interaccion sismica suelo - pilotes

INTERACCION SISMICA SUELO-PILOTE-

SUPERESTRUCTURA EN EDIFICIOS ALTOS

DR. GENNER VILLARREAL CASTROPROFESOR PRINCIPAL UPC, USMP y UPAOPREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008

USO DE LA CIMENTACION CON PILOTES

• En Kobe, los daños en las cimentaciones superficiales fueron 1,5 veces mayor que en cimentaciones con pilotes

• Sobretodo se usa para edificios altos

• Se usa cuando los suelos son desfavorables

• El grupo de pilotes permite la disminución de la deformación de la edificación en 3 a más veces, comparándolo con la cimentación superficial

1) NORMA RUSA SNIP 2.02.05-87

MODELOS DINAMICOS

MASAS EN EL CENTROIDE DEL CABEZAL

N

i

N

ioipizrredz mmmm

1 1,,

*,

N

ii

N

ipixrredx mmmm

10,

1,

*,

N

irihi

N

iihpizrred mhrmrm

1

22

2,0,

1

2,,

*,,

N

iivi

N

iivpixrred rmrm

1

2,0,

1

2,,

*,,

COEFICIENTES DE RIGIDEZ

p

INEK b

redx

_3

,

pb

redz

redzredz

ANE

lK

KK

0*,

*,

,

1

N

iih

redzred r

N

KK

1

2,

,,

N

iiv

redxred r

N

KK

1

2,

,,

AMORTIGUACION RELATIVA

zx 6,0

z 5,0

z 3,0

2) MODELO DE ILICHEV – MONGOLOV – SHAEVICH


41

21

23

2

2

nCyC

CnnCK

n

ii

x

2

23

41

21 C

CnnCyCK

n

ii

1nCK z

CALCULO DE EDIFICIO DE 16 PISOS, CONSIDERANDO LA INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

8000 8000

A B C

6000

6000

6000

6000

6000

1

2

3

4

5

6

DIAFRAGMA D1

DIAFRAGMA D2

DIAFRAGMA D1

1 1

500

500

250

32000

2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

400

400

18000

Z

Y

X

o

V

V (t) - ACCION SISMICA

CENTRO DE RIGIDEZ DEL CABEZAL

705-720

689-704

673-688

657-672

641-656

305-320289-304

225-240

241-256

257-272

273-288177-192

209-224

193-20897-112

81-96

65-80

49-64

33-48

17-32

1-16

113-128

161-176

145-160

129-144

449-464 465-480

417-432 433-448

385-400 401-416

353-368 369-384

321-336 337-352

481-496 561-576

497-512 577-592

513-528 721-736

529-544 609-624

545-560 625-640

X

Y c.m. * (P1-P16)

753-768

737-752

8000 8000

500250125500 3

2

DIAFRAGMA D1

5001000

2502

3

1000

500

1000

250250 3

2

DIAFRAGMA D2

6000500

500 125 3

2

2

3

Brazos rígidos (END OFFSET)

Diaphragm constraint

Masas traslacionales y rotacionales


Modelo dinámico Kx

(T/m)Ky

(T/m)Kz

(T/m)Kφx

(T.m)Kφy

(T.m)Kψz

(T.m)

Norma Rusa 1113617 1113617 8570395 728483575 228543867 124353898

Ilichev 172083 171577 3456000 297033316 95433316 -

Edificio sin interacción suelo-estructura

Edificio con interacción suelo-estructura

N Modelo dinámicoPeríodo de vibración por la forma (s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Común 1,791 0,753 0,485 0,471 0,216 0,163 0,131 0,106 0,092 0,074

2 Ilichev 1,866 1,081 0,561 0,506 0,321 0,283 0,193 0,166 0,143 0,126

3 Norma Rusa 1,824 0,937 0,574 0,476 0,221 0,198 0,172 0,136 0,103 0,102

N Modelo dinámicoFrecuencia angular por la forma (rad/s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Común 3,51 8,35 12,96 13,33 29,06 38,67 47,93 59,22 68,07 84,45

