ANÁLISIS ESTRUCTURAL APLICADO GRUPO 4.

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ESPECTRO DE RESPUESTA. Es un valor utilizado en ingeniería, que mide el comportamiento de la estructura ante la vibración del suelo de cimentación producida por ondas sísmicas.

Espectro de respuesta de velocidad. Espectro de respuesta de desplazamiento. Espectro de respuesta de aceleraciones.

Estos espectros de respuesta dependen principalmente de: -Coeficiente de aceleración pico horizontal efectiva. Aa.

-Coeficiente de velocidad horizontal pico efectiva.Ab.

-Coeficiente de importancia. I.

-Coeficiente de amplificación del espectro de respuesta de la edificación, para la zona de periodos cortos, Fa. -Coeficiente de amplificación del espectro de respuesta de la edificación, para la zona de periodos intermedios o largos, Fv. ESPECTRO DE DISEÑO. ESPECTRO DE ACELERACIONES. La forma de espectro elástico de aceleraciones, Sa

expresada como fracción de la gravedad para un coeficiente de 5% del amortiguamiento critico que se debe utilizar en el diseño y se define por medio de la ecuación:

Sa= (1.2 Av Fv I)/T

RESUMEN. Cuando se realiza el diseño de una estructura es necesario tener en cuenta todos los tipos de cargas que afectan el comportamiento de la misma. Cargas muertas, vivas, sísmicas, de viento, producidas por la presión lateral de tierras o presión hidrostática, cargas producidas por presiones de fluidos. En este trabajo se tratara mas detalladamente las producidas por sismos y como a su vez estas interfieren en el diseño de la estructura que deseamos realizar. Se mostraran los diferentes espectros de diseño, tanto los de aceleraciones, como los de desplazamientos y velocidades; también como se tienen en cuenta varios factores propios del país gracias a su ubicación geográfica en el cálculo del dimensionamiento de la estructura (ubicación con respecto a las placas tectónicas y los movimientos de las mismas). Palabras Clave: Espectro de respuesta, Espectro de Diseño, Acelerograma, sismos de diseño.

ABSTRACT. When performing the design of a structure is necessary to take into account all types of loads that affect the behavior of the same. Dead and live loads, seismic, wind, produced by the lateral pressure of earth or hydrostatic pressure loads produced by fluid pressure. In this work they were more closely those produced by earthquakes and how are you interfering in the design of the structure we wish to make. They show different design spectra, both accelerations, such as displacements and velocities, also takes into account various factors in the country thanks to its geographical location in the calculation of the dimensioning of the structure (location relative to the plate tectonics and the movement of the same). Key words: Response spectrum, Spectrum Design, accelerogram, design earthquakes.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.

FACULTAD DE INGENIERIA.

Daniel Esteban Bermúdez Jiménez 214073, Néstor Sierra 214579, Alejandro Robayo Zapata 213994, Loren Gisela Pedraza 214898.

SISMOS Y ESPECTROS SÍSMICOS.

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Ilustración 1 Espectro elástico de aceleraciones de diseño como

fracción de g.

ESPECTRO DE VELOCIDADES. La forma del espectro elástico de velocidades en m/s, para un coeficiente de cinco por ciento (5%) del amortiguamiento crítico, que se debe utilizar en el diseño, se da en la figura y se define por medio de la ecuación:

Sv=1.87AvFvI

Ilustración 2 Espectro elástico de velocidades (m/s) de diseño.

ESPECTRO DE DESPLAZAMIENTOS. La forma del espectro elástico de desplazamientos en m, para un coeficiente de cinco por ciento (5%) del amortiguamiento crítico, que se debe utilizar en el diseño, se da en la figura y se define por medio de la ecuación:

Sd=0.3AvFvI,

Ilustración 3 Espectro elástico de desplazamientos (m) de diseño.

