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 Aceleraciones
sismica verticales. Se conoce que la prevención y mitigación de los
desastres producidos por los sismos es una problemática actual y de carácter
multidisciplinario. Es por ello que se precisa que los proyectos de estructuras,
siendo racionales, garanticen la adecuada seguridad sísmica de las mismas,
contribuyendo así a evitar grandes pérdidas económicas y de vidas humanas. Como
es conocido los sismos poseen, en general, tres componentes de acción
principales, dos componentes en el plano horizontal y una en el plano vertical,
la cual puede tomar valores menores, iguales o inclusive mayores que las
horizontales; ejemplo: el sismo ocurrido en el año 1995 en la ciudad Japonesa de
Kobe, donde la presencia de las aceleraciones verticales del sismo incrementó el
grado del desastre provocando un aumento de los daños en las edificaciones en
las cuales este efecto no había sido tenido en cuenta en el diseño, aumentando
el nivel de las pérdidas materiales y humanas. La norma sísmica cubana tiene en
cuenta, para el análisis y diseño estructural, en general, sólo las componentes
horizontales, utilizándose la componente vertical en algunos casos particulares
como estructuras de luces mayores de 20m, elementos pretensados horizontales,
voladizos y balcones, construcciones en arco con altas compresiones, columnas de
hormigón armado y muros tímpanos de cortante sometidos a grandes fuerzas
cortantes, así como en puentes con articulaciones. Para cada uno de estos casos
se recomienda aplicar componentes verticales dispuestas en el sentido y posición
más desfavorable con un valor de 0.7AIW, siendo W el peso del elemento
analizado. De esta forma las componentes verticales, que se utilizan en el
diseño, además de considerarse solo en limitados casos no se obtienen de un
espectro de diseño para las aceleraciones verticales. Ante tal situación surge
la motivación de realizar una investigación para evaluar el comportamiento de
edificios regulares con dimensiones comunes tomando en consideración las
aceleraciones sísmicas verticales obtenidas a partir de un espectro de diseño.
Para esto se consultaron varias bibliografías y reglamentos de referencia
internacional a fin de estudiar la manera en que estos efectos son tomados en
cuenta. Estas razones condujeron al planteamiento de los objetivos que han sido
propuestos para el desarrollo del presente trabajo.
Objetivos: Evaluar la influencia de las aceleraciones sísmicas verticales en
las magnitudes principales de respuesta estructural en edificios regulares
rigidizados con pórticos espaciales dúctiles de hormigón armado, entre dos y
ocho niveles, con luces entre 3.60m y 7.20m, puntales entre 3.00m y 3.60m y la
presencia o no de asimetrías mecánicas. Evaluar la influencia de los parámetros
variables: número de niveles, luces de los pórticos, puntales de las columnas y
la presencia o no de excentricidades estructurales en los parámetros de control:
solicitaciones globales en la base de la estructura y fuerzas interiores en
columna extrema y viga central del primer nivel.
Zona sísmica. El territorio nacional para fines de aplicación de la norma
cubana, se ha dividido en 4 zonas. A cada zona se le asigna un valor de
aceleración en fracciones de la gravedad. La obra se concibió para ser emplazada
en la ciudad de Santiago de Cuba, perteneciente a la zona 3 que es de peligro
sísmico alto, que puede ocasionar daños graves en las construcciones debiéndose
tomar medidas sismo - resistentes en las estructuras y obras en función de la
importancia de las mismas. La aceleración horizontal máxima del terreno para el
cálculo (A) será de 0.30g. El análisis se realizó para un suelo tipo S2, que
según la norma sísmica cubana son depósitos estables de suelos no cohesivos o
arcillas duras cuando su profundidad hasta la base rocosa excede los 60.0 m y
los estratos superiores están compuestos por arenas, gravas o arcillas duras
(este material puede caracterizarse por una velocidad de propagación de la onda
de cortante entre 240.0 y 450.0 m/seg.). Sus períodos están comprendidos entre
0.5 y 0.8 seg. Tipología estructural. La edificación clasifica como tipo
I, compuesta por pórticos dúctiles de hormigón armado en ambas direcciones (X,Y),
los cuales resisten el 100.0% de la fuerza sísmica horizontal, considerándose
que actúan independientemente de cualquier otro elemento rígido, para un valor
de Rd=4.5. Espectros de diseño (horizontal y vertical). Para la
construcción del espectro de diseño horizontal, se tomaron las formulaciones y
los valores dados por la norma para un suelo tipo S2. Para la determinación del
espectro de diseño vertical se tomaron los conceptos planteados por el Eurocode
8, donde se plantea que: "a menos que estudios específicos indiquen lo
contrario, la componente vertical de la acción sísmica debe ser representada por
el espectro de respuesta definido para la acción sísmica horizontal, pero con
las ordenadas reducidas como sigue:
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para períodos de vibración T menores que 0.15 s la ordenada es multiplicada por
el factor (0.70).
-
para períodos de vibración T mayores que 0.5 s la ordenada es multiplicada por
el factor (0.50).
-
para períodos de vibración T entre 0.15 y 0.5 s debe usarse una interpolación
lineal."
