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DISEÑO POR DESEMPEÑO DE EDIFICIOS ALTOS DE HORMIGÓN ARMADOA TRAVÉS DEL ANÁLISIS NO LINEAL DE HISTORIA EN EL TIEMPOTRANSCRIPT
Ciencia en su PC
ISSN: 1027-2887
Centro de Información y Gestión Tecnológica
de Santiago de Cuba
Cuba
Rodríguez-Infanzón, Olides
DISEÑO POR DESEMPEÑO DE EDIFICIOS ALTOS DE HORMIGÓN ARMADO A TRAVÉS DEL
ANÁLISIS NO LINEAL DE HISTORIA EN EL TIEMPO
Ciencia en su PC, núm. 4, septiembre-diciembre, 2012, pp. 61-72
Centro de Información y Gestión Tecnológica de Santiago de Cuba
Santiago de Cuba, Cuba
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Ciencia en su PC, №4, septiembre-diciembre, 2012, p. 61-72. Olides Rodríguez-Infanzón
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DISEÑO POR DESEMPEÑO DE EDIFICIOS ALTOS DE HORMIGÓN ARMADO
A TRAVÉS DEL ANÁLISIS NO LINEAL DE HISTORIA EN EL TIEMPO
PERFORMANCE-BASED DESIGN OF TALL CONCRETE BUILDINGS
THROUGH THE NONLINEAR ANALYSIS OF HISTORY IN TIME
Autor:
Olides Rodríguez-Infanzón, [email protected].
Inmobiliaria del Turismo. Santiago de Cuba. Cuba.
RESUMEN
Se presenta un análisis sobre la factibilidad de la aplicación del diseño basado en el desempeño de edificios altos pertenecientes al sistema prefabricado IMS (Instituto de Materiales de Serbia), en la ciudad de Santiago de Cuba, teniendo en cuenta que al mismo no se le han realizado análisis de este tipo, por lo que se desconocen los mecanismos de fallo y formación de articulaciones plásticas, además de las reservas de ductilidad con que cuentan las edificaciones pertenecientes a esta tipología constructiva frente a sismos de gran magnitud. Se fundamenta la aplicación del diseño por desempeño mediante la utilización de análisis no lineales de historia en el tiempo, los mismos se obtuvieron a través de acelerogramas sintéticos a partir de registros de sismos reales. Palabras clave: diseño por desempeño, edificios altos, análisis no lineal.
ABSTRACT
The present paper shows an analysis on the feasibility of implementing a performance-based design of tall buildings from the prefabricated system IMS (Institute of Materials of Serbia), in the city of Santiago de Cuba. Such analyses have not been ever conducted to the system; that is why; failure mechanisms and formation of plastic hinges are still unknown, as well as the ductility stocks of the buildings from this constructive typology against major earthquakes. The paper explains the application of the performance-based design using the nonlinear analysis of history in time. They were obtained through synthetic accelerograms from actual earthquake records. Key words: performance-based design, tall buildings, nonlinear analysis.
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INTRODUCCIÓN
El déficit habitacional en el área urbana de Santiago de Cuba, aparejado al
crecimiento natural de la población, además del estancamiento existente desde
hace ya varios años en el sector de la construcción, han suscitado preocupaciones
y múltiples análisis por parte de organismos estatales e instituciones
gubernamentales. En este sentido, en los últimos años, el Ministerio de la
Construcción de la provincia, conjuntamente con sus empresas adjuntas, vienen
desarrollando un programa de construcción de edificaciones en varias zonas de la
ciudad, dirigidas fundamentalmente al sector residencial, como paliativo a la crítica
situación referida.
En el año 2010, dicho ministerio solicitó a las empresas de proyecto, así como a
otras entidades pertenecientes al mismo, la posibilidad de retomar tecnologías
aplicadas en décadas anteriores para la construcción de edificios altos,
fundamentalmente con el sistema IMS, teniendo en cuenta la existencia de una
planta de prefabricado en la provincia. Además, este sistema tiene bondades que
el uso del mismo facilita, ya sea desde el punto de vista industrial como las
relacionadas con el crecimiento vertical en zonas de escasos espacios habitables,
fundamentalmente. Como es lógico suponer, la reimplantación de un sistema
constructivo en desuso, además del correspondiente reacondicionamiento de sus
líneas de producción, acarrea un grupo de acciones de toda índole, que
comienzan con estudios de factibilidad, impacto ambiental, evaluación de la
disponibilidad de recursos humanos, materiales, financieros y sociales; hasta otras
más específicas, que caen en el campo científico técnico.
