cual depende de la zona sísmica y el tipo de suelo.
RESULTADOS
Centro de masas proporcionado por el programa Etabs
A continuación se presenta en la figura los
centros de masa y rigidez que nos proporciona el programa de la estructura
analizada.
A continuación se presenta en la figura los
centros de masa y rigidez que nos proporciona el programa de la estructura
analizada.
A continuación se presenta en la figura los
centros de masa y rigidez que nos proporciona el programa de la estructura
analizada.
El ATC 40, presenta tres procedimientos que
son el A, B y C; para determinar en forma interactiva el amortiguamiento
viscoso efectivo y el punto de demanda. En el presente estudio en el programa Etabs se utilizara el tipo B para
la obtención del punto de demanda. A continuación se
observaran las gráficas para cada uno de los sismos propuestos por VISION 2000,
obtenidos del programa Etabs, para el modelo en base
a pórticos espaciales.
A continuación se
presentan unas tablas con los drif de pisos tanto del
sistema de pórticos espaciales de hormigón armado como el del sistema en base a
pórticos y muros de corte.
CONCLUSIONES
Al realizar
el ejemplo de cálculo y diseño del edificio, utilizamos el sismo propuesto en
el Código Ecuatoriano de la Construcción, CEC-2002, con este apenas la
estructura alcanza el nivel de desempeño de Seguridad de Vida, para este caso
es necesario que cumpla algunas condiciones:
No tener irregularidades en elevación y planta.
No tener irregularidades en elevación y planta.
Que no exista problemas de torsión.
Debido
a que se consideró a todos los apoyos como empotramientos, las derivas han
resultado mayor que si se hubiera considerado la interacción suelo estructura,
mediante resortes. Para un edificio
de 5 pisos el alcanzar un nivel de Seguridad de Vida implica que la estructura
ha sufrido un daño significativo con la falla parcial de pocos elementos estructurales
principales al formarse rótulas plásticas a nivel de vigas, este conserva un
margen d seguridad antes del colapso y la estructura puede funcionar luego de
unas reparaciones.
Se planteó también el cálculo y análisis de un
edificio en base a muros y pórticos, ya que
este sistema estructural puede funcionar mejor ante un evento sísmico.
Es importante establecer el nivel de desempeño
que tendrá la estructura por medio del push-over.
Se debe buscar una estructuración en base de
columnas fuertes vigas débiles, para proporcionar la formación de
articulaciones plásticas en las vigas al excederse la resistencia suministrada.
Las derivas debido al sistema de pórticos
salieron mayores a las del sistema dual.
Se recomienda introducir a los profesionales
de la ingeniería estructural de la ciudad en el análisis, evaluación y diseño
por desempeño, para los futuros proyecto que se realicen en la urbe.
Incluir en los proyectos de edificaciones
futuras, propuestas sobre sistemas de estructuración en base a pórticos y muros
de corte.
REFERENCIAS
AGUIAR
R., (2003), Análisis sísmico por desempeño, Centro de Investigaciones
Científicas. Escuela Politécnica del Ejército, 340 p., Quito
AGUIAR
R., (2006), Deriva máxima de piso y curvas de fragilidad en edificios de
hormigón armado, Centro de
Investigaciones Científicas. Escuela Politécnica del Ejército, 188 p. Quito.
AGUIAR
R., (2008), Análisis Sísmico de Edificios,
Primera Edición .Centro de Investigaciones Científicas. Escuela Politécnica del Ejército, 322 p., Quito.
FEMA 356. 2000. Prestandard
and commentary for the seismic rehabilitation of buildings. Federal Emergency
Management Agency, Report 356. Washington D.C.
GUERRA A., M; CHACON S, D. 2010. Manual
para el Diseño Sismorresitente de Edificios utilizando el Programa ETABS,
Quito, EC, 402 p.
JIMÉNEZ,
J. Vulnerabilidad sísmica de las edificaciones de la ciudad de Cuenca mediante
técnicas de simulación, Tesis de grado de Maestría. Escuela Politécnica
Nacional, Quito, Ecuador, 2002.
LARRAÍN
A. y YÁNEZ F.; “Manual de Cálculo de Hormigón Armado Basado en el Código
ACI318-99”, Editado por Gerdau Aza, Junio 2001.
MALDONADO,
E., CHIO, G. Y GÓMEZ, I. Índice de vulnerabilidad sísmica en edificaciones de
mampostería basado en la opinión de expertos, Artículo en revisión, 2007
MENA,
U. Evaluación del Riesgo Sísmico en Zonas Urbanas, Tesis Doctoral.
Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España, 2002.
PADILLA,
Ángel. (2007). “Diseño sismo – resistente del edificio Valdivia con su respectivo
desempeño y estudio de daño sísmico mediante la técnica de Pushover”, Tesis de
Grado, Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí, Manta, Ecuador.
TERAN
A. (2002), “Diseño por desempeño: Antecedentes, Conceptos Generales y
Perspectivas”, VII Simposio Nacional de Ingeniería Sísmica. Diseño por
Desempeño, 43 p, Cuernavaca, México.
Valencia
Jairo, “Análisis
del método “modal push-over” y su Incidencia en el cálculo de pórticos de
Hormigón Armado en el cantón de Ambato”. Trabajo estructurado de manera
independiente previo a la obtención del título de ingeniero civil.