PRINCIPALES LÍNEAS DE

INVESTIGACIÓN PARA TESIS

EN INGENIERÍA

SISMO-RESISTENTE DR. GENNER VILLARREAL CASTRO

PROFESOR VISITANTE USFX – Bolivia

PROFESOR VISITANTE ULEAM – Ecuador

PROFESOR EXTRAORDINARIO UPAO, UPN

PROFESOR PRINCIPAL UPC, USMP

PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008

ESQUEMA DE INVESTIGACION EN INGENIERIA ESTRUCTURAL

ESTADO DEL ARTE

METODOLOGÍA, MODELO O

FÓRMULAS DE CÁLCULO

OBJETO DE INVESTIGACION

CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE

INVESTIGACIÓN

VULNERABILIDAD

ESTRUCTURAL EN

EDIFICACIONES

COLAPSO DEL PARQUE DE AGUA DE MOSCU

La cubierta del parque de agua, tenía una configuración estructural

con cobertura tipo Gauss positiva en la parte superior y Gauss

negativa en la parte inferior, siendo muy complicada su

modelación estructural.

Para la modelación se utilizaron los programas ANSYS, LIRA,

STADIO y SCAD, realizando los siguientes tipos de análisis:

Estático, incorporando al suelo de fundación, de acuerdo a los

ensayos in-situ de mecánica de suelos y estudios topográficos.

Dinámico, para determinar las formas de vibración libre y la

influencia del viento, sismo y cargas hidrodinámicas sobre la

estructura.

Para que el cálculo sea más real, se incorporó la no-linealidad

física (curva esfuerzo-deformación de los materiales, después de

la extracción de los núcleos y contrastación con la degradación

durante el tiempo) y geométrica (curva desplazamiento-

deformación).

Especial cuidado se tuvo en las uniones de los elementos, ya que

podría ser una de las causas del desastre, modelando dichos

extremos por elementos sólidos y teniendo en cuenta la variación

de temperatura, concentración de esfuerzos, uniones soldadas en

algunos puntos y propiedades de los materiales, por ser estructura

mixta de concreto y acero.

MODELACION CON EL PROGRAMA ANSYS

De los resultados obtenidos, se puede indicar que prácticamente

fueron iguales en los 4 programas y comparando el modelo

matemático con la calibración in-situ, podemos indicar que por el

programa ANSYS se obtuvo 125mm como deflexión en la cubierta

y por la medición natural 134mm, otorgando una confiabilidad en

el resto de resultados obtenidos.

DEFLEXION DESPUES DE 40 DIAS DEL

DESASTRE

En relación a las formas de vibración libre, podemos indicar que la

primera forma fue de desplazamiento lateral de la cubierta, en la

segunda y tercera forma rotacional alrededor de su eje vertical y a

partir de la cuarta forma empieza a deformarse en la dirección

vertical, lo cual concuerda con el trabajo de tal tipo de cubiertas.

La no-linealidad física permite trabajar con la degradación de los

materiales, coincidiendo con los resultados experimentales de

laboratorio después de 40 y 50 días del colapso.

ESFUERZOS

DESPUES DE 40

DIAS DEL DESASTRE

Se tuvo especial cuidado en la interacción suelo-estructura,

debido a los desniveles arquitectónicos y relieve del terreno,

utilizando el modelo elasto-plástico de Draker – Prager e

incorporando el módulo de Young, coeficiente de Poisson, ángulo

de fricción interna y cohesión.

MODELO ESPACIAL DE ELEMENTOS FINITOS PARA

EL SISTEMA DE INTERACCION - ESTRUCTURA

Mediante el modelo de interacción suelo-estructura se pudo

comprobar el asentamiento tolerable (después de haberlo

edificado), concordando con las mediciones topográficas indicadas

en el expediente que indicaba 20mm una vez construida y llenadas

las piscinas.

Finalmente, se procedió al análisis de las columnas, sus uniones,

demostrándose por medio del programa ANSYS, que existieron

problemas constructivos en el nudo superior de una de las

columnas en su conexión, originando deformaciones plásticas por

el orden de 19,8% y la pérdida de estabilidad de dicho elemento

estructural, lo que ocasionó fisuras subradiales en la cubierta,

producto de grandes desplazamientos y relajación del concreto.

Las tres comisiones coincidimos con los mismos resultados y

como conclusión final, se recomendó el uso responsable de

programas informáticos en la evaluación de estructuras y la

contrastación de resultados con los experimentales in-situ.

