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Análisis y Diseño de colegio de dos niveles
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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INGENIERÍA SISMORRESISTENTE PERÚ
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN El análisis Sismorresistente de una estructura es de gran importancia tanto para garantizar un apropiado comportamiento frente a un evento sísmico, así como, para entender y predecir la respuesta estructural. Entender el comportamiento estructural es fundamental para poder caracterizar de manera más adecuada el nivel de daño que pueda presentar una estructura debido a un evento sísmico. La filosofía del Diseño Sismorresistente según la Norma E.030 consiste en: a. Evitar pérdida de vidas humanas. b. Asegurar la continuidad de los servicios básicos. c. Minimizar los daños a la propiedad. Se reconoce que dar protección completa frente a todos los sismos no es técnica ni económicamente factible para la mayoría de las estructuras. En concordancia con tal filosofía se establecen en la presente Norma los siguientes principios: a. La estructura no debería colapsar ni causar daños graves a las personas, aunque podría presentar daños importantes, debido a movimientos sísmicos calificados como severos para el lugar del proyecto. b. La estructura debería soportar movimientos del suelo calificados como moderados para el lugar del proyecto, pudiendo experimentar daños reparables dentro de límites aceptables. c. Para las edificaciones esenciales, definidas en la Tabla Nº 5 (Norma E.030), se tendrán consideraciones especiales orientadas a lograr que permanezcan en condiciones operativas luego de un sismo severo. Sin embargo el estado del arte actual no puede garantizar el punto exacto de comportamiento de los edificios (punto de desempeño), en otras palabras no está lo suficientemente desarrollado como para explicar la capacidad real de las estructuras.
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 1.1 PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS SÍSMICO Existen varios procedimientos de análisis sísmico de edificios, estos procedimientos pueden ser lineales o no lineales, y estos a la vez pueden ser estáticos o dinámicos. Según el ASCE/SEI 41-13, el análisis sísmico de las estructuras se llevará a cabo mediante los procedimientos lineales (análisis estático lineal (AEL) y análisis dinámico lineal (ADL)) y procedimientos no lineales (análisis estático no lineal (AENL) y análisis dinámico no lineal (ADNL)). Figura 1 .1. Procedimientos de Análisis Sísmico según el ASCE/SEI 41- 13 1.1.1 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS LINEAL En el procedimiento de análisis lineal se calcula la demanda sísmica y se compara con la capacidad estructural mediante la realización de un análisis lineal elástico. Figura 1. 2. Demanda sísmica y capacidad estructural
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 1.1.1.1 ANÁLISIS ESTÁTICO O DE FUERZAS EQUIVALENTES Este método representa las solicitaciones sísmicas mediante un conjunto de fuerzas actuando en el centro de masas de cada nivel de la edificación para obtener los desplazamientos y las fuerzas de diseño. Figura 1. 4. Análisis estático o de fuerzas equivalentes Dentro del mismo se asumen dos hipótesis importantes; la primera es que el método implica que las acciones equivalentes de diseño son capaces de representar la acción símica, lógicamente esto es una simplificación que debe cumplir con los requerimientos para algunas edificaciones. Por ejemplo según la Norma E.030 podrán analizarse mediante este procedimiento todas las estructuras regulares o irregulares ubicadas en la zona sísmica 1, las estructuras clasificadas como regulares según el numeral 3.5 de no más de 30 m de altura y las estructuras de muros portantes de concreto armado y albañilería armada o confinada de no más de 15 m de altura, aun cuando sean irregulares. Por otro lado el método implica que se puede obtener una medida adecuada de la estructura usando un modelo elástico lineal. La pregunta que surge con estas dos importantes hipótesis es ¿Cómo lograr verificar la estructura ante el colapso o como diseñar los elementos para lograr que se deformen de acuerdo a su ductilidad esperada?
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 1.1.1.2 ANÁLISIS DINÁMICO MODAL ESPECTRAL Y TIEMPO - HISTORIA La estructura es modelada como un sistema de uno o varios grados de libertad, con una matriz de rigidez elástica lineal y una matriz de amortiguamiento viscoso equivalente. Para saber la demanda a la cual someteremos la estructura en este método, se puede usar el espectro de diseño sísmico que imponga la norma para el caso del método de análisis modal espectral o varios registros en el caso del método de tiempo-historia. Figura 1. 5. Análisis modal espectral y tiempo-historia El análisis por combinación modal espectral supone que la respuesta dinámica de un edificio puede ser estimada a partir de la respuesta independiente de cada modo natural de vibración usando el espectro de respuesta elástico lineal. Solamente se consideran los modos que contribuyen de forma significativa a la respuesta de la estructura. La Norma E.030 indica que se considere aquellos modos de vibración cuya suma de masas efectivas sea por lo menos el 90% de la masa total de la estructura. Cabe destacar que tampoco tiene en cuenta los efectos reales del comportamiento no lineal. 1.1.2 PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS NO LINEAL Las estructuras sufren deformaciones inelásticas significativas bajo un fuerte sismo y las características dinámicas de la estructura varían con el tiempo, por lo que la investigación del comportamiento de la estructura requiere de procedimientos de análisis no lineales que representen estas características. Los procedimientos de análisis no lineales ayudan a comprender el comportamiento real de las estructuras mediante la identificación de los modos de falla y el potencial de colapso progresivo.
