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SEMINARIO HILTI

MÁS ALLÁ DE LA NORMA NCh433

Tomás Guendelman

NOVIEMBRE 2014

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FILOSOFÍA DE DISEÑO DE LANORMA NCh433.Of96

� Protección de la vida

� Lograr estructuras que:

� Resistan sin daños durante sismos de intensidad moderada� Resistan con daños limitados (en elementos no estructurales) durante sismos de

mediana intensidad.� Aunque presenten daños, eviten el colapso durante sismos de intensidad

excepcionalmente severa.

La Norma señala que la conformidad con sus disposiciones no asegura, en todoslos casos, el cumplimiento de los objetivos antes mencionados.

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FILOSOFÍA DE DISEÑO AMPLIADA

(incluida en NCh2369)

� Protección de la vida humana y de los contenidos.

� Control de daños a través de la identificación de “niveles de desempeño”.

� Aceptación del daño como decisión objetiva de diseño.

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PROCEDIMIENTOS COMPLEMENTARIOSQUE SE SUGIERE SEAN

INCORPORADOS EN EL ANÁLISISY EN EL DISEÑO

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Es importante tener presente que el análisis normativo considera la aplicación de unmodelo lineal, lo que ignora una serie de factores no lineales, pero que en muchoscasos, se pueden incluir sin grandes dificultades.

Entre otros, se sugieren los siguientes:

1. Diseño por Capacidad2. Diseño por Desempeño3. Pushover Inverso4. Aislación y Disipación de Energía5. Calificación Estructural

1. DISEÑO POR CAPACIDAD

6

Eslabones Frágiles Eslabón Dúctil Eslabones Frágiles

Pis�P0

Pi

P0

Elabones Frágiles + 1 Eslabón Dúctil � Cadena Dúctil(a) (b) (c)

P0 P0

Pi

P0

Pis

ANALOGÍA DE PAULAY Y PRIESTLEY

2. DISEÑO POR DESEMPEÑO

Ley de la Oferta y la Demanda

7

� Oferta: Capacidad Resistente que ofrece la estructura. Válida para todo nivel de Demanda.

� Demanda: Exigencia de Resistencia que demandandiferentes niveles de severidad de las solicitaciones sísmicas (Estados Límites).

OFERTA ≥ DEMANDA

�

��

Mg

V

g

a ��

Mg

V

g

a

�u�y

�

Compensación área

Donde:� �� �u y�� �4 6

8

V

�

CAPACIDAD DE LA ESTRUCTURAMÉTODO “PUSHOVER”

DEMANDA SÍSMICANIVELES DE DEMANDA VISION 2000

9

Nivel deDemanda

Sismo Probabilidad de Excedencia

Período deRetorno

1 Frecuente 50% en 30 años 43 años

2 Ocasional 50% en 50 años 72 años

3 Esporádico 10% en 50 años 475 años

4 Muy Esporádico

(Raro)

10% en 100 años 970 años

NIVELES DE DESEMPEÑO VISION 2000

Nivel deDemanda

Nivel deDesempeño

Desempeño Estructural /HObjetivo

1 Servicio • Ausencia de daños, desempeño elástico. 0.002

2 Operacional • La estructura no deberá experimentar daño, o éstos serán mínimos, de modo tal que se garantice su normal operación.

0.005

3 DañoControlado

• La estructura podrá experimentar daños significativos, pero deberá quedar una reserva adecuada para evitar el colapso.

0.015

4 Ultimo • La estructura podrá experimentar importantes daños estructurales y no estructurales. Su rigidez se habrá degradado de manera significativa, pero no deberá alcanzar el colapso.