ACELEROGRAMAS. Para efectos de ingeniería la información producida por los sismogramas tiene poco interés fuera de su utilización en estudios de amenaza sísmica, pues permiten definir la localización y magnitud de los eventos sísmicos que se incluyen en los catálogos. Por esta razón se desarrollaron otro tipo de instrumentos llamados acelerógrafos de movimiento fuerte. El acelerógrafo consta de una serie de componentes dentro de los que se cuenta un disipador que activa el instrumento al detectar que esta ocurriendo un movimiento con aceleraciones mayores de un valor determinado o umbral de disparo, un grupo de tres péndulos que pueden oscilar en dos direcciones horizontales ortogonales y en dirección vertical, un medio de registro de las oscilaciones de los péndulos ya sea fotográfico o digital y por ultimo un reloj que marca de una manera precisa el tiempo que transcurre durante el registro de la señal. REGISTROS ACELEROGAFICOS. El registro obtenido por el acelerograma y corresponde a los valores de aceleración horizontal y la vertical del terreno. El acelerograma se digitaliza cuando se registra en el papel fotográfico y se corrige para una serie de errores producidos por la misma digitalización así como Tener en cuenta el hecho de que se pierde parte de la información inicial mientras el mecanismo de disparo del acelerógrafo activa su funcionamiento. La información sísmica disponible generalmente proviene d datos proporcionados por acelerógrafos que se traducen fácilmente en acelerogramas.

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Ilustración 4 Datos numéricos de aceleraciones de un sismo.

Ilustración 5 Acelerograma de un sismo

TIPOS DE TEMBLORES SEGÚN EL ACELEROGRAMA. Los registros acelerográficos, varían para eventos producidos por diferentes fuentes sismogénicas, e incluye para sismos producidos por la misma falla. Un ejemplo de esto es el caso de “El centro” en California, allí se tiene registros acelerográficos de eventos ocurridos en 1934,1940 y 1979. Aunque los tres eventos fueron producidos por la misma falla, las tres aceleraciones máximas del terreno diferente y duraciones distintas. Newmark y Rosenblueth, clasifican los temblores de la siguiente manera, según su acelerograma: TIPO I. El acelerograma prácticamente consiste en un pulso único. Registros de este tipo solo se obtiene a distancias cercanas al epicentro, solo en terreno firme, y únicamente durante sismos superficiales. Cuando estas condiciones no se cumplen, las múltiples reflexiones y difracciones de las ondas sísmicas cambian la naturaleza del movimiento.

Ilustración 6 Acelerograma del temblor de Port Hueneme de marzo 18

de 1958

TIPO II. Están representados por un movimiento extremadamente irregular de duración maderada. El sismo de “El centro” es el ejemplo clásico de este tipo de registros. Esta asociado con distancias focales moderadas y ocurren únicamente en suelo firme. Excitan un amplio rango de periodos de vibración con un mínimo entre 0.05 y 0.5 segundos y un máximo entre 2.5 y 6 segundos.

Ilustración 7 acelerograma del temblor "El centro" Mayo 18 de 1940

TIPO III. Un movimiento del terreno de mucha duración y que manifiesta periodos de vibración muy definidos. un ejemplo de este tipo es el acelerograma registrado en suelo blando del sismo de Ciudad de México de septiembre 19 de 1985.esta es la consecuencia de sismos de los tipos anteriores que son filtrados a través de estratos de suelo blando, en los cuales las ondas sísmicas sufren reflexiones sucesivas en las fronteras entre estratos.