AMORTIGUAMIENTO

ESTRUCTURAL DEL

2% PARA EL

CONCRETO

AMORTIGUAMIENTO EN LAS ESTRUCTURAS

Es la capacidad de una estructura para frenar con sus fuerzas de fricción la energía transmitida por una acción externa.

TIPOS DE AMORTIGUAMIENTO

El amortiguamiento de Coulomb, corresponde a un amortiguamiento de fricción, con dirección del desplazamiento y de signo opuesto al de la velocidad.

El amortiguamiento viscoso, los dispositivos amortiguadores clásicos proporcionan, por medio de un fluido viscoso que circula a través de orificios estrechos, fuerzas resistentes proporcionales a la velocidad del movimiento y de signo opuesto.

El amortiguamiento estructural o histerético se presenta como una respuesta del comportamiento de los materiales constitutivos de la estructura, debido a una correcta configuración de sus secciones transversales (dimensiones, cuantía de acero, resistencia, etc.)

Amortiguamiento en Normas Internacionales

PROCESAMIENTO DE REGISTROS CON EL PROGRAMA SEISMO SIGNAL

OBTENCION DE LA CURVA C VS AMORTIGUAMIENTO

OBTENCION DE LAS CURVAS DE ACELERACION VS PERIODO DEL MODELO

AMORTIGUAMIENTO DEL 5%

AMORTIGUAMIENTO DEL 2%

MODELACION ESTRUCTURAL

DISTORSIÓN 5%

DISTORSION 2%

INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

www.tc207ssi.org

www.georec.spb.ru

NORMAS INTERNACIONALES

NORMA PERUANA E030-2003

N Modelo

dinámico

Período de vibración por la forma (s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Común 0,787 0,747 0,569 0,255 0,237 0,183 0,149 0,131 0,107 0,103 0,087 0,085

2 Barkan 0,843 0,819 0,618 0,266 0,253 0,193 0,152 0,136 0,108 0,107 0,087 0,087

3 Ilichev 1,024 1,008 0,735 0,292 0,284 0,210 0,156 0,142 0,111 0,109 0,089 0,088

4 Sargsian 1,023 1,006 0,742 0,291 0,284 0,211 0,156 0,143 0,111 0,109 0,089 0,088

5 Norma Rusa 0,872 0,852 0,640 0,271 0,260 0,198 0,153 0,138 0,109 0,108 0,088 0,087

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Formas de vibración

Pe

río

do

s d

e v

ibra

ció

n (

s)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 45 90

Angulo de inclinación del sismo

De

sp

laza

mie

nto

en

el

eje

OY

(m

m)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS (50 PISO)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 45 90

Angulo de inclinación del sismo

Mo

me

nto

fle

cto

r (T

.m)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

Elección de Co más adecuado

Elección de espesor de platea

17500

14000

10500

7000

3500

-1000

11249 21926 32603 43281 53958Misses

EDIFICACION SIN INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

Misses410343294324862167618670

-1000

3500

7000

10500

14000

17500

EDIFICACION POR EL MODELO D.D. BARKAN – O.A. SAVINOV

DISTRIBUCION DE ENERGIA EN EL EDIFICIO

EFECTO DE DISIPACION DE ENERGIA

Ymáx

(%)

Nmáx

(%)

Vmáx

(%)

Mmáx

(%)

↓2,8 ↓3,6 ↓3,2 ↓1,0

ALABEO EN LA LOSA DEL 16-vo PISO

17 221

102 306

X

Y

DESPLAZAMIENTOS VERTICALES DE LA LOSA DEL 16vo PISO (mm)

Nudo Formas de vibración

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

102 -1,22 12,01 11,00 -1,67 -0,37 41,66 -10,82 -0,54 29,01 -0,11

306 -0,95 -12,04 -11,22 0,36 -4,34 -41,49 10,73 1,63 -29,02 0,14

17 1,21 9,43 -16,39 1,73 0,84 3,83 48,64 1,23 19,41 -0,69

221 0,96 -9,41 16,61 -0,30 3,14 -4,00 -48,55 -2,32 -19,39 0,94

Modelo de edificio regular – Interacción suelo-estructura

Modelo de edificio irregular – Interacción suelo-estructura

CONTRASTACIÓN DE LA HIPÓTESIS

Si los resultados de las fuerzas internas o esfuerzos en los

elementos estructurales obtenidos con la interacción suelo-

estructura son menores a los obtenidos con el modelo empotrado

en la base, entonces la hipótesis será verdadera; de lo contrario,

la hipótesis será falsa.