0.025

10

PROPUESTA PARA CHILESólo 3 niveles

Nivel de Desempeño

Proposición de los

Niveles de Demanda

Desplazamiento Objetivo

Ductilidad Global

Servicio Sae/R* 0.002 1.0

Operacional 1.4 Sae/R* 0.005 2.0

Daño Controlado

Sae 0.015 3.0

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R :Factor de Modificación de Respuesta:Ductilidad Global

T :Período To :Parámetro Característico del SueloSae - Sde :Diagrama de Demanda ElásticaSai - Sdi :Diagrama de Demanda Inelástica

T

R

1

����

To

aeai SR1

S ���

���� dedi S

RS �

��

��� ��

12

RELACIÓN ENTRE DEMANDA ELÁSTICA E INELÁSTICA

Diagrama de Demanda Inelástica

g

Sai

Sdi

�

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE DESEMPEÑO

13

d� � 1

d� � 2

g

Sai

�y �ui �u1�u2

Sdi

VERIFICACIÓN DE LAS EXIGENCIAS EN EL PUNTO DE DESEMPEÑO

14

� Para el caso de edificios diseñados con NCh433.Of.96 ,en el Estado Límite de "Daño Controlado“:

� PD � 3

� � �� �PD y H0 015.

15

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Sd (m)

Sa (

g)capacidad

demanda u= 1

demanda u= 1.5

demanda u= 3

Punto deDesempeño

EJEMPLO

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• Retenga las características del Pushover Convencional, pero que se oriente al diseño por capacidad.

• Sea aplicable a modelos estructurales complejos, de barras y elementos finitos, de variada naturaleza constitutiva.

3. PUSHOVER INVERSO

Consiste en crear un procedimiento que:

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Se desea controlar el diseño a través del mecanismo de falla definido por las 4 etapas que se muestran a continuación.

En cada etapa se indica el factor de desplazamiento acumulado para el que se alcanza dicha situación.

La solución de este ejemplo se obtiene fácilmente mediante el empleo de programas convencionales de análisis de estructuras planas.

EJEMPLO

ETAPA 1

f desp = 1.25

ETAPA 2

f desp = 1.50

ETAPA 3

f desp = 2.00

ETAPA 4

f desp = 3.00

18

19

4. AISLACIÓN Y DISIPACIÓN DE ENERGÍA

� Aisladores en la Base

� Amortiguadores de masa en sintonía (Tuned Mass Dampers)

� Disipadores de Energía entre pisos (amortiguadores)

� Otros sistemas de disipación pasiva o activa

AISLADORES Y DISIPADORES DIVERSOS

20

Goma

Lámina de Acero

Núcleo de Plomo

Placa de Montaje

Aislador de goma

Amortiguador viscoso TADAS (Triangular Added Damping And Stiffness)

Péndulo de fricción

AISLACIÓN BASAL

21

22

TUNED MASS DAMPER

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5. CALIFICACIÓN SÍSMICA DE EDIFICIOS

� La norma NCh433, en sus distintas versiones, permite el uso de unmodelo lineal de análisis, que no brinda certeza respecto delcumplimiento de la filosofía que inspira a dicha normativa.

� El estudio formal del comportamiento sísmico de una estructurarequeriría el uso de modelos teóricos no lineales.

� Sin embargo, con el apoyo de la experiencia acumulada, es posible, apartir de los análisis normativos, detectar aspectos que han originadoun satisfactorio comportamiento de los edificios chilenos en sismospasados.

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¿CÓMO SE REALIZA?

� A través de “indicadores sísmicos”.

� Algunos de ellos están relacionados entre sí, sin embargo no se han eliminado,debido a que detectan, con diferente sensibilidad, diversos problemas deestructuración.

� Los valores de los indicadores sísmicos provienen del análisis sísmiconormativo.

� Los rangos de valores de dichos indicadores se obtuvieron de la experienciachilena, a partir de una muestra constituida por 585 edificios reales construidosen el país, que generaron 1170 casos de estudio.

� Trabajos posteriores confirmaron la factibilidad de utilización de rangos enedificios de gran altura (rascacielos).