Ilustración 8 Acelerograma del temblor de sep. 19 de 1985

TIPO IV. Este tipo de movimiento comprende aquellos casos en los cuales se presentan deformaciones permanentes a gran escala del terreno. En los lugares de iteres se puede presentar licuación o grandes deslizamientos. El temblor de Alaska de 1964 es un ejemplo clásico de este tipo de movimientos. Esta clasificación de sismos fue postulada hace más de 25 años, y sigue siendo vigente. Newmark y Rosenblueth planteaban que las técnicas analíticas prevalecientes en ese entonces permitían el estudio de los primeros tres tipos de registros, quejándose de la falta de registros del primer tipo. Con respecto al cuarto tipo, Newmark y Rosenblueth, indicaban que los conocimientos del momento no permitían la construcción de una estructura sobre un suelo que sufriera deformaciones del tipo indicado allí. Esto sigue siendo válido en la actualidad. SISMO DE DISEÑO El estudio basado en el riesgo sísmico asociado a un determinado sitio de interés (localización de una estructura), ha dado lugar al sismo de diseño el cual puede definirse como la intensidad del sismo mayor que probablemente

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afectará al lugar de emplazamiento de la obra durante su vida útil. Esta última puede ser de 20, 50, 100 ó más años, dependiendo del tipo de construcción. Según el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10), en el capítulo A.13, define dicho sismo como la caracterización de los movimientos sísmicos mínimos(dichos movimientos se producirán como consecuencia de la ocurrencia del sismo de diseño) que deben utilizarse para la realización del diseño sismo resistente. Los efectos en el sitio de interés asociados al sismo de diseño, tienen una probabilidad igual a 10% de ser excedidos en un lapso de cincuenta años. De acuerdo a la reglamentación, los movimientos sísmicos de diseño se definen siguiendo el procedimiento presentado a continuación:

1) Los Movimientos sísmicos de diseño están

definidos en función de la aceleración pico efectiva

(Aa), y de la velocidad pico efectiva (Av). El valor de

dichos coeficientes se determina de acuerdo a los

títulos A.2.2.2 y A.2.2.3 de la NSR-10.

1.1) Para determinar el valor de Aa, se debe

determinar el número de región en la que se

encuentra localizada la edificación (ver figura1);

dicho criterio también debe ser tenido para

establecer el valor de Av (ver figura 2).

1.2) Para un número de región determinado, los

valores de Aa y Av pueden determinarse a partir

de la tabla 1.

1. Valores de Aa y Av según las regiones de las figuras 1 y TABLA 1 Valores de Aa y Av según las regiones de las figuras 1

Region N° Valor de Aa o de

Av

10 0.50

9 0.45

8 0.40

7 0.35

6 0.30

5 0.25

4 0.20

3 0.15

2 0.10

1 0.05

1.3) Para las capitales de departamentos del país,

los valores para los coeficientes corresponden a

los especificados en la tabla N° 2.

Tabla 2. Valores de Aa y Av para ciudades capitales de departamento.

1.4) La zona de amenaza sísmica es un factor que

debe tenerse en cuenta para establecer en que

zona de amenaza se encuentra localizada la

edificación ante un evento de sismo. Según la

norma se establecen tres zonas de amenaza

basadas en la tabla N° 3:

Zona de amenaza sísmica baja: Lugares

en donde Aa y Av son menores o

iguales a 0.10

Zona de amenaza sísmica intermedia:

Lugares en donde Aa ó Av ó ambos son

mayores de 0.10 pero ninguno de los

dos excede a 0.20

Zona de amenaza sísmica alta: Lugares

en donde Aa ó Av ó ambos son

mayores a 0.20

2) Determinación de coeficientes Fa y Fv: Los

factores de amplificación del espectro por efectos

del sitio (Fa y Fv) permiten establecer las

características de la estratificación subyacente en el

lugar de interés. A continuación se presenta el

procedimiento a seguir para conocer dichos valores.

2.1) Tipos de perfil del suelo: Se encuentran definidos seis tipos de perfil de suelo. Dentro de los parámetros tenidos en cuenta para su clasificación se encuentra: velocidad media de la onda cortante (Vs); número medio de golpes del ensayo de penetración estándar (N); resistencia media al corte (Su); índice de plasticidad (IP) y contenido de agua. En la tabla N° 4 se presentan los tipos de perfil de suelo relacionados con los parámetros anteriormente mencionados.

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Tabla 3. Nivel de amenaza sísmica según valores de Aa y Av.