En relación con este último aspecto, existen algunas importantes variables que
deben ser revaluadas por los proyectistas, estas están referidas al
comportamiento sismorresistente de esta tipología constructiva. Estas variables
están motivadas esencialmente por actualizaciones o cambios de código de
diseño, nuevos enfoques e investigaciones acerca de las propiedades de los
materiales de construcción, procedimientos de análisis y herramientas modernas
para la revisión o cálculo de los sistemas estructurales; los cuales permiten un
nivel de evaluación superior desde el punto de vista cualitativo. Dentro de estas
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variables se pueden citar las derivas de piso, el aporte resistente de los elementos
estructurales, la degradación de resistencia y rigidez, reserva de ductilidad de la
estructura, índices de daño, así como los mecanismos de formación de
articulaciones plásticas y fallo en estos edificios.
Los elementos anteriores constituyen en esencia el fundamento teórico de este
trabajo, ya que a través de argumentos se pone de manifiesto la factibilidad de la
aplicación del diseño basado en el desempeño a edificios de esta tipología
constructiva, y la inminente necesidad de obtener estos parámetros para una
revaluación y toma de decisión con respecto a su inmediata reimplantación.
MÉTODO
Este trabajo comprendió las fases siguientes:
Revisión bibliográfica acerca de documentos sobre el sistema constructivo
IMS y estado del arte del diseño basado en el desempeño.
Análisis y valoraciones de los creadores originales del sistema IMS acerca
de las posibilidades y ensayos realizados al mismo.
Análisis de resultados de trabajos de diploma y maestrías sobre cálculos
estructurales realizados con programas informáticos al sistema IMS, en los
que se detectan fallas y vulnerabilidad asociada a sus elementos
constituyentes.
Implantación del sistema IMS en Cuba
El sistema prefabricado IMS se introdujo en nuestro país por aprobación del
Ministerio de la Construcción de Cuba y se puso en vigencia a partir del año 1967.
Su implantación estuvo a cargo del Centro Técnico de la Vivienda y el Urbanismo
(CTVU) de La Habana, con el asesoramiento de técnicos yugoslavos (Medina, et.
al. 1986).
El primer edificio de este tipo se construyó de forma experimental en el municipio
capitalino Plaza de la Revolución, con una altura de 5 niveles (Maspons, et. al,
1987).
En el área urbana de Santiago de Cuba se han construido diversos edificios con
este sistema, que varían entre 5, 8, 12 y 18 niveles, estos últimos son los más
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abundantes, con un total de 7, distribuidos en diferentes zonas de la ciudad. Los
mismos fueron destinados al sector residencial fundamentalmente, a pesar de que
el sistema brinda posibilidades para otros usos, tales como instalaciones sociales
y círculos infantiles.
RESULTADOS
Independientemente de los varios argumentos presentados por especialistas en el
sistema IMS, como los de la ingeniera Vera Zivić (1980), quien destaca: “El
sistema se ha aplicado y controlado en un gran número de edificios construidos en
muchas de nuestras ciudades. (…) se ha confirmado a través de una amplia
aplicación, que después ha resultado en Yugoslavia y en el extranjero, ser por
completo exitoso y ventajoso constructivamente porque satisface gran parte de
nuestras necesidades como un sistema prefabricado contemporáneo,” además de
los múltiples documentos y manuales revisados sobre este sistema, en los que se
brindan evidencias de la rigurosidad y fundamentación teórica de los cálculos; se
ha determinado por medio de un estudio de vulnerabilidad que el sistema posee
fallas frente a la actuación de un sismo severo para las actuales prescripciones
normativas, en términos de capacidad resistente de sus tímpanos (fallo por flexo-
compresión en la dirección paralela a sus ejes en las dos primeras plantas).
Asimismo, en el tope del edificio, sobrepasa los niveles de desplazamiento
estipulados en la norma cubana NC 46:1999; por tanto, el sistema es vulnerable
para el nivel de amenaza analizado (Diéguez, 2011). - Método para evaluación de
la vulnerabilidad sísmica estructural, Scarlat, Nivel III -.
Los desplazamientos excesivos de estos tipos de edificios se han corroborado
igualmente en trabajos de diploma realizados en la Facultad de Construcciones de
la Universidad de Oriente por estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil, los
cuales han demostrado, a través de análisis modales con espectros de respuesta
correspondiente a las normas cubanas NC 46:1999 y la propuesta de norma NC
46:2012, que los mismos sobrepasan los límites de derivas máximas establecidas
en dichas normas. Estos análisis se efectuaron en edificios IMS de 12 y 18 plantas
(Arzuaga, 2012; Barbosa, 2012).
