05 sismo resistencia (1)

V
DISEÑO SISMO RESISTENTE
Generalidades
Ductilidad y sismo resistencia
La energía y la sismo resistencia
Disminución de la demanda
Curso va
Aumento del amortiguamiento
en la 1 Diseño basado en fuerzas
Diseño basado en desplazamientos
Normatividad Colombiana NSR-98
Diseño de elementos no estructurales
V.10
Josef Farbiarz F. Facultad de Minas U.N. Sede Medellín

“Si un ingeniero civil ha de
adquirir una experiencia
provechosa en un breve
lapso, expóngasele los
conceptos de la ingeniería
sísmica; no importa que
después vaya a trabajar en
un lugar donde no tiemble.”

N.M.Newmark
E. Rosenblueth

V.2

CRITERIOS DE DISEÑO

Variables determinísticas
– Incertidumbre pequeña
– Fallas evitables
Variables aleatorias
– Grandes incertidumbres
– Posibilidades de falla

V.3

CRITERIOS DE DISEÑO

Cada vez que un sismo, aún con
intensidad moderada, sacude un centro
urbano, se ponen de manifiesto todos
los errores cometidos durante el diseño
y la construcción.

V.4

IV
Generalidades
Diseño basado en fuerzas
V.5

Ductilidad y sismo-resistencia
Ductilidad
Es la habilidad que un material posee para deformarse
plásticamente, es decir, la relación entre la deformación
última y la deformación en el punto de cedencia
Tenacidad
Es la cantidad de energía que un material absorbe antes
de fallar.
Ductilidad

Tensión Área bajo la
curva es la
Área bajo el fy
tenacidad
tramo elástico es
una medida de la
resistencia εy εu
Deformación V.6

(Continuación...)
Absorción y disipación de energía
Para ilustrar la diferencia entre éstos dos términos se
presenta en la siguiente figura la respuesta de dos materiales
con comportamiento de deformación similar, pero con
recuperaciones diferentes bajo descarga.
Material
I
Tensión

fy Material
II

εy εu
Deformación
V.7

(Continuación...)
Diseño elástico vs. Respuesta inelástica
No es económicamente viable diseñar una estructura con
base en fuerzas calculadas con un espectro de respuesta
elástico. Si el edificio puede deformarse plásticamente,
puede utilizarse fuerzas menores a las elásticas para el
diseño.
Mientras mayor sea la incertidumbre en la magnitud del
sismo esperado, en las propiedades de los materiales y del
suelo, mayor deberá ser la energía disipada.
Aunque es conveniente que una estructura sufra
deformaciones plásticas durante eventos sísmicos severos
de baja recurrencia, éstas deben controlarse para evitar el
colapso o cualquier efecto que ponga en peligro la vida.
V.8

(Continuación...)
Factores de ductilidad
El factor de ductilidad se define como la relación entre la
deformación última y la deformación en el punto de
fluencia. Sin embargo, su caracterización no es tan sencilla
como en un ensayo simple de tracción directa.
En una estructura, las deformaciones pueden ser
desplazamientos de un elemento, desplazamientos relativos
entre pisos, rotaciones, curvaturas, etc. Los valores
numéricos de la ductilidad expresada con base en diferentes
tipo de deformación no son los mismos, por lo que es
sumamente importante especificar qué tipo de ductilidad se
está trabajando en cada caso.

V.9

(Continuación...)
Especificación de los factores de ductilidad
Si el comportamiento de un material es perfectamente
elasto-plástico, la ductilidad no sólo define la deformación
máxima, sino que define también la energía disipada. Sin
embargo, en la realidad los materiales no tienen
comportamiento ideal.
F
Real
Ideal La estructura real no
tiene un punto de
δ fluencia definido.

V.10

(Continuación...)

Existen muchas propuestas para la definición del punto
de fluencia. Entre otros, pueden citarse:
• deformación correspondiente a la formación de la primera
rótula plástica
• deformación al momento del colapso incipiente (estructura
perfectamente elástica)
• punto de fluencia de una estructura elasto-plástica que
absorbe la misma energía que la real.