2 Ilichev 3,37 5,81 11,21 12,42 19,58 22,19 32,56 37,94 43,94 49,87

3 Norma Rusa 3,45 6,71 10,95 13,21 28,46 31,72 36,64 46,17 60,82 61,36

RESULTADOS DE LA INVESTIGACION NUMERICA

NORMA PERUANA E030-2003 (α=00)

N Modelo dinámico

Desplazamiento máximo (mm)

DIAFRAGMA

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 0,13 77,56 170,04 343,31 3110,01 0,12

2 Ilichev 0,19 83,05 177,25 393,73 3299,68 0,14

3 Norma Rusa 0,18 79,36 174,66 358,55 3178,37 0,13

N Modelo dinámico

COLUMNA

Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(т.м)Mt,máx

(т.м)

1 Común 378,07 4,04 7,22 0,01

2 Ilichev 390,94 4,34 7,77 0,01

3 Norma Rusa 380,88 4,06 7,25 0,01


N Modelo dinámico


DIAFRAGMA

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 23,70 54,91 126,01 301,14 7370,92 0,56

2 Ilichev 35,72 58,83 120,55 254,28 5288,51 0,40

3 Norma Rusa 29,88 56,22 123,74 273,98 5748,65 0,53

N Modelo dinámico

COLUMNA

Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(т.м)Mt,máx

(т.м)

1 Común 274,86 3,05 5,44 0,06

2 Ilichev 257,04 2,88 5,13 0,04

3 Norma Rusa 269,92 2,97 5,30 0,06


N Modelo dinámico


DIAFRAGMA

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 33,60 0,11 0,84 426,46 10443,55 0,76

2 Ilichev 50,62 0,21 0,78 359,46 7484,36 0,53

3 Norma Rusa 42,34 0,20 0,79 388,78 8141,42 0,74

N Modelo dinámico

COLUMNA

Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(т.м)Mt,máx

(т.м)

1 Común 306,84 2,91 5,14 0,08

2 Ilichev 272,74 2,44 4,31 0,06

3 Norma Rusa 296,23 2,62 4,63 0,08

ACELEROGRAMA DE CHIMBOTE (31.05.1970)

ACELEROGRAMA DE CHIMBOTE (31.05.1970)

N Modelo dinámico


DIAFRAGMA

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 0,06 17,47 40,81 183,50 1298,00 0,05

2 Ilichev 0,06 19,82 46,60 214,80 1439,00 0,06

3 Norma Rusa(sin disipación)

0,06 18,47 41,78 199,30 1334,00 0,06

4 Norma Rusa(con disipación)

0,06 18,16 41,12 192,90 1321,00 0,06

N Modelo dinámicoCOLUMNA

Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 114,20 1,58 2,69 0,005

2 Ilichev 125,90 1,94 3,30 0,006


118,60 1,70 2,91 0,006


117,70 1,66 2,83 0,006

ACELEROGRAMA DE LIMA (03.10.1974)

ACELEROGRAMA DE LIMA (03.10.1974)

N Modelo dinámico


DIAFRAGMA

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 0,20 70,45 150,90 534,00 3638,00 0,15

2 Ilichev 0,22 80,50 171,20 591,60 4056,00 0,18


0,22 75,22 166,30 551,20 3719,00 0,18


0,22 73,09 161,20 547,30 3690,00 0,18

N Modelo dinámicoCOLUMNA

Nmáx

(T)Vmáx

(T)Mmáx

(T.m)Mt,máx

(T.m)

1 Común 345,20 5,50 9,38 0,015

2 Ilichev 446,10 6,52 10,52 0,018


392,00 6,07 10,35 0,018


377,90 6,03 10,28 0,018

PRIMER PERIODO DE VIBRACION ( 4,1% ILICHEV)

CONCLUSIONES

0

0.5

1

1.5

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Formas de vibración

Pe

río

do

s d

e

vib

rac

ión

(s

)

Común Ilichev Norma Rusa

FRECUENCIA DEL PRIMER PERIODO DE VIBRACION ( ↓ 4,1% ILICHEV)

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Formas de vibración

Fre

cu

en

cia

(ra

d/s

)