Aplicado esto al suelo S2 los espectros de diseño horizontal y vertical quedan
de la siguiente forma:
Modelo físico y dinámico. Para el estudio de las variantes se considera
un modelo espacial de la estructura que toma en cuenta todas las deformaciones
existentes en cada uno de los elementos componentes de la misma y para la
modelación de las acciones sísmicas se considera un modelo de masas discretas
simulando el efecto de distribución de estas en cada uno de los pisos, con tres
grados de libertad dinámicos (desplazamiento en X, Y y Z). No se consideró en el
análisis estructural los efectos de segundo orden por geometría. El modelo
físico de las variantes correspondientes a las estructuras objeto de estudio fue
resuelto con el empleo del software profesional SAP 2000 versión 7.42, el cual
es considerado como uno de los líderes a nivel internacional. A continuación se
muestra la metodología y las consideraciones utilizadas para introducir los
datos al mismo.
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Definir las unidades de medida a emplear, (kN-m).
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Definir el modelo a utilizar teniendo en cuenta que el análisis es espacial.
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Introducir los datos correspondientes al modelo físico de la estructura que se
analiza (definir número de niveles, espacios en la dirección del eje X y Y,
altura de los niveles, dimensiones mas comunes en las direcciones de los ejes X
y Y.
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Definir los vínculos de apoyo empotrados.
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Definir el tipo de material a emplear (isotrópico) con sus propiedades mecánicas
(masa por unidad de volumen, peso, módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson
y el coeficiente térmico de expansión. En el caso de la masa por unidad de
volumen del material de las losas, hay que señalar que en la misma se tuvo en
cuenta la presencia de los por cientos de carga permanente y temporal que según
el reglamento están presentes en el momento de ocurrencia de un sismo, para que
el programa al generar la masa del entrepiso, automáticamente genere la masa
total del mismo.
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Definir el tipo de sección transversal y las dimensiones de los elementos que
componen la estructura (vigas, columnas); asignar el material que lo compone, y
considerar el 100 por ciento de la rigidez de las secciones.
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Definir las secciones de los elementos de cubierta y entrepiso como un (shell),
los cuales trabajan como placa y membrana, pues están sometidos a cargas en su
plano y en el plano perpendicular a ellos.
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Definir los estados de cargas estáticas (carga permanente, carga temporal de
larga y corta duración), así como los tipos (carga muerta, carga viva) que
intervienen en el análisis y el coeficiente que tiene en cuenta el peso propio
de la estructura.
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Asignar la sección correspondiente a cada elemento (vigas, columnas, cubierta y
entrepisos).
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Definir los paños de losas, considerando la cubierta y los entrepisos cumpliendo
con la hipótesis de entrepiso rígido es decir, como un diafragma. Asignar un
diafragma para cada piso.
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Definir el espectro de diseño horizontal y vertical, para el tipo de suelo en el
que se encuentra ubicada la obra, introduciendo los valores de C y T.
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Introducir los datos del espectro de respuesta del suelo en la dirección que se
analiza la acción de la carga de sismo (definir el tipo de combinación modal, y
el valor de un factor de escala para introducir los factores constantes de la
formula del cortante basal A, I, Rd y g.
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Definir las combinaciones de cargas. Los coeficientes de mayoración para
las cargas en las combinaciones se obtuvieron de las normas vigentes. En el caso
de la carga temporal de larga duración se consideró un coeficiente de 0.8 y para
la de corta duración (en edificios públicos) 0.6, en las combinaciones en que
están presentes las acciones sísmicas, ya que estos fueron los valores de estas
cargas que se consideraron en la determinación de las masas de la estructura
para el cálculo de las acciones sísmicas. Para el caso de la carga permanente se
empleó un coeficiente igual a 1.2 "para estructuras de hormigón armado".
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Asignar las cargas actuantes (carga permanente, carga temporal de larga y corta
duración) en la cubierta y entrepisos.
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Definir en las opciones de análisis, el tipo espacial y la opción de análisis
dinámico.
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Definir los parámetros del análisis dinámico. Para este caso se tuvo en cuenta
que el criterio de discriminación fuese el de considerar tantos modos como
fueran necesarios para asegurar un factor de masa participativa mayor que el
90.0% en todas las direcciones analizadas, es decir las dos horizontales y la
vertical, criterio que condujo a considerar los 20 primeros modos o formas
propias de oscilación de la estructura. Se seleccionó como método de solución
del problema de los valores propios el método de los vectores de RItz.
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Realizar la corrida del programa y obtener los ficheros de resultados.
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Análisis y evaluación de los resultados. Para la obtención y análisis de los
resultados se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros objetos de estudio
(para cada parámetro objeto de estudio se utilizaron hojas de cálculo para el
procesamiento y análisis de los resultados. Para medir la influencia de las
aceleraciones sísmicas verticales en el comportamiento de las variantes de
estructuras estudiadas, se seleccionaron algunas de las características de la
respuesta estructural, aquellas en que se consideró que la influencia es más
significativa y que por tanto el obviarlas puede conducir a la proyección de
edificaciones estructuralmente más vulnerables. Las características de la
respuesta estructural seleccionadas son: Respuesta en términos globales:
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Axial total.
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Fuerzas cortantes totales.
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Momentos de vuelco totales.
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Momento torsor total.
Respuesta en términos de elementos:
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Fuerzas interiores en columna extrema.
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Momento flector y fuerza cortante en viga central del primer nivel.
A continuación se muestran como ejemplo de las mismas, los resultados obtenidos
para la variante E6N3.6L6ht15RCV3. Respuesta en términos globales
Respuesta en términos de elementos. Por: Alberto
Arredondo Lora. arredondocu@yahoo.es
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