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En el trabajo de diploma Estudio de vulnerabilidad sísmica estructural de edificios
de tecnología constructiva IMS del estudiante Eduardo Vega, donde se realiza un
chequeo casuístico de los muros estructurales a esfuerzos de flexo-compresión y
cortante, se demuestra analíticamente el fallo de 4 tímpanos “tipo doble” de 18
existentes (22.2%) y en los de “tipo cruz” se produce el fallo debido a los mismos
esfuerzos en 3 elementos de 54 calculados (5.5%) (Vega, 2010). Los anteriores
resultados fueron producto también de la aplicación de las regulaciones del código
cubano vigente (1999) para construcciones sismorresistentes.
Los estudios de vulnerabilidad referidos se realizaron en variantes de edificios IMS
de 18 plantas rectangulares y tipo H, además de 1 edificio de 12 niveles, por lo
que no se posee información de si este tipo de fallo se produce también en otras
variantes de esta tipología, tales como los de 5 y 8 pisos; pues no solo la altura
constituye un elemento importante, sino también la disposición de paneles
tímpanos en los edificios. Así lo puntualiza el ingeniero Dimitrijević en un artículo
sobre el sistema IMS:
(...) se llega enseguida al reconocimiento de la importancia de las paredes
de rigidez con vistas a la seguridad de la obra completa. Este tipo de
elemento debe ser construido con una tendencia particular. Su posición en el
edificio debe ser cuidadosamente seleccionada para que satisfaga todas las
condiciones indispensables de la simetría, mientras tanto hay que tener en
cuenta que las paredes de rigidez de la periferia son más eficaces que las
internas. El cálculo acostumbrado no indica estos hechos (1980a).
En varios documentos publicados como parte del entrenamiento recibido por
técnicos cubanos para el cálculo e implantación del sistema IMS en Cuba en los
primeros años de la década del 80, se recomienda la utilización de métodos
estáticos y dinámicos para la evaluación de las fuerzas horizontales debidas al
sismo, así como someros comentarios acerca de las incursiones de los materiales
en el rango postelástico. El propio especialista Dimitrijević precisa:
Una de las medidas importantes para los proyectos en zonas de fuertes
efectos sísmicos es la selección de construcciones que permitan secciones y
zonas en las cuales en el comportamiento no lineal de la construcción se
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creen articulaciones plásticas y se llegue a la disipación de la energía. De
esta forma aumenta la ductilidad del edificio. Estas articulaciones no deben
aparecer en lugares de unión de elementos, zonas de anclajes y en los
apoyos (1980b).
Independientemente de estas recomendaciones, no se presentan en dichos
documentos los resultados de los análisis o pruebas en este sentido, a pesar de
haberse realizado ensayos a nivel de laboratorio (Dimitrijević, 1980b) Es decir,
constituye una incógnita si en realidad el mecanismo de formación de
articulaciones plásticas obedece a las recomendaciones realizadas, si los
elementos estructurales llegan a incursionar en el rango inelástico y las posibles
reservas de ductilidad con que cuentan estos sistemas prefabricados.
Las anteriores consideraciones han constituido tema de debates y preocupaciones
para los ingenieros civiles cubanos, pues a pesar de los criterios (positivos) de los
creadores del sistema, de los ensayos realizados, de las observaciones de los
efectos producidos por terremotos ocurridos en Europa (Banja Luka, Serbia, 1969)
sobre estas estructuras, la importación de un sistema constructivo concebido en
otras regiones geográficas de acuerdo con códigos locales (por muy similar que
puedan parecer a las nuestros) trae consigo análisis de otra índole, si se tienen en
cuenta, además, las condiciones de fabricación de nuestro país, la calidad de los
materiales, las exigencias en el proceso constructivo-ejecutivo, el desarrollo
tecnológico, las características propias de las zonas sismogeneradoras, la
actualización en las disposiciones, regulaciones y detallados de refuerzo más
estrictos para zonas de peligro sísmico.
DISCUSIÓN
Con lo anteriormente señalado, se pone en evidencia la necesidad de realizar
análisis más rigurosos del sistema IMS, si se toma en consideración también la
posibilidad de usar modernos y potentes programas de computación, los cuales
brindan una gama de resultados con un buen nivel de profundidad. Estos análisis
esclarecerían las múltiples incertidumbres existentes en cuanto al desempeño
estructural de estos edificios.