INDICADORES DELPERFIL BÍO-SÍSMICO DE EDIFICIOS

BASE DE DATOS

INDICADORES SÍSMICOS

• de Rigidez

• de Acoplamiento

• de Redundancia Estructural y Demanda de Ductilidad

25

284

380

248

166

68

182 2 2 4 4 2

0

100

200

300

400

0 -

5

5 -

10

10 -

15

15 -

20

20 -

25

25 -

30

30 -

35

35 -

40

40 -

45

45 -

50

50 -

60

60 -

80

80 -

100

100

-

Nú

me

ro d

e C

as

os

Número de Pisos

Casos de Estudio

Perfil Original585 Edificios1170 Casos de Estudio

12 Edificios Altos24 Casos de Estudio de Edificios Altos

26

27

Taipéi 101, Taiwán Torres Petronas, Kuala Lumpur

RASCACIELOS EN CHILE Y EN EL MUNDO

Central Plaza, Hong Kong

Torre 2 Costanera Center, Santiago

Edificio Titanium, SantiagoTorre Jin Mao, Shanghái

28

0

20

40

60

80

100

120

140

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Alt

ura

[m

]

Periodo [s]

Altura vs. Periodo

H/T=150H/T=70

H/T=30

H/T=20

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

Alt

ura

[m

]

Periodo [s]

Altura vs. Periodo

H/T=150

H/T=70

H/T=30

H/T=20

28

Valores dentro de rangos normales.

Valores aceptables ligeramente apartados de rangos normales.

1 H/T [m/s] 30 - 70 20 - 30 y 70 - 150

2 M P-Δ/M volc. basal directo 0 - 0,1

3 1000·δ/H 0,2‹ - 2,0‹ 0‹ - 0,2‹

4 1000·δcentro gravedad/h 0,2‹ - 2,0‹ 0‹ - 0,2‹

5 1000·δextremo/h 0‹ - 1,0‹

6 T rotacional/T traslacional 0 - 0,8 y 1,2 - 1,5 0,8 - 1,2 y 1,5 - 2,0

7 Masa eq. rot. acoplada/Masa eq.trasl. directa 0 - 0,2 0,2 - 0,5

8 (M torsor basal/Q basal)/r basal 0 - 0,2 0,2 - 0,5

9 Masa eq. trasl. acoplada/Masa eq. trasl. directa 0 - 0,5 0,5 o más

10 Q basal acoplado/Q basal directo 0 - 0,5 0,5 o más

11 Mvolc. basal acoplado/Mvolc. basal directo 0 - 0,5 0,5 o más

12 Número Ejes Resistentes más de 3 2 - 3

13 R** inferior a 3 3 - 7

Acoplamiento Traslación-Rotación y Traslación-Traslación

Redundancia Estructural y Demanda de Ductilidad

Rigidez

Indicadores del Perfil Bío-Sísmico

INDICADORES Y SUS RANGOS

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PERFIL BIO-SISMICO : EDIFICIO 17 PISOS

Valores dentro de rangos normales Valores aceptables ligeramente Valores fuera de rangoapartados de rangos normales

INDICADORES SISMICOS SISMO X SISMO Y CALIFICACION DE VALORES

RIGIDEZ

1.-Altura Total / Período Traslacional (m/seg) 42,974 121,633 0 20 30 70 150

2.-Efecto P-� (MP-� / Mb) 0,011 0,002 0 0.1

3.-Desplazamiento total nivel superior (1000�/H) 0,493 0,179 0 0.2 2

4.-Máx. desplaz. de entrepiso en centros de gravedad (1000�cg/h) 0,763 0,257 0 0.2 2

