Diseño por Desempeño de Edificios de Hormigón Armado incorporando el Efecto del Suelo

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2021-12

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Universidad de Valparaíso

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Escuela de Ingenieria Civil

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Resumen

La aplicación del análisis no lineal de edificios de hormigón armado para determinar el nivel de desempeño de las estructuras en Chile, ha sido utilizado para el estudio del daño causado a estructuras sometidas a terremotos, y así validar el método de diseño por desempeño. El presente trabajo no busca predecir el daño estructural de un edificio con esta metodología, sino que validar otras propuestas de la misma. El propósito de este estudio es determinar un período natural para el cual es pertinente el uso de esta metodología y generar una visión sobre el efecto del suelo en las estructuras y su repercusión en el método por desempeño, para determinar si es necesario considerar la condición de interacción suelo-estructura en el cálculo. El presente trabajo propone el análisis de tres edificios de distintas alturas, tomando como referencia inicial el trabajo realizado en 2015 por Salvador Vildoso, quien estudio la influencia del suelo en un modelo estructural de 15 pisos, dicha investigación se aboca al comportamiento de muros y fundaciones, y la repercusión de la interacción suelo-estructura en el modelo. Basados en la arquitectura utilizada por Vildoso, se propone analizar modelos de 15, 20 y 30 pisos de altura, para generar una gama más amplia del espectro de estructuras estudiadas incorporando modelos analíticos de suelo. De esta manera, en primer lugar, se determina un rango de períodos para el cual la metodología de diseño por desempeño es más adecuada y posteriormente se analiza si la interacción-suelo estructura genera cambios en el comportamiento de los modelos estudiados con respecto a los de base fija. Para el análisis, se construyen los tres modelos constituidos por muros, losas y vigas de hormigón armado basados en la normativa vigente actual, las estructuras se modelan en el programa de cálculo estructural ETABS. Los muros estructurales se diseñan a flexo-compresión, mientras las vigas de acople, bajo la teoría del diseño por capacidad, con los resultados obtenidos del análisis modal espectral. El análisis lineal finaliza con la incorporación del primer modelo analítico de suelo, mediante el estudio de fundaciones de los edificios. Se incorpora al modelo de base fija el modelo analítico de suelo de Winkler, análisis que arroja un cambio en el período fundamental de la estructura, con un incremento en cada uno de los coeficientes de Balasto utilizados. Posteriormente, se realiza la modelación no lineal de los edificios, los cuales son construidos en el programa de análisis Ruaumoko 2D. Los elementos estructurales son definidos considerando el efecto del agrietamiento del hormigón y la influencia del acero, se realiza una verificación previa de los modelos para definir un correcto comportamiento de los elementos estructurales intentando ser lo más cercano posible al diseño realizado en el análisis lineal. Para el análisis dinámico se utilizan cinco registros de aceleraciones, tres de ellos correspondientes al terremoto en Chile en 2010, medidos en las ciudades de Concepción, Constitución y Viña del Mar. A estos se añaden dos ocurridos en suelo extranjero correspondientes al temblor de Sylmar, EE.UU., y al terremoto de Christchurch, New Zealand. Los resultados evidencian que los registros con un peak de aceleraciones (PGA) superior llevan a los muros a interactuar en el rango no lineal para los edificios de 15 y 20 pisos, mientras que para el modelo de 30 pisos los muros solo alcanzan un comportamiento lineal. Finalizado el análisis de los modelos de base fija, se generan la construcción de los modelos con la incorporación de los modelos analíticos de suelo, para esto se utilizan dos teorías, correspondientes a la presentada por Pasternak y Vlazov, con distintos parámetros del suelo. Los resultados demuestran una variación en los períodos fundamentales de la estructura, así como de la distribución de esfuerzos y los desplazamientos. A partir de este análisis se determinaron los parámetros más relevantes para la determinación de los niveles de desempeño, siendo estos los valores asociados al desplazamiento de techo para la determinación del nivel de desempeño global de la estructura, mientras que para el análisis de los niveles de desempeño locales se calcularon los valores asociados a la deformación unitaria de los elementos estructurales. La evaluación de los niveles de desempeño de los edificios, determina que los modelos sometidos al mayor desplazamiento objetivo y consigo a un nivel de desempeño más perjudicial para la estructura, fueron los modelos de 20 y 30 pisos, donde se establecen en el estado límite de seguridad de vida, asociándose a esto que para alturas superiores se tiene un peor desempeño estructural para los sismos utilizados en el análisis. En base a los resultados, se define un rango de períodos cercano al obtenido para el edificio de 20 pisos, para los cuales es probable que se alcance una mayor demanda de desplazamientos acercándose al límite de prevención de colapso correspondiente a estructuras con un desplazamiento de techo superior al 1.5% de la altura total del edificio. Con respecto al análisis incorporando los modelos de suelo, se determinan incrementos en las fuerzas internas de los modelos de 15 y 20 pisos, para algunos de los sismos de mayor PGA utilizados en el análisis tiempo-historia, aunque los resultados se mantienen con variaciones menores. Mientras, para los desplazamientos el modelo de 15 pisos sometido al sismo de Concepción presenta la mayor variación incrementando su desplazamiento de techo de 15 centímetros para base fija a 29 centímetros con el modelo analítico de Vlazov. En el caso de los sismos con un menor peak de aceleraciones, se obtienen disminuciones en los desplazamientos en la mayoría de los modelos reduciéndose en un 50% para el modelo de 30 pisos. Debido a esto, no es posible determinar, que la influencia de la incorporación de modelos analíticos de suelo es un agravante frente al modelo de base fija de manera clara, pero a su vez, la no consideración de la influencia del suelo puede suponer un error, debido a que su omisión consigue diseños menos conservadores para modelos en los que la influencia es gravitante, como ocurre en estudios de respuesta de sitio, que buscan determinar una correcta estimación del peligro sísmico para cualquier zona de estudio, todo esto relativo al efecto del suelo en el análisis dinámico. La hipótesis inicial de este trabajo, propone que la no consideración del efecto del suelo sobre estructuras puede ser causal de errores de diseño y que su influencia debe ser estudiada. Esta tiene relación con la poca importancia que se le da a la incorporación de la interacción suelo estructura en la propuesta de diseño por desempeño, y es que existe una variada cantidad de estudios que demuestran que un porcentaje importante de estructuras que son sometidas a mayores esfuerzos y desplazamientos al comparar los comportamientos de modelos de base fija con los que incorporan el suelo. Esta memoria otorga una cantidad de resultados amplia al realizar un análisis de tres estructuras de distinta altura, lo que es de gran ayuda para determinar cierto intervalo de períodos para el cual la metodología de diseño por desempeño permite detectar la existencia de posibles daños o el colapso de la estructura estudiada. Se espera que las conclusiones plasmadas en este documento inicien una línea investigativa que proponga un rango de altura pertinente para la propuesta de diseño por desempeño de la ACHISINA y que se siga estudiando la influencia del suelo en dicho rango.

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EDIFICIOS DE HORMIGON, HORMIGON ARMADO, ANALISIS DE SUELOS

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