Cuando hay deformaciones cíclicas el problema se complica

V.11

(Continuación...)
Los factores de ductilidad se dividen en términos de ductilidad
global y ductilidad local.

Ductilidad Global
Se basa generalmente en la medida del desplazamiento lateral de la
estructura
F Elástica

m mu s
&& Elasto-plástica

δ
V.12

(Continuación...)
Ductilidad Local
Existen diversos métodos analíticos para determinar la
ductilidad demandada de una estructura. Idealmente, el
ingeniero debería poder detallar su estructura proveyéndola
con la ductilidad requerida. Sin embargo, las
incertidumbres generadas por los modelos matemáticos
simplificados hacen que siempre deba proveerse con mayor
ductilidad que la demandada.
El suministro de ductilidad global lateral en un edificio
puede lograrse localizando secciones determinadas, en
algunos elementos, que desarrollen grandes deformaciones
inelásticas

V.13

(Continuación...)
La ductilidad local requerida de los elementos puede
exceder significativamente la ductilidad global.
Los puntos críticos se escogen garantizando que la
fluencia en ellos no ocasione el colapso de la estructura

V.14

IV
Generalidades
V.15

La energía y la sismo-resistencia
Tradicionalmente, el factor de ductilidad asociado al
desplazamiento se ha utilizado como criterio para establecer
el espectro de respuesta inelástica para el diseño sismo
resistente de edificios. De allí, la resistencia mínima
requerida (capacidad de resistir fuerzas laterales) en un
edificio se estima con base en ese espectro.

Desde 1956, Housner propuso un procedimiento
alternativo basado en el uso de la energía. Se utilizó un
poco en la década de los años 60, pero sólo a partir de 1985
ha llamado de nuevo la atención de los investigadores.

V.16

(Continuación...)
Demanda
El método se basa en la premisa de que es posible
predecir la demanda de energía durante un sismo, así como
es posible establecer la provisión de energía de un
elemento, o de un sistema estructural.
La energía de entrada de un sistema puede expresarse
como:
 n 
∫∑
EL =  mi uTi dus
 i =1
&&

Energía demandada
donde :

EL : energía demandada
mi : masa asociada al n - ésimo piso
uS : desplazamiento del suelo
V.17

(Continuación...)
Provisión
La provisión puede considerarse compuesta por la energía elástica
almacenada, EE, más la energía disipada, ED.
EE está compuesta, a su vez, por EK, energía cinética, y Eδ, energía
de deformación elástica. mu 2
&
EK = T
2

∫
Eδ = kudu

Por su parte, la energía disipada consta también de dos partes, la
energía de amortiguamiento, EA, y la energía histerética, EH.

∫
E A = cudu
&

∫
EH = fr du V.18

(Continuación...)
Si no es posible balancear la demanda mediante EE y ED,
es necesario aumentar la provisión.

Para ello, puede incrementarse la energía disipada
mediante el aumento de EA, el aumento de EH, o el aumento
simultáneo de ambos. Lo más común es aumentar EH
mediante la entrada al intervalo plástico (comportamiento
inelástico), pero esto representa usualmente un alto nivel de
daños.
Existen dos alternativas:
•disminuir la demanda, o
•aumentar el amortiguamiento

V.19

IV
Generalidades
V.20

Disminución de la demanda de energía

Control Pasivo
Recientemente, se ha reconocido la
posibilidad de disminuir la demanda
mediante la incorporación de mecanismos de
absorción de energía. A esto se le llama
control pasivo. El aislamiento basal y el
amortiguador de masa sintonizada, AMS *, y
los amortiguadores mecánicos, son ejemplos
de control pasivo.
* En la literatura en inglés se les llama Tuned Mass Damper, TMD V.21


