X CONVENCION INTERNACIONAL EL INCREMENTO EN EL AMORTIGUAMIENTO COMO MEDIDA PARA REDUCIR ESFUERZOS Y DERIVAS TANTO EN EDIFICACIONES EXISTENTES COMO EN NUEVAS ESTRUCTURAS Carlos Casabonne Noviembre 2011
X CONVENCIONINTERNACIONAL
EL INCREMENTO EN EL AMORTIGUAMIENTO COMO MEDIDA PARA REDUCIR ESFUERZOS Y DERIVAS TANTO EN EDIFICACIONES EXISTENTES COMO EN NUEVAS ESTRUCTURAS
Carlos Casabonne
Noviembre 2011
CONTEXTO ACTUAL
TECNOLOGÍAS DISPONIBLESPARA REDUCIR LA DEMANDA SÍSMICA
EXPERIENCIAS RECIENTES EN LA RETROCAPACITACIÓN DE EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO.
APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE NUEVAS EDIFICACIONES.
CONTENIDO
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CONTEXTO ACTUAL
PERU…..PAIS SISMICO
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CONTEXTO ACTUAL PAIS SISMICO
INVENTARIO ENORME DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURA SUB ESTANDAR:- Flexibles- Poco dúctiles- Configuración deficienteMuchas de ellas Requeriríanretrocapacitación
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CONTEXTO ACTUAL
PAIS SISMICO INVENTARIO ENORME
DE EDIFICACIONES CONESTRUCTURA SUB ESTANDAR
BOOM DE EDIFICACIONES
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CONTEXTO ACTUAL PAIS SISMICO INVENTARIO ENORME DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURAS SUB-ESTANDAR BOOM DE EDIFICACIONES
AVANCES SIGNIFICATIVOS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Y SISMICAESTUDIO DE LOS SISMOS Y SUS EFECTOSKOBE, NORTHRIDGE, CONCEPCION Y MUCHOS OTROS
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CONTEXTO ACTUAL PAIS SISMICO BOOM DE EDIFICACIONES INVENTARIO ENORME DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURAS SUB-
ESTANDAR. AVANCES SIGNIFICATIVOS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Y SISMICA
NORMA DE DISEÑOBASADA EN RESISTENCIA,DUCTILIDAD e INTEGRIDAD
ESTÁNDARES MÍNIMOS
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DISEÑO CONVENCIONAL ESTRUCTURAS DE BASE FIJA
DEMANDA SISMICA ES SUSTANCIALMENTEMAYOR QUE LA CAPACIDAD.
Período
Fuer
zade
Sis
mo
Capacidad
Demanda SísmicaFuerza de Diseñopor Código
1 S 2 S 3 S
DEPENDEN DEL DAÑO ESTRUCTURAL COMO PRINCIPAL MEDIO PARA DISIPARLA ENERGIA SISMICA.
Fuerza lateral de sismo
VE
Vy
Vs
Respuesta lástica de la estructura
PlastificacionesSecesivas
d
DISIPAN LA ENERGIA SISMICA EN BASE A DEFORMACION EN EL RANGO INELASTICO,ES DECIR EN BASE A DUCTILIDAD.
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METODOS DE ANALISIS
ESTATICOMODAL ESPECTRALTIEMPO HISTORIA
INELASTICOSINELASTICOS DINAMICOS en 2DINELASTICOS DINAMICOS EN 3D
ES POSIBLE INCLUIR INTERACCION SUELO ESTRUCTURA
CONTEXTO ACTUAL PAIS SISMICO BOOM DE EDIFICACIONES INVENTARIO ENORME DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURAS SUB-ESTANDAR. AVANCES SIGNIFICATIVOS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Y SISMICA
NORMA DE DISEÑOBASADA EN RESISTENCIA,DUCTILIDAD INTEGRIDADESTÁNDARES MÍNIMOS
NORMAS SISMICA ORIENTADA A:LA PROTECCION A LA VIDA Y
A LA PREVENCIÓN AL COLAPSONO PROTEGEN CONTRA LA
PARALIZACIÓN DE LA OPERACIÓN
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CONTEXTO ACTUAL PAIS SISMICO BOOM DE EDIFICACIONES INVENTARIO ENORME DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURAS SUB-ESTANDAR. AVANCES SIGNIFICATIVOS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Y SISMICA DESARROLLO DE PROCEDIMIENTOS DE BASADO EN EL DESEMPEÑO NORMA SISMICA ORIENTADA A:
- LA PROTECCION A LA VIDA Y- A LA PREVENCION AL COLAPSO
Y NORMA DE DISEÑO BASADA EN RESISTENCIA, INTEGRIDAD Y DUCTILIDAD
DESARROLLO DE PROCEDIMIENTOSBASADOS EN EL DESEMPEÑO
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DISEÑO POR DESEMPEÑO
FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO
1. INTENSIDAD DEL MOVIMIENTO Y PELIGROS SÍSMICOS DEL SITIO.
2. RESPUESTA DEL EDIFICIO AL MOVIMIENTO3. VULNERABILIDAD DEL EDIFICIO Y DE SUS SISTEMAS.4. NÚMERO DE PERSONAS, SU UBICACIÓN Y CONTENIDO.5. ACCION DE LAS PERSONAS ANTE LOS DAÑOS QUE OCURREN.