Tabla 4. Clasificación de los perfiles de suelo.

Figura 1. Mapa de valores de Aa

Figura 2. Mapa de valores de Av.

2.2) La tabla N° 5 presenta los valores de Fa, teniendo en cuenta los efectos de sitio en el rango de periodos cortos del orden de To. De igual manera para establecer los valores de Fv, la tabla N° 6 incluye los perfiles de roca para tener en cuenta los efectos del sitio en el rango de periodos intermedios del orden de 1s. Cabe mencionar que para la obtención de valores intermedios de Aa y Av se puede interpolar linealmente entre valores del mismo perfil.

Tabla 5. Valores del coeficiente Fa, para la zona de periodos cortos del espectro.

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Tabla 6. Valores de Fv, para la zona de periodos intermedios del espectro.

3) Coeficiente de importancia (I): estos coeficientes se encuentran definidos con base a los grupos de uso en los que según la norma, deben clasificarse todas las edificaciones. A continuación se describe brevemente cada uno de estos grupos:

Grupo IV: A este grupo pertenecen las edificaciones indispensables que sirven de atención a la comunidad y que deben funcionar antes y después de un evento sísmico.

Grupo III: Este grupo reúne las edificaciones de atención a la comunidad, las cuales son indispensable para atender la emergencia y preservar la salud y la seguridad de las personas luego de haberse presentado un temblor.

Grupo II: En este grupo se encuentran las

estructuras de ocupación especial, tales como almacenes y centros comerciales con más de 500m

2 por piso.

Grupo I: Referente a todas las edificaciones que cobije el reglamento y que no se hayan mencionado en los 3 grupos anteriormente mencionados.

Cabe destacar que el coeficiente de importancia es un factor que influye en el espectro y por ende en las fuerzas de diseño, de acuerdo al grupo de uso al que se encuentre asociada la edificación. Dicha relación se presenta en la tabla N°7.

Tabla 7. Valores del coeficiente de importancia, I

Los movimientos sísmicos de diseño pueden expresarse a través del espectro elástico de diseño (título A.2.6 de la NSR-10) ó por medio de familias de acelerogramas (título A.2.7), para efectos del diseño sísmico de la estructura.

CONCLUSIONES:

De acuerdo a la norma “Una estructura diseñada con los parámetros establecidos en la normatividad colombiana, deben ser capaces de resistir además de las cargas producidas por su propio uso (cargas vivas y muertas) resistir sismos de poca intensidad sin daño alguno, sismos moderados sin ningún tipo de daño estructural, Sismos moderados sin daño estructural, pero posiblemente con algún daño en elementos no estructurales y sismos fuertes con daños a elementos estructurales y no estructurales pero sin colapso”. Por lo tanto se debe seguir muy rigurosamente la normatividad para evitar daños que perjudiquen la comunidad que va a ser la directamente afectada si se llegase a realizar un mal calculo en el diseño de la estructura a ser realizada. A la hora de realizar un diseño estructural es muy importante tener en cuenta todas y cada una de las cargas que afectan la estructura ya que si no se tiene en cuenta alguna de ellas será inminente el fallo de nuestra estructura y el peligro que esto genera para la sociedad que estará directamente afectada por la estructura. De acuerdo a la zona donde se encuentra ubicado nuestro territorio es muy importante diseñar con todos estos factores de sismo resistencia ya que hay zonas en las que evidentemente el peligro de que ocurra un evento sísmico de alta magnitud es muy probable.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

[1] Hibbeler Russell C Análisis structural

[2] REGLAMENTO COLOMBIANO DE CONSTRUCCION

SISMO RESISTENTE. NSR10.TITULO A.

REFERENCIAS WEB.

[1] http://www.scg.org.co/Titulo-A-NSR-1Decreto%20Final-

2010-01-13.pdf

[2] http://www.umss.edu.bo/epubs/etexts/downloads/19/cap_VIII.htm

[3] http://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/4350/1/RR182G.pdf