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 1.1.2.1 ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL O PUSHOVER El procedimiento de análisis estático no lineal conocido como “Pushover” es el método más usado para la evaluación del desempeño sísmico de las estructuras debido a su simplicidad, menor esfuerzo computacional y precisión. El análisis Pushover en su modelo matemático incorpora las características no lineales del material a partir de cierto nivel de fuerzas. El procedimiento de análisis estático no lineal consiste en aplicar fuerzas laterales a la estructura que van incrementándose gradualmente, el análisis se lleva hasta el colapso de la estructura, por lo tanto, permite la determinación de la carga de colapso y la capacidad de ductilidad de la estructura. Las fuerzas laterales se aplican de acuerdo a un patrón de carga predefinido y son aplicadas en forma monotónica en una sola dirección, la magnitud de la fuerza lateral se incrementa, pero el patrón de fuerza lateral sigue siendo igual hasta el final del proceso. Figura 1. 7. Esquema del procedimiento de análisis estático no lineal Como resultado del análisis Pushover se obtiene la curva capacidad (curva Pushover) o curva fuerza desplazamiento de la estructura, esta curva relaciona la cortante en la base con el desplazamiento lateral del nodo de control, también el análisis Pushover nos permite identificar los modos de falla de la estructura y potencial de colapso progresivo, conocer la secuencia de formación de rotula plásticas, redistribución de fuerzas en la estructura y la capacidad sísmica del edificio. La aplicación del análisis estático no lineal en el proceso de reforzamiento estructural es importante porque permite al ingeniero estructural reforzar de manera selectiva los elementos de la estructura y de esta manera se logra maximizar la eficiencia en los costos del reforzamiento estructural. El análisis estático no lineal está limitado a su capacidad de capturar el comportamiento dinámico transitorio con la carga y la degradación cíclica.
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 1.1.2.2 ANÁLISIS DINÁMICO NO LINEAL El procedimiento de análisis dinámico no lineal es el procedimiento de análisis sísmico más preciso para estimar las demandas sísmicas. Sin embargo, el uso de análisis dinámico no lineal es limitado debido a que la respuesta dinámica es muy sensible a las características del modelado y de los terremotos. Se requiere el modelado adecuado de las características de deformación de cargas cíclicas teniendo en cuenta las propiedades de deterioro de los elementos importantes de la estructura. Además, se requiere la disponibilidad de un conjunto de registros representativos del movimiento de la tierra que represente las incertidumbres y diferencias en severidad, frecuencias y características de duración. Por otra parte, el tiempo de cálculo, el tiempo requerido para la elaboración de datos de entrada e interpretar los datos de salida hace que el uso del análisis dinámico no lineal sea poco práctico. El procedimiento de análisis dinámico no lineal nos permite conocer la variación de la respuesta la estructura en el tiempo como los desplazamientos del edificio, derivas, fuerzas en los elementos de la estructura, etc. Figura 1. 8. Esquema del procedimiento de análisis dinámico no lineal
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1.92 1. ELEVACIÓN Y CORTE 2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES Albañilería
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 2.4 CARGAS UNITARIAS Pesos Volumétricos
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS CAPÍTULO IV PREDIMENSIONAMIENTO 4.1 LOSAS Para los aligerados armados en una dirección y con sobrecargas de hasta 350 kg existe una regla práctica que se utiliza con buenos resultados para determinar su espesor. Esta regla consiste en dividir la longitud de luz libre (Ln) del paño entre 25. Este espesor de la losa incluye tanto al espesor del ladrillo como a los 5 cm de losa superior. Siguiendo este criterio, y debido a que la luz libre del paño es de 3.975 m, el peralte resultaría ser de 16 cm, pero se utilizará un peralte de 20 cm. 4.2 VIGAS Para las vigas peraltadas la regla práctica recomienda trabajar con peraltes del orden de un décimo a un doceavo de la luz libre (Ln) entre apoyos. El ancho de la viga en estos casos se pre dimensiona tomando como base el peralte, es decir, el ancho de la viga varía entre 1/2 y 2/ 3 del peralte. Siguiendo este criterio para las vigas portantes cuya luz libre mayor del paño es de 6.60 m el peralte resultaría ser de 0. 60 m con una base de 0.30 y 0.25 m y para las vigas sísmicas la luz libre menor del paño es de 3.25 m el peralte resultaría 0. 4 0 m con una base de 0. 25 m. VIGAS PORTANTES VIGA SÍSMICA 10cm 30cm 10cm 30cm 10cm h 5cm hladrillo h = 0.80 m b = 0.30 m h = 0.60 m b = 0.25 m h = 0.40 m b = 0.25 m
DE UN COLEGIO A DOS AGUAS 4.3 COLUMNAS El peralte de las columnas depende de la longitud de desarrollo del acero en las vigas. 4.4 PLACAS Se consideró 6 placas de 1.45 m de longitud y 25 cm de espesor en el eje X. 4.5 MUROS Para las zonas sísmicas 3 y 4, el espesor efectivo mínimo, descontando tarrajeos es t = h/20 = 290 /20 = 0.145 m, donde “h” es la altura libre de la albañilería. Con lo cual, se utilizará muros en aparejo de cabeza con espesor efectivo igual a 2 3 cm ( 2 5 cm tarrajeados).
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