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METODOLOGÍA DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO
Materiales: Diagramas esfuerzo – deformación
Elementos estructurales: Diagramas momento - curvatura
Momento
Curvatura
Elementos estructurales: Idealización de rótulas
Curva de capacidad y niveles de desempeño de la estructura
IO CPLS
CO
CO: Operación continuaIO: Ocupación inmediataLS. Seguridad a la vidaCP: Prevención al colapso
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DISEÑO POR DESEMPEÑO
La filosofía del diseño por desempeño, como la propuesta del ATC-40 o ATC-58 [2009] o FEMA 350 se basa en:
La elección de la respuesta que se espera tenga la estructura durante un sismo de diseño.Se elige de antemano el comportamiento deseable y con eso,
el nivel esperado de daño estructural y no estructural.
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CURVA DE DESEMPEÑO
Niveles de desempeño sísmico:
CO: Operación continuaIO: Operatividad Inmediata.LS: Resguardo a la vida.CP: Prevención al Colapso.
Sismos catastróficosΔDm: Demanda de desplazamiento por sismo moderado.
ΔD:Demanda de desplazamiento por sismo de diseño.
IO CPLS
ΔD
CO
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Comportamiento esperado relativo a la categoría de ocupación(OC) y nivel de sismo. (FEMA)
MSC
Diseño
Frecuente
Movimientodel suelo
OperacionalOcupaciónInmediata
Seguridad deVida
Prevención deColapso
NIVELES DE DESEMPEÑO
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PROCESO DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO
Definición de objetivos de desempeño.El diseñador y los interesados conjuntamente identifican los objetivos de comportamiento del edificio.Dichos objetivos sirven de guía a las muchas decisiones de diseño que deben tomarse.
Involucra:
1. Ubicación y características del sitio.2. Dimensiones del edificio, configuración y uso.3. Características de los elementos arquitectónicos no estructurales.4. Estimación de la resistencia, rigidez y ductilidad del sistema
estructural..
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DISEÑO POR DESEMPEÑO
Tres medidas fundamentales de desempeño o comportamiento sísmico:
1. Víctimas2. Costo de reparación3. Tiempo fuera de servicio
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CONTEXTO ACTUAL PAIS SISMICO BOOM DE EDIFICACIONES INVENTARIO ENORME DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURAS SUB-ESTANDAR. AVANCES SIGNIFICATIVOS EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Y SISMICA NORMA SISMICA ORIENTADA A:
LA PROTECCION A LA VIDA YA LA PREVENCION AL COLAPSO
Y NORMA DE DISEÑO BASADA EN RESISTENCIA, INTEGRIDAD Y DUCTILIDAD
DESARROLLO DE PROCEDIMIENTOS BASADO EN EL DESEMPEÑO
DE DISPOSITIVOS PARA REDUCIR DEMANDA SISMICA
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CONTEXTO ACTUAL
TECNOLOGÍAS DISPONIBLESPARA REDUCIR LA DEMANDA SÍSMICA
EXPERIENCIAS RECIENTES EN LA RETROCAPACITACIÓN DE EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO.
APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE NUEVAS EDIFICACIONES.