El AMS consiste en un bloque rígido, con
aproximadamente el 1 % de la masa total de
la estructura, que se coloca en la parte
superior de la edificación, conectado a través
de resortes y amortiguadores y con dos
grados de libertad en direcciones
ortogonales, en el plano horizontal. Este
tipo de acción pasiva funciona bien para
viento.
V.22

Aislamiento basal
El aislamiento basal tiene como objeto el desacople parcial
entre estructura y movimiento del suelo mediante un mecanismo
que sea capaz de disipar parte de la energía sísmica,
disminuyendo así el desplazamiento relativo entre los diferentes
elementos estructurales.
Plomo
Cubierta de caucho

Pletinas de acero
Pletinas de refuerzo
(acero)

Capas internas
de caucho
V.23

Aislamiento basal
Su utilización
en edificios es aún
restringida debido
a los costos y a las
incertidumbres
existentes con
relación a su
comportamiento.
En puentes, sin
embargo, se
utilizan con
frecuencia algunos
métodos de
Sección de aislador
aislamiento basal
para edificios
V.24

Mecanismo de aislamiento basal bajo carga
Aunque el comportamiento a gran escala no se ha ensayado, los
aisladores se han mejorado notablemente con ensayos de
laboratorio

V.25

Control Activo
El control activo reduce las vibraciones en una estructura
incorporándole mecanismos actuadores alimentados por una
fuente de energía exterior, capaces de ejercer fuerzas de
control. Estos aparatos, controlados por computador,
tienen la ventaja de adaptarse a las características de la
excitación.

PERTURBACIÓN

CONSIGNA CONTROL SALIDA
CONTROLADOR SISTEMA

V.26

IV
Generalidades
V.27


La segunda alternativa es la de aumentar EA. Para
lograrlo se aumenta el amortiguamiento interno de la
estructura del intervalo normal (2 % a 5 %) a intervalos
entre el 15 % y el 25 %. Esto reduce la magnitud de las
aceleraciones espectrales e incrementa la energía disipada.

Se obtienen niveles similares de fuerzas en sistemas
estructurales con grandes ductilidades y amortiguamiento del
orden del 5 % que en diseños elásticos con amortiguamientos
del 15 % al 25 %.

V.28

Amotiguadores mecánicos

Amortiguador Sello Recinto
Sello Silicona fluida
viscoso retenedor compresible acumulador

Barra del Cabeza del pistón
pistón con orificios

Amortiguador visco-
elástico

Material visco-
elástico

V.29

Amotiguadores mecánicos

Amortiguador
histerético

Pletinas de acero

Amortiguador de
fricción

Tornillos y
tuercas

V.30

CUALIDADES LIMITACIONES
•No se depende de la •Análisis estructural complejo
ductilidad del sistema •Se requiere conocimiento
•Se simplifican las conexiones detallado de las características
viga-columna del sismo esperado
•No hay degradación de las •Difícil modelación con
conexiones por ciclos programas modernos
histeréticos en el intervalo •El método no está avalado
inelástico por ningún código
•Elementos con secciones de
menores dimensiones
•Auténtica segunda línea de
defensa contra temblores de
baja recurrencia

V.31

IV
Generalidades
V.32

La gran mayoría de los códigos en todo el mundo prescriben el
diseño sismo resistente con base en la especificación de las fuerzas
resistentes necesarias en la estructura para balancear las fuerzas
inerciales a que se ve sometida, calculadas de acuerdo con un
espectro elástico de seudo aceleraciones.