NORMA PERUANA E030-2003

α Хmáx

(%)Ymáx

(%)Nmáx

(%)Vmáx

(%)Mmáx

(%)Mt,máx

(%)

00 ↑46,2 ↑7,1 ↑3,4 ↑14,7 ↑6,1 ↑16,7

450 ↑50,7 ↑7,1 ↓6,5 ↓15,6 ↓28,3 ↓28,6

900 ↑50,7 ↑90,9 ↓11,1 ↓15,7 ↓28,3 ↓30,3

CALCULO POR ACELEROGRAMAS

α Хmáx

(%)Ymáx

(%)Nmáx

(%)Vmáx

(%)Mmáx

(%)Mt,máx

(%)

00 ↑10,0 ↑14,3 ↑29,2 ↑17,1 ↑11,5 ↑20,0

DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS EN EL 16-vo PISO EN EL EJE OX (NORMA PERUANA E030-2003)

0

10

20

30

40

50

60

0 45 90

Angulo de inclinación del sismo

De

sp

laza

mie

nto

en

el e

je

OX

(m

m)


DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS EN EL 16-vo PISO EN EL EJE OY (NORMA PERUANA E030-2003)

0

20

40

60

80

100

0 45 90


Des

pla

zam

ien

to e

n e

l ej

e O

Y (

mm

)


DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS EN EL 16-vo PISO EN EL EJE OY

0

20

40

60

80

100


Modelo dinámico

De

sp

laza

mie

nto

po

r e

l e

je O

Y (

mm

)

Norma Peruana E030-2003

Acelerograma de Chimbote

Acelerograma de Lima

FUERZA AXIAL MAXIMA (NORMA PERUANA E030-2003)

050

100150200250300350400450

0 45 90


Fu

erz

a a

xia

l (T

)


FUERZA AXIAL MAXIMA

0

100

200

300

400

500


Modelo dinámico

N (

T)




FUERZA CORTANTE MAXIMA (NORMA PERUANA E030-2003)

0

100

200

300

400

500

0 45 90


Fu

erz

a c

ort

an

te (

T)


FUERZA CORTANTE MAXIMA

0

200

400

600

800


M odelo dinámico

V (

T)




MOMENTO FLECTOR MAXIMO (NORMA PERUANA E030-2003)

0

2000

40006000

8000

10000

12000

0 45 90


Mo

men

to f

lect

or

(T.m

)


MOMENTO FLECTOR MAXIMO

0500

10001500200025003000350040004500


Modelo dinámico

M (

T.m

)




DISTRIBUCION DE ENERGIA EN EL EDIFICIO

EFECTO DE DISIPACION DE ENERGIA

Ymáx

(%)Nmáx

(%)Vmáx

(%)Mmáx

(%)

↓2,8 ↓3,6 ↓3,2 ↓1,0

AMORTIGUADOR EN EL CENTROIDE DEL CABEZAL

CENTROIDE DEL CABEZAL

Modelo dinámico

ACELEROGRAMA DE CHIMBOTE ACELEROGRAMA DE LIMA

uy

(mm)vy

(m/s)ay

(m/s2)uy

(mm)vy

(m/s)ay

(m/s2)

Norma Rusa(sin disipación)

0,51 0,023 1,382 0,96 0,033 1,850

Norma Rusa(con disipación)

0,48 0,021 1,231 0,87 0,031 1,695

FORMAS DE VIBRACION

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

• El mayor efecto de flexibilidad de la base de fundación se da en el modelo ILICHEV* El menor efecto de flexibilidad de la base de fundación se da por el modelo NORMA RUSA con disipación de energía en la base (amortiguador en el centroide del cabezal)* El efecto de flexibilidad de la base de fundación será muy notorio en edificios rígidos con suelo blando

ASPECTOS A MEJORAR EN LA NORMA PERUANA DE ESTRUCTURAS

• Insuficiente consideración de los procesos ondulatorios

• Inexacta determinación de la influencia de los suelos en las cargas sísmicas

• Inexacta consideración del componente vertical• Falta de conocimientos de los métodos

modernos de aislamiento sísmico

• Insuficiente consideración de los métodos de la teoría de seguridad

¡MUCHAS [email protected]

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