CONTENIDO
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TECNOLOGÍAS DISPONIBLESPARA REDUCIR LA DEMANDA SÍSMICA
AISLACION SISMICA AISLACION SISMICA + AMORTIGUACION
DISIPACION DE ENERGIA
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En ambos casos se mejora sustancialmenteel desempeño de la estructura
DESACOPLA A LAESTRUCTURA DEL SUELO
REDUCE SIGNIFICATIVAMENTE LARESPUESTA SISMICA: FUERZAS Y DERIVA RELATIVA ENTRE PISOS
REDUCE DAÑOSMAXIMIZA POSIBILIDAD DE
OPERACIÓN POST-SISMO
AISLACION SISMICA
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FLEXIBILIDAD/DESLIZAMIENTO
Cambio deperiodo
Desplazamiento de la estructura
Fuerzas en la estructura
Periodo
Fuer
zao
Des
plaz
amie
nto INCREMENTA EL PERIODO
REDUCE LA ACELERACIÓN Y LAS FUERZAS
AUMENTA DESPLAZAMIENTO
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AISLADA0.12g
West Japan Postal Savings Computer Center
Kobe - Enero 17, 1995
0.40g
0.12g
Ampl
ifica
ciónd
e fue
erza
sEstructura convencional instrumentada
Kobe - Enero 17, 1995
1.18g
0.37g0.37g
LA ENERGIA SISMICA ES INTERCEPTADAPOR LOS AISLADORES
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EN RESUMEN... EL AISLAMIENTO SÍSMICO PROVEE
GRANDES VENTAJAS
PROTECCIÓN DE: LOS OCUPANTES, DEL CONTENIDO, DE LA ESTRUCTURA
REDUCTION DRAMÁTICA DE DAÑOS
OPERACI[ON CONTINUA
Y.…CON COSTO-BENEFICIO ATRACTIVO
Estructura Aislada
APLICABLE SOBRE TODO ANUEVAS EDIFICACIONESINDISPENSABLE EN:HOSPITALES Y CLINICAS
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TECNOLOGÍAS DISPONIBLESPARA REDUCIR LA DEMANDA SÍSMICA
AISLACION SISMICA DISIPACION DE ENERGIA
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TECNOLOGIAS DISPONIBLES PARA REDUCIR DEMANDA SISMICA
DISIPACION DE ENERGIA
AUMENTA EL AMORTIGUAMIENTOREDUCE DESPLAZAMIENTOS GLOBALES y DERIVASREDUCE FUERZAS EN LA ESTRUCTURAREDUCE DAÑOSREDUCE SENSACION DE MOVIMIENTO
USOSRETROCAPACITACIONEDIFICIOS ESBELTOSESDIFICIOS ALTOS
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DISPOSITIVOS PARA DISIPACION DE ENERGIA
PASIVOS: No requieren energía para funcionar ACTIVOS: Requieren bastante energia para
funcionar SEMI ACTIVOS: requieren muy poca energía para
funcionar.
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CON ESTOS DISPOSITIVOS DISIPAMOS ENERGIA ALAUMENTAR EL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO
DISIPACION DE ENERGIA
LAS ESTRUCTURAS DISIPAN LA ENERGIA SISMICA A TRAVES DEL AMORTIGUAMIENTO: INHERENTE βI
HISTERETICO βH
VISCOSO βV
AMORTIGUAMIENTO EFECTIVO βmβm =βI + βH + βm
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Ref: Satake N y otros, ASCE Journal of Structural Eng, Abril 2003
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AMORTIGUAMIENTO INHERENTE ……… 5% ?
DISIPADORES PASIVOS DE ENERGIA (3)
AMORTIGUADORES DE FRICCIONDependen del desplazamiento
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DISIPADORES PASIVOS DE ENERGIA (4)
AMORTIGUADORES DE FLUENCIA Dependen del desplazamiento
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MUROS DE AMORTIGUAMIENTO VISCOS
ESQUELETO ESTRUCTURAL EDIFICIO TERMINADO
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DISIPADORES PASIVOS DE ENERGIA (5)
VISCO ELASTICOS, Fricción entre láminas viscoelásticas y plachas de aceroDependen del desplazamiento
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DISIPADORES PASIVOS DE ENERGIA (6)
LÍQUIDO VISCOSODependen de la velocidad
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EFECTO DE LOS DISIPADORES DE ENERGÍA DE FLUIDO VISCOSO:
Funcionan a partir del espectro de velocidades, es decir, de la energía aplicada a la estructura.
Al reducir la energía, los disipadores aumentan el amortiguamiento y reducen la demanda que provienen de la aceleración y desplazamientos.
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Las velocidades y desplazamientos están desfasados y por lo tanto no se introducen fuerzas adicionales en la estructura.
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EFECTO DE LOS DISIPADORES DE ENERGÍA DE FLUIDO VISCOSO:
Resultados experimentales para un edificio de 3 pisos con estructura de acero.(Constantines and Symans, 1993)
Funcionan a partir del espectro de velocidades, es decir, de la energía aplicada a la estructura.
Al reducir la energía, los disipadores aumentan el amortiguamiento y reducen la demanda que provienen de la aceleración y desplazamientos.
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B) DISIPADORES PASIVOS DE ENERGÍAUSANDO FLUIDOS VISCOSOS
Torre Mayor Mexico
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SISTEMAS ACTIVOS DE DISIPACION DE ENERGIA
MASAS SINTONIZADAS (TUNED MASS DAMPERS)
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CASOS DE RETROCAPACITACION DE ESTRUCTURAS SUB ESTANDAR
De una edificación de los años 50 De una edificación de los años 60 De una edificación de los años 70
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DEFICIENCIAS COMUNES
Configuración deficiente: Torsión, poca rigidezPoca ductilidad: estribos en columnas, placas y
vigas, detallado del refuerzo.Baja resistencia: falta de acero para fuerzas
horizontales, concretos de baja resistencia.Juntas sísmica insuficiente.