La capacidad de disipación de energía para el material y el sistema
estructural, se define por medio de un coeficiente R que depende no
sólo del material estructural, sino también de su disposición o
despiece
Así, la fuerza sísmica de diseño se obtiene por medio de:
Fe
Fy =
La fuerza elástica máxima solicitada es, a su vez: R
Fe = masa × Sa (T , ξ) V.33

¿De dónde salió R?
Sistemas con Sensitivo a
Sensitivo a
Desplazamiento
Desplazamiento
rigidez 15
15 µµ = 10
= 10
degradante 14
14
Newmark y 13
13
Riddell 12
12
Sensitivo a
Sensitivo a
Velocidad
11 Velocidad
11
10
10
9 µ = 10
9 µ = 10
R , ,R , ,ooRd 8
R R
aa vv Rd 8
µ=5
7 µ=5
7
6
6 µ=5
µ=5
5
5
µ = 10 µ=3
µ = 10 4 µ=3
4 µ=3
Sensitivo a µ=3
Sensitivo a µ=5
Aceleración µ=5 3
Aceleración 3 µ=2 µ=2
µ=3 µ=2 µ=2
µ=3 2 µ = 1.5 µ = 1.5
2 µ = 1.5 µ = 1.5
µ=2 µ=1 µ=1
µ=2 µ=1 µ=1
µ = 1.5 1
µ = 1.5 1 elástico
elástico
0
0
0 1 2 3 4 5
0 1 2 3 4 5
Período T, (s)
Período T, (s) V.34

¿De dónde salió R?
Coeficientes de reducción de resistencia
Coeficientes de reducción de resistencia Sensitivo a
Sensitivo a
Desplazamiento
Desplazamiento
15
15 µ = 10
µ = 10
14
14
13
44 13
12
12
Sensitivo a
Sensitivo a

µµ==100
Velocidad
11 Velocidad

1
11
10
10
9 µ = 10
9 µ = 10
R , ,R , ,ooRd 8
aR vv 8
a R Rd µ=5
µ=5
7
7
6
6 µ=5
µ=5
5
5
33 µ = 10
µ = 10 4 µ=3
=3
µµ = 3

µµ==55 Sensitivo a 4 µ=3
Sensitivo a µ=5
Aceleración µ=5 3
Aceleración 3 µ=2 µ=2
µ=2 µ=2
µ=3 µ = 1.5 µ = 1.5
µ=3 2 µ = 1.5 µ = 1.5
µ=2 2
µ=2 µµ = 1
=1 µ=1
µ = 1.5 1 µ=1
µ = 1.5 1 elástico
elástico
0
0

µµ==33
0 1 2 3 4 5
0 1 2 3 4 5
Período T, (s)
Período T, (s)

Ra 22
Ra µµ==22

µµ==11 .5
.5

µµ==11
11
elástico
elástico

00
00 0.05
0.05 0.1
0.1 0.15
0.15 0.2
0.2 0.25
0.25 0.3
0.3 0.35
0.35 0.4
0.4
Período T (s)
Período T (s) V.35

Validez de R

Para la zona sensitiva a las aceleraciones
En la medida que el período tiende a cero, las
demandas de ductilidad tienden a uno.
Esto quiere decir que en los sistemas inelásticos con
períodos cortos, no es posible ejercer la ductilidad y
las reducciones que se realicen a la resistencia,
pondrían en peligro la estabilidad del sistema, pues
no habría una demanda de ductilidad compatible
con la reducción de resistencia.
V.36

Espectro para diseño por fuerza
Hay dos opciones para la especificación del espectro de diseño,
en conjunción con el coeficiente de reducción de resistencia, R
Sa Sa

Ate

T T
R R

R R
1 V.37
T T

Espectro para diseño por fuerza
NSR-98

V.38


La Ley 400 de 1997 trae una guía con los
pasos necesarios para realizar un diseño
sismo resistente.
Estos pasos se enumeran a
continuación:
Paso 1: Predimensionamiento y
coordinación con otros
profesionales
Paso 2: Evaluación de las solicitaciones
definitivas
V.39


Paso 3
Localización en los mapas de amenaza sísmica
INTERMEDIA 4

3
BAJA

8
5
4
9 6 7 6 4
ALTA 5
INTERMEDIA 6 5
7
ALTA 2 1
A
DI 5
7
E 3
M 6 3
R
E
T
ALTA IN 9
7
8
BAJA 2

1

Zona de Amenaza Sísmica Valor de Aa V.40

Paso 4 - Obtención movimientos sísmicos de diseño
DE LOS MAPAS MOVIMIENTOS SISMICOS DE DISEÑO
DE ZONIFICACION COEFICIENTE EXPRESADOS COMO:
SISMICA (Paso 1) DE ACELERACION Aa
(a) un espectro de diseño
Sa