PRUEBA CHI-CUADRADO (X2)

Es el nombre de una prueba de hipótesis que determina si dos

variables están relacionadas o no, también es conocida como

prueba de independencia, para ello se tiene que realizar los

siguientes pasos:

1º. Realizar una conjetura.

2º. Plantear la hipótesis nula H0 en la que se asegura que las dos variables planteadas son independientes una de la otra, y plantear la hipótesis alternativa H1 en la que se asegura que las dos variables planteadas si son dependientes.

3º. Calcular el valor de X2.

Donde: O son las frecuencias observadas y E son las frecuencias esperadas.

Para poder aplicar la prueba chi-cuadrada el tamaño de la muestra debe ser mayor a 30 (n˃30).

4º. Determinar el grado de libertad v = (Nº filas - 1) * (Nº columnas - 1).

5º. Obtener el valor crítico para el grado de libertad y un nivel de significancia del 0.05 que indica que hay una probabilidad del 0.95 que la hipótesis nula sea verdadero, este valor se obtiene directamente de las tablas de chi-cuadrado.

6º. Realizar una comparación entre el chi-cuadrado calculado y el valor crítico de las tablas.

7º. Interpretar la comparación.

3º. Para calcular el valor del chi-cuadrado tenemos que tabular y

agrupar los datos correctamente:

Con las Tablas 96, 97 y 98 se obtuvo la Tabla 99, que es un coteo

y agrupación de los datos y representa la frecuencia observada.

4º. El grado de libertad v = (2-1)(4-1) = 3

5º. El valor critico para un nivel de significancia de 0.05 con una

probabilidad de 0.95 y 3 grados de libertad es: 7.8147.

6º. Como el valor de X2 calculado (12.0000) es mayor al valor

crítico (7.8147) se debe rechazar la hipótesis nula H0 ó hipótesis

de independencia.

7º. Consecuentemente se acepta la hipótesis alternativa H1 : La

rigidez del suelo de fundación si influye en la reducción de las

fuerzas internas o esfuerzos en los elementos estructurales de las

edificaciones.

Por lo tanto queda demostrado la valides de la hipótesis de la

tesis para el elemento estructural 13.

SISMO DE BAM – IRAN 2003

Deformaciones plásticas en la base del edifico del reactor nuclear

Espectros de Fourier para el sismo de Bam – Irán, 2003

DISIPADORES DE

ENERGÍA

SISTEMAS CON DISIPADORES DE ENERGÍA

Disipadores de energía

Dependientes del

desplazamiento

Dependientes de

la velocidad

Dependientes del

desplazamiento y la velocidad

Viscosos Histeréticos

Fluido viscosos Fricción Plastificación

Viscoelásticos

Sólido Viscoelástico Fluido Viscoelástico

Flexión

Corte

Torsión

Extrusión

Fuente : Norma ASCE 7-10 / Cap.18 Disipador metálico ADAS

TAYLOR Y EL FUNCIONAMIENTO DE LOS DISIPADORES

Pistón Cilindro Fluido de Silicona

compresible

Cabeza del pistón

(con orificios)

Cámara 2 Cámara 3

Cámara 1

Cámara de estancamiento Fluido compresible

Entrada principal

Entrada Secundaria

Corte de un disipador viscoso

Detalle de la cabeza del pistón

Funcionamiento de los

disipadores viscosos

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60 70

Tiempo (s)

Ace

lera

ción (

cm/s

2)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 0.5 1 1.5 2

Periodo (s)

Pse

ud

o a

cele

raci

on

esp

ectr

al (

cm/s

2)

Factor de reducción de respuesta (B)

MODELAMIENTO DE LOS DISIPADORES

Rigidez del brazo metálico(K)

Coeficiente de amortiguamiento(C)

E: Coeficiente de Elasticidad del Acero.

A: Área de la sección del brazo metálico.

L: Longitud del brazo metálico.

Se calcula en base a un amortiguamiento objetivo

Su valor se fija usualmente en 0.4 a 0.6 para edificaciones

SAP 2000 / ETABS Modeling

CALCULO DEL COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO C

Ecuaciones del Fema 273 y 274

Seismic Design of Structures with

Viscous Dampers

Nº Coeficiente de

amortiguamiento

(T.s/m)

Exponente de

amortiguamiento

Rigidez

(T/m)

Fluencia

(T)

Radio de

rigidez

post-

fluencia

Exponente

de fluencia

VD 10,85 0,5 54,25 - - -

VE 177,65 1,0 882,43 - - -

FD - - 25007,5 2,9 0,000 0,5

YD - - 2500 3,25 0,025 2,0

ESCALAMIENTO DE ACELEROGRAMAS AL ESPECTRO DE DISEÑO

Tiempo (s) Vs Aceleración (cm/seg2)

Periodo (s) Vs Aceleración (cm/seg2)

Sismomatch versión 2.1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Formas de vibración

Per

íodos

de

vib

raci

ón.