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OBJETIVOS
Aumentar la capacidad resistente a los niveles de la norma sísmica vigente (NTE 030)
Costo mínimo de intervención Plazo mínimo de intervención Mínima molestia a la operación en el edificio
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SOLUCIONES COMUNES
Soluciones:- DARLE RESISTENCIA Y RIGIDEZ- REDUCIR DEMANDA: AUMENTAR
AMORTIGUAMIENTO- MIXTA: Incremento parcial de resistencia en
pórticos seleccionadosAumento de amortiguamientomediante disipadores pasivos de
energía. (Líquido viscoso)
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Desplazamiento lateral en el techo del edificioDirección larga
Sismo octubre de 1966
-0.1-0.08-0.06-0.04-0.02
00.020.040.060.08
0 10 20 30 40
seg
m
ORIGINAL RETROCAPACITADO
DESPLAZAMIENTOS
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Desplazamiento lateral en el techo del edificioDirección corta
Sismo octubre de 1966
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0 10 20 30 40
seg
m
ORIGINAL RETROCAPACITADO
DESPLAZAMIENTOS
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ENVOLVENTE DE DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS
DIRECCIÓN LARGA
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6 8 10 12 14
Desplazamiento (cm)
Niv
el
DIRECCIÓN CORTA
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20 25N
ivel
ORIGINAL RETROCAPACITADO
Desplazamiento (cm)
ORIGINAL RETROCAPACITADO
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Cortantes basales en la dirección corta del edificio.Registro octubre 1966
-600
-400
-200
0
200
400
600
0 10 20 30 40
Seg
Ton
ORIGINAL RETROCAPACITADO
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EDIFICIO DE 10 NIVELES EN LA CIUDAD DE LIMA
0
10
20
30
40
50
60
0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 0.0100 0.0120 0.0140
Altu
ra (m
)
Derivas
Derivas - Estructura amortiguada vs sin amortiguar
Estructura Amortiguada
Estructura sin amortiguar
Al incluir disipadores, se redujo los desplazamientos laterales en 30%
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EDIFICIO DE 10 NIVELES EN LA CIUDAD DE LIMA
Al incluir disipadores, se redujo la fuerza cortante basal en 40%
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Fuerza cortante - Estructura amortiguada vs sin amortiguar
Est. Amortiguada Est. Sin Amortiguar
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REQUISITOS PARA EDIFICACIONES NUEVAS
CASO DE EDIFICACIONES DE POCA ESBELTEZSeguir lineamientos de la norma E 030 CASO DE EDIFICACIONES DE GRAN ESBELTEZ
O EDIFICIO DE H>60m (Japón) Requisitos especiales:
Controlar derivas: para proteger el contenido, minimizar daños en sismos.
Reducir secciones de elementos verticales paramaximizar área útil. Para ello es necesario reduciresfuerzos en elementos verticales.
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Con la inclusión de amortiguadores de líquidoviscoso se logra que las estructuras permanezcanen el rango elástico y disminuye sustancialmentela necesidad de refuerzos en sus elementos.
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CONCLUSIONES
PERU ES UN PAIS SISMICO LOS SISMOS NO SOLO PRODUCEN PERDIDAS DE VIDA Y
DESTRUCCION, PRODUCEN PERDIDAS ENORMES EN EL CONTENIDO DE LOS EDIFICIOS,
DISRUPCION DE LA OPERACION COSTO ALTOS DE RECONSTRUCCION Y REPARACION LAS NORMAS Y PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO ACTUALES ESTAN
ORIENTADOS A LA PROTECCION DE LA VIDA Y EVITAR EL COLAPSO.
DEBEN MODIFICARSE PARA QUE SE EXIGA PROCEDIMIENTO DE PERFORMANCE Y CONTROL DE DAÑOS
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CONCLUSIONES 2
ELLO REQUIERE CONCIENTIZACION DE LOS PROMOTORES E INVERSIONISTAS
DIFUSION DEL CONOCIMIENTO EN LA COMUNIDAD DE INGENIEROS Y REENTRENAMIENTO
COMO OPINAN LOS INVESTIGADORES AMERICANOS ES DIFICIL ACEPTAR QUE SEAN NECESARIAS PERDIDAS DE VIDA Y
ECONOMICAS PARA MEJORAR LAS PRACTICAS DE LA INGENIERIA LA OPORTUNIDAD QUE SE HA ABIERTO CON EL SISMO EN CHILE DEL
2010 DEBE APROVECHARSE PARA PROMOVER EL USO DE TECNOLOGIAS DE CONTROL PARA REDUCIR LAS DEMANDAS DE LOS SISMOS, PROTEGER LA VIDA Y LA INVERSION
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