SUPERFICIE

PERFIL COEFICIENTE
DE DE SITIO S T
Período de vibración en segundos
SUELO
ROCA (b) una familia de acelerogramas

A t

GRUPOS DE USO
t (s)
I II III IV
COEFICIENTE
DE IMPORTANCIA
I
(c) resultados de un estudio de
microzonificación
De acuerdo con la importancia para la
recuperación con posterioridad al sismo V.41


Paso 5: Características de la estructuración
y el material estructural

Clasificar en uno de los sistemas estructurales
permitidos
Características de disipación de energía en el
intervalo inelástico del material

V.42

Paso 5: Características de la estructuración y el material
estructural (Continuación)...
S IS T E M A S E S T R U C T U R A L E S D E R E S IS T E N C IA S IS M IC A
S IS T E M A CARGAS FUERZAS
V E R T IC A L E S H O R IZ O N T A L E S
MUROS DE
CARGA

C O M B IN A D O

P O R T IC O

DUAL

V.43


HORMIGÓN MAMPOSTERIA
REFORZADO ESTRUCTURAL

METALES

BAHAREQUE
MADERA ENCEMENTADO

V.45


CAPACIDAD DE
DISIPACION DE ENERGIA
Mínima (DMI)
Moderada (DMO)
Especial (DES)
V.46


C apacidad de disipación de energía en el intervalo
C apacidad de disipación de energía en el intervalo
inelástico
inelástico
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACION DE ENERGIA
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACION DE ENERGIA

Fuerza
Fuerza

ES
D ES
D
Deflexión
Deflexión
Fuerza
Fuerza
CAPACIDAD MODERADA DE DISIPACION DE ENERGIA
CAPACIDAD MODERADA DE DISIPACION DE ENERGIA
Fuerza
Fuerza

Deflexión
Deflexión
MO
D MO
D
Deflexión
Deflexión

CAPACIDAD MINIMA DE DISIPACION DE ENERGIA
CAPACIDAD MINIMA DE DISIPACION DE ENERGIA
Fuerza
Fuerza

MI
D MI
D Deflexión
Deflexión

V.47


U so de los materiales estructurales
U so de los materiales estructurales

C A P A C ID A D D EE
C A P A C ID A D D ZZ O N A D E A M E N A ZZ A S IS M IC A
O N A D E A M E N A A S IS M IC A
D IS IP A C IO N E N E R G IA
D IS IP A C IO N E N E R G IA B A JJ A
BA A I N TT E R M E D IA
I N E R M E D IA A LL T A
A TA
M IN IM A - -D M I I
M IN IM A D M no no
no no
M O D E R A D A - -D M O
MODERADA D M O no
no
E S P E C IA LL- -D E S
E S P E C IA D ES

V.48

Paso 6: Grado de irregularidad y definición del procedimiento
de análisis
IRREGULARIDAD EN PLANTA

GRADO DE
φp IRREGULARIDAD
EN PLANTA
Torsional Salientes Diafragma Ejes no
Desplazamiento
excesivos discontinuo paralelos
plano del pórtico

IRREGULARIDAD EN ALZADO

GRADO DE
φa IRREGULARIDAD
EN ALZADO

Piso Variación en Retrocesos Desplazamiento Piso
flexible la masa excesivos elementos debil

MÉTODO DE LA FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE
DEFINICION DEL
MÉTODO DEL ANÁLISIS DINÁMICO ELÁSTICO
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS
Josef Farbiarz F. Facultad de Minas ANÁLISIS DINÁMICO INELÁSTICO V.49
M´ÉTODO DEL U.N. Sede Medellín