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Paralelamente, varios investigadores y profesionales han comenzado a hablar del
concepto de diseño basado en el desempeño sísmico de las estructuras, como
una manera más racional de plantear el problema del diseño sismorresistente. Tal
y como se define en la nueva propuesta de norma cubana:
El primer paso en la ingeniería basada en el desempeño es la selección de
los objetivos del desempeño sísmico para el diseño. Estos corresponden a
expresiones de acoplamiento entre los niveles de desempeño deseados para
una estructura y el nivel de movimiento sísmico esperado. Para seleccionar
estos objetivos, es necesario tener en cuenta factores tales como: la
ocupación, la importancia de las funciones que ocurren dentro de la
estructura, consideraciones económicas, incluyendo el costo de reparación y
el costo de la interrupción de las actividades que se realizan en su interior, y
consideraciones de la importancia de la estructura, como por ejemplo una
fuente de patrimonio histórico y cultural (NC-46: 2012).
En cuanto a los métodos de análisis que se deben emplear para el logro de
resultados precisos y confiables, se pueden citar el estático no lineal o método del
empujón (pushover), como también se conoce, descrito en ATC-40 y otros
documentos. Este método, a pesar de algunas limitaciones desde el punto de vista
metodológico y del alcance y exactitud de sus resultados, ha tenido una mayor
aceptación, si se compara con el método dinámico no lineal de tipo cronológico
(análisis tiempo historia), que permite conocer la variación de cualquier respuesta
de la edificación (desplazamientos de piso, derivas, fuerza cortante, entre otros)
en el tiempo.
La dificultad de aplicación de este último método estriba en su complejidad, por la
rigurosa base física que posee (Mora, Villalba y Maldonado, 2006), además de
otros aspectos relacionados con la evaluación de las estructuras a partir de
registros de acelerogramas de sismos reales, ya que Cuba no se posee una base
de datos digitalizada de eventos importantes registrados con equipos especiales
(sismógrafos).
Esta situación hace que en muchas ocasiones haya que recurrir a la generación
de sismos sintéticos (artificiales), tal como lo señala el profesor Dr. Eduardo
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Álvarez y otros autores en el artículo Acelerogramas sintéticos para la evaluación
de la seguridad sísmica de edificios, en el cual refieren:
(…) la caracterización completa de la acción sísmica que actúa en la base de
la estructura, que determina los espectros de diseño que aparecen en las
normas sísmicas, puede solo alcanzarse si se conocen con exactitud datos
de la tectónica de la zona. Lo anterior significa tener caracterizada cada una
de las zonas sismogeneradoras de la región. Además se necesitan de datos
históricos macro-sísmicos suficientes que nos permitan evaluar los daños
que producirían los sismos en el lugar de ubicación de la obra. De particular
importancia resulta disponer de registros sísmicos suficientes de la zona, es
decir, una base de datos sismológica confiable, así como también conocer el
medio donde se propagan las ondas sísmicas antes de llegar a la base de la
estructura (perfil ingeniero–geológico de la región) (Álvarez, Ruiz y Calderín).
Esta dificultad ha favorecido que se usen métodos menos complicados, como se
ha señalado, aunque menos precisos y fiables, con lo cual se ha relegado la
aplicación de los análisis dinámicos no lineales solo para fines investigativos.
Lo anterior, aparejado al mal desempeño estructural observado en edificaciones
de otros países ante eventos sísmicos fuertes, ha motivado la formulación de
enfoques integrales de diseño sísmico, tal como el mencionado diseño por
desempeño, que enfatizan la necesidad de un control explícito de la respuesta
dinámica de la estructura (Sánchez y Terán, 2008).
En la forma de diseño tradicional (implícitas en las normas de cálculo estructural
para zonas sísmicas) se garantiza que el edificio no va a colapsar ante un sismo
mayor y se entiende que ante sismos menores la estructura va a responder en el
rango elástico o con ligero daño ante sismos moderados. Todos los controles que
se realizan en el diseño están orientados exclusivamente al sismo mayor. Pero es
importante cuantificar el desempeño que va a tener la edificación ante los sismos
menores y moderados para saber si no se van a producir graves pérdidas de
capital e interrupción del servicio (Flores, R. 2002).
En este sentido, resulta muy conveniente enfocar el análisis de las nuevas (o
verificar las ya realizadas) construcciones en Cuba, ya sean IMS o no, desde esta
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“nueva” filosofía de diseño, por las ventajas que trae aparejada, no ya desde el
punto de vista de resistencia solamente, tal como se ha señalado, sino en
términos hasta ahora no considerados de los diseños a nivel de proyecto
estructural.