5.-Máx. desplaz. de entrepiso en puntos extremos (1000�ext/h) 0,647 0,844 0 1

ACOPLAMIENTO TRASLACION - ROTACION Y TRASLACION - TRASLACION

6.-Período Rotacional / Período Traslacional 0,836 2,366 0 0.8 1.2 1.5 2

7.-Masa Eq. Rotac. Acoplada / Masa Eq. Traslac. Directa 0,097 0,564 0 0.2 0.5

8.-Excentricidad Dinámica (Mt/Qb) / Radio de Giro Basal 0,263 0,399 0 0.2 0.5

9.-Masa Eq. Trasl. Acoplada / Masa Eq. Trasl. Directa 0,079 0,029 0 0.5

10.-Corte Basal Acoplado / Corte Basal Directo 0,133 0,109 0 0.5

11.-Mto. Volcante Basal Acoplado / Mto. Volcante Basal Directo 0,107 0,039 0 0.5

REDUNDANCIA ESTRUCTURAL Y DEMANDA DE DUCTILIDAD

12.-Nº de elementos relevantes en la resistencia sísmica 5 4 0 2 3

13.-Factor de Reducción Espectral Efectivo (R**) 2,505 3,126 0 3 7

XY

XY

XY

XY

XY

XY

XY

XY

XY

XY

X

X

Y

Y

XY

30

SUGERENCIAS

• RIGIDEZ

• Verificar que el cuociente H/T sea igual o superior a 30 m/seg.

• El rango de valores característico de la construcción chilena seubica en torno a H/T = 70 m/seg.

• Verificar que el momento volcante basal debido al efecto P-∆sea inferior, o a lo sumo igual, al 10% del momento volcantebasal debido a las solicitaciones sísmicas.

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• ACOPLAMIENTO

• Lograr estructuraciones que separen los modos fundamentalesde manera tal que el cuociente entre períodos fundamentales sealeje de la unidad, en alrededor de un 20%.

• Procurar que el periodo torsional sea menor que los periodostraslacionales.

• Lograr estructuraciones que originen efectos indirectos menores o iguales al 50% de los efectos directos.

• Lograr que, en cualquier piso, la excentricidad dinámica no supere el 50% del radio de giro del mismo piso.

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• REDUNDANCIA Y DUCTILIDAD

• Disponer de no menos de tres líneas resistentes en cada direcciónde análisis.

• Valores de R** iguales o inferiores a 3, no requieren estudioscomplementarios al análisis normativo.

• Valores de R** comprendidos entre 3 y 7, podrán requerir elestudio del desempeño estructural mediante procedimientos nolineales aproximados tipo "push-over".

• Valores de R** superiores a 7, podrán requerir el estudio deldesempeño estructural mediante procedimientos no linealesrefinados.

• Verificar que el valor resultante de R** sea efectivamente provistoen el diseño.

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• DENSIDAD DE MUROS

• Comprobar que, en cada piso, la superficie transversal de loselementos resistentes sea mayor o igual al 2% de la superficie dela losa de cielo de dicho piso.

• Comprobar que, en cada piso, la superficie transversal de loselementos resistentes sea mayor o igual al 1‰ de la superficie delosas de cielo superiores acumuladas hasta dicho piso.

• En edificios de hormigón armado, se debe verificar que eldesplazamiento lateral en el techo, δu=1.3Sde(Tag), sea inferior, o a losumo igual, al 7‰ de la altura total del edificio.

• En edificios de materiales que no aceptan agrietamiento, laexpresión se modifica a δu=1.3Sde(T), pero se mantiene el requisitoque limita este valor al 7‰ de la altura total del edificio.

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• REFERENCIAS

•T.Guendelman, M. Guendelman, J. Lindenberg, "Perfil Bío-Sísmico deEdificios”, VII Jornadas Chilenas de Sismología e IngenieríaAntisísmica y Primer Congreso Iberoamericano de Ingeniería Sísmica,La Serena, Chile,1997.

•R. Henoch, J. Lindenberg, T. Guendelman y M. Guendelman, “PERFILBIO-SISMICO DE RASCACIELOS”, X Congreso Chileno de Sismología eIngeniería Antisísmica, Santiago, Mayo 2010.