Paso 7 - Obtención de las fuerzas sísmicas de diseño
MASA EDIFICACION
MASA EDIFICACION
PESO PROPIO ESTRUCTURA
PESO PROPIO ESTRUCTURA
PESO ACABADOS MASA DE LA CORTANTE SISMICO EN LA BASE
CORTANTE SISMICO EN LA BASE
PESO ACABADOS MASA DE LA
EDIFICACION
EDIFICACION
M
M
PESO EQUIPOS PERMANENTES
PESO EQUIPOS PERMANENTES V ss= S a ggM
V = Sa M
CARACTERISTICAS VIBRATORIAS DE LA ESTRUCTURA
CARACTERISTICAS VIBRATORIAS DE LA ESTRUCTURA
MASA DISTRIBUCION DE LAS FUERZAS
DISTRIBUCION DE LAS FUERZAS
MASA PERIODO DE SISMICAS EN LA ALTURA
PERIODO DE
VIBRACION
VIBRACION
T
T SISMICAS EN LA ALTURA
RIGIDEZ
RIGIDEZ

MOVIMIENTOS SISMICOS DE DISEÑO
MOVIMIENTOS SISMICOS DE DISEÑO Fi
Fi
ACELERACION
SS
a
ACELERACION
ESPECTRAL
ESPECTRAL
Saa
S
a

Vss
V
TT
V.50

Paso 8: Análisis Paso 9: Desplazamientos
DESPLAZAMIENTOS DE LA ESTRUCTURA
DESPLAZAMIENTOS DE LA ESTRUCTURA
ANALISIS DE LA ESTRUCTURA PARA
ANALISIS DE LA ESTRUCTURA PARA
LAS FUERZAS SISMICAS DE DISEÑO
LAS FUERZAS SISMICAS DE DISEÑO δδ yi
yi
EMPLEANDO EL PROCEDIMIENTO DE
EMPLEANDO EL PROCEDIMIENTO DE
ANALISIS DEL PASO 3
ANALISIS DEL PASO 3 δδ xi
xi
piso i
piso i

torsión accidental
torsión accidental

FUERZAS INTERNAS DE LA ESTRUCTURA
FUERZAS INTERNAS DE LA ESTRUCTURA

fuerzas axiales
fuerzas axiales
F ix
F ix momentos flectores
momentos flectores
Fiy fuerzas cortantes
Fiy fuerzas cortantes
torsión
torsión

V.51

Paso 10: Verificación de las derivas
δδ5 ∆∆5
FF5 5 5 Definición de la deriva
5 Definición de la deriva
Máxima deriva admisible
hh
p5 ∆∆44 ∆∆i == δδi −−δδi-1 Máxima deriva admisible
p5 F 4
F4 i i i-1 ∆∆i ≤≤ 0.01 hhpipi
hh ∆∆3 i 0.01
p4 F
p4 F 3 3 1% de la altura del piso (hpi ))
1% de la altura del piso (hpi
3
La deriva debe incluir
hh
p3 F ∆∆2 La deriva debe incluir
los efectos torsionales
para mampostería estructural
para mampostería estructural
p3 F 2
2
2 los efectos torsionales este límite es 0.5% de hh pi
este límite es 0.5% de pi
de toda la estructura
hh
p2 F ∆∆1 de toda la estructura
p2 F 1 1 yyel efecto P-Delta
el efecto P-Delta
1
hh Si la deriva es mayor que la máxima deriva
Si la deriva es mayor que la máxima deriva
p1 admisible debe rigidizarse la estructura
p1 admisible debe rigidizarse la estructura

V.52

Paso 10: Verificación de las derivas (Continuación...)