(s)

Sin DisipadoresDisipadores ViscososDisipadores ViscoelásticosDisipadores FricciónDisipadores Fluencia

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Desplazamientos (cm)

Pis

os

VD SD VE FD YD

0

1

2

3

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

Distorsiones (cm/cm)

Pis

os

VD SD VE FD YD

14

17

20

23

26

SD VD VE FD YD

Modelos Dinámicos

Fuer

za c

ort

ante

(T)

32

36

40

44

48

SD VD VE FD YD

Modelos Dinámicos

Mom

ento

fle

ctor

(T.m

)

Edificio sin disipadores

Edificio con disipador

viscoelástico

VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO HISTERÉTICO

El comportamiento

histerético del disipador D6

no se ajusta al esperado .

Verificación de derivas

Se puede ver un ligero incremento

en los desplazamientos de cada

nivel, así mismo la deriva máxima

de entrepiso se incrementó 0.07‰,

lo cual demuestra que efectivamente

solo se requería de una arreglo

diagonal en el primer nivel en lugar

de un arreglo en doble diagonal.

Máximo Stroke

El máximo stroke es el desplazamiento máximo que obtenemos en los dispositivos,

este dato es empleado para el diseño de la cámara de acumulación.

Este valor se puede obtener evaluando las curvas hiteréticas de cada disipador, en

este caso, el máximo stroke se encuentra en el dispositivo 4 (ver figura180)

Por lo general el fabricante maneja un factor de seguridad estableciendo

usualmente el stroke en 5cm

DETALLE UNION TUBO DIAGONAL CON DISIPADOR

DETALLE TUBO DIAGONAL CON VIGA Y DISIPADOR CON VIGA

-Carga Sísmica (Ex)

Se creó un Espectro de Diseño siguiendo el NEC-11.

Las características del Espectro son:

LOCALIZACIÓN

Ciudad: Guayaquil

Región: Costa (sin

Esmeraldas)

Zona: 5

z = 0.40 g

η = 1.80

SUELO Y FACTORES DE SITIO

Tipo de suelo: E

r = 1.50

Fa = 1.15

Fd = 1.60

Fs = 1.90

PARÁMETROS DE DISEÑO

I = 1.00

R = 3.00

φP = 1.00

φE = 1.00

PERIODO CORTO Y PERIODO CRÍTICO

T0 = 0.26 seg

Tc = 1.45 seg

DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA

REDISEÑO CON DVE

ENERGÍA (Ton - m)

Entrada Cinética Potencial Amortig.

Modal DVE

GYE 93 - CENTENARIO

38.06 11.76 5.61 20.58 17.32

% E. Entrada 100% 31% 15% 54% 46%

ENERGÍA

Amortiguamiento Modal

DVE

PÓRTICO SIN DVE 91% -

PÓRTICO CON DVE 48% 51%

REDISEÑO CON DVE 54% 46%

SIN DVE CON DVE REDISEÑO CON

DVE

ANÁLISIS SÍSMICO NO LINEAL TIEMPO-HISTORIA

AISLADORES

SÍSMICOS EN LA

BASE

ENSAYO EXPERIMENTAL

MODELO EN EL MEF

¡MUCHAS GRACIAS!

genner_vc@hotmail.com

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www.youtube.com/user/gennervc/feed

“NUNCA PIERDAN EL HORIZONTE DE UNA VIDA

LLENA DE EXITOS, EL SOÑAR ES PARTE DE

NUESTRAS VIDAS Y EL LOGRARLO ES

ALCANZAR UNA META, PORQUE METAS

ALCANZADAS SON MUCHAS Y EL CRECIMIENTO

DEBE SER ESCALONADO. LA HUMILDAD Y

SACRIFICIO ES PARTE DE NUESTRAS VIDAS Y

FORMA DE SER, EL COMPARTIR ES COMO SER

HUMANO DIGNO Y SIN EGOISMOS. SI HACEN

TODO ELLO, DIOS LOS BENDECIRÁ Y SU

FELICIDAD SERÁ COMPLETA”