Es preciso puntualizar que el diseño basado en el desempeño nunca se ha
aplicado a esta tipología constructiva en Cuba (solo a nivel académico), mucho
menos a edificios IMS enclavados en la zona suroriental –zonas sísmicas-, por lo
que su aplicación y resultados obtenidos derivarían consecuentemente en el
conocimiento de aspectos muy importantes en cuanto al desempeño estructural de
estos edificios, expresados en términos de mecanismo de fallo, mecanismo de
formación de articulaciones plásticas, cantidad de daño sufrido por estas
edificaciones afectadas por movimientos telúricos, las reservas de ductilidad con
que cuenta el sistema y sus elementos estructurales, de forma independiente, si
se cumple con los objetivos seleccionados de desempeño sísmico en
correspondencia con los niveles de desempeño deseados para una estructura y el
nivel de movimiento sísmico esperado, así como la respuesta inelástica en el
tiempo para cada modelo sometido a cada una de las historias de aceleraciones.
Se verificaría, por otra parte, el comportamiento de los desplazamientos laterales
en el tope de los edificios, las derivas de piso, enfocadas desde la perspectiva de
análisis inelásticos, atendiendo a las prescripciones de la nueva norma cubana
para construcciones sismorresistentes (NC 46:2012). Estos resultados contribuirán
a una probable redefinición de las cuantías de refuerzos, calidad de los materiales,
disposición del armado, con la consecuente optimización del sistema en términos
estructurales, económicos e incluso hasta el nivel de satisfacción de sus
ocupantes; lo cual repercutirá de manera directa en una reducción de los daños
que potencialmente ocasionarían eventos sísmicos relevantes, ya que estos
provocan gran número de víctimas, pérdidas materiales, así como el elevado
grado de impacto ambiental en un entorno vulnerable.
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CONCLUSIONES
Tomando como criterio de partida lo analizado hasta aquí, se pueden destacar
algunas consideraciones acerca de la posibilidad de aplicar el diseño por
desempeño al sistema prefabricado IMS, las cuales se resumen como sigue:
El método de diseño sísmico basado en el desempeño posibilita realizar análisis
dinámicos no lineales, en comparación con los métodos tradicionales, que
consideran cargas estáticas equivalentes; lo cual no permite que se obtenga una
respuesta real de la estructura, al incursionar la misma en el rango inelástico. Lo
anterior es perfectamente aplicable al sistema IMS.
El método es aplicable a edificios construidos o por construir.
El diseño basado en el desempeño está concebido en los diferentes programas de
computación de uso común para el cálculo estructural.
Con la aplicación del diseño por desempeño, además de los consecuentes análisis
no lineales tiempo historia, se pueden obtener las demandas de capacidad,
mecanismos de fallo y de formación de articulaciones plásticas y las reservas de
ductilidad con que cuenta la estructura; lo cual no se conoce para edificios de esta
tipología constructiva enclavados en zonas de alto riesgo sísmico.
Permite el control del índice de daño, derivas, distorsiones de piso, en función de
los parámetros establecidos en las normas y no aplicados hasta ahora a estas
edificaciones.
Para la aplicación del método no es necesario invertir recursos extras en
investigaciones adicionales, tales como ensayos destructivos o no, pues es un
método estrictamente de gabinete.
El método basado en el desempeño se implementó recientemente en la normativa
cubana de construcciones sismorresistentes, por lo que queda oficialmente
establecido su uso para empresas de proyectos a nivel nacional, lo cual
demuestra la actualidad y vigencia que el mismo posee.
Por todo lo anterior, se puede afirmar que el método es perfectamente factible de
aplicar, no solo al sistema IMS, sino a cualquier otro; pues la filosofía de diseño
por desempeño constituye dentro del contexto del cálculo estructural la alternativa
más viable para el planteamiento de metodologías de análisis sísmico que den
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lugar a estructuras que satisfagan las cada vez más complejas necesidades de las
sociedades modernas. De este modo se establecería como un procedimiento para
obtener construcciones con un comportamiento sísmico más predecible y
cuantificable, de forma que se pueda evaluar y controlar el riesgo sísmico con un
predeterminado nivel de aceptabilidad y con un mínimo del costo total.
Los avances logrados hasta el momento han permitido plantear requerimientos de
diseño sísmico basados en esta filosofía y sugieren que la siguiente generación de
códigos internacionales estarán basados en ella, ya en el caso de Cuba se ha
dado ese importante paso de avance.
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