Límites de la Deriva
Estructuras de hormigón o de acero

1.0 % hpiso
Estructuras de Mampostería

0.5 % hpiso
V.53

Paso 11: Obtención de R (Continuación)
SISTEMA DE RESISTENCIA SISMICA
SISTEMA DE RESISTENCIA SISMICA
MUROS DE CARGA
MUROS DE CARGA
COMBINADO
COMBINADO
PORTICO
PORTICO
DUAL
DUAL
GRADO DE CAPACIDAD DE DISIPACION
R0
R0
GRADO DE CAPACIDAD DE DISIPACION
DE ENERGIA DEL MATERIAL ESTRUCTURAL
DE ENERGIA DEL MATERIAL ESTRUCTURAL
MINIMA (DMI) COEFICIENTE
MINIMA (DMI) COEFICIENTE
MODERADA (DMO)
MODERADA (DMO)
DE CAPACIDAD
DE CAPACIDAD R = φp × φa × R 0
R = φp × φa × R 0
ESPECIAL (DES) DE DISIPACION
ESPECIAL (DES) DE DISIPACION
DE ENERGIA
DE ENERGIA
GRADO DE IRREGULARIDAD DE LA ESTRUCTURA
GRADO DE IRREGULARIDAD DE LA ESTRUCTURA
φp
φp
EN PLANTA
EN PLANTA φp × φ
φp × φ
EN ALZADO φ aa
EN ALZADO φ
a a

V.54

Paso 11: Obtención de R (Continuación...)
El análisis estructural para las fuerzas sísmicas
de diseño se realiza sin dividir por R

Las derivas se verifican para los
desplazamientos horizontales obtenidos sin
dividir por R

Sólo se divide por R en el momento de diseñar
el elemento

V.55

Paso 12 - Obtención fuerzas de diseño
FUERZAS SISMICAS INTERNAS FUERZAS INTERNAS
FUERZAS SISMICAS INTERNAS FUERZAS INTERNAS
OBTENIDAS DEL ANALISIS INELASTICAS DE DISEÑO
OBTENIDAS DEL ANALISIS INELASTICAS DE DISEÑO

÷R
÷R × ((de carga )) ==
× Coeficiente
Coeficiente
de carga
fuerzas mayoradas
fuerzas mayoradas
debidas al sismo
debidas al sismo

COMBINADAS
COMBINADAS
SEGUN EL
SEGUN EL

FUERZAS INTERNAS
DEBIDAS A INTERNAS
FUERZAS CARGAS
+
+ TITULO B
TITULO B
DEL
DEL
DEBIDAS A CARGAS
MUERTAS, VIVAS, Y OTRAS
MUERTAS, VIVAS, Y OTRAS REGLAMENTO
REGLAMENTO

fuerzas mayoradas
fuerzas mayoradas
debidas a:
× ((
× ))
Coeficientes
Coeficientes
de carga ==
debidas a:
carga muerta
de carga carga muerta
carga viva
carga viva
otras solicitaciones
otras solicitaciones

=
=
fuerzas mayoradas
fuerzas mayoradas
de diseño
DISEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES
DISEÑO LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE de diseño
DISEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES
UTILIZANDO LOS REQUISITOS DEL MATERIAL MATERIAL
ACUERDO CON LOS REQUISITOS DEL
UTILIZANDO LOS REQUISITOS DEL MATERIAL
ESTRUCTURAL PARA EL GRADO DE CAPACIDAD
ESTRUCTURAL PARA EL GRADO DE CAPACIDAD DE
ESTRUCTURAL PARA EL GRADO DE CAPACIDAD
DE DISIPACION DE ENERGIA EN EL RANGO
DISIPACIÓN DEDE ENERGIA EN EL RANGO INTERVALO
DE DISIPACION ENERGÍA EN EL
INELASTICO APROPIADO: DES, DMO, o DMI
V.56
INELÁSTICO APROPIADO: DES, DMO, Ó DMI
INELASTICO APROPIADO: DES, DMO o DMI

Diseño cimentación
F5

F4
F5
F3
F4 estructura
F2
F3
F1
F2

F1

cimentación

suelo

Josef Farbiarz F. Facultad de Minas U.N. Sede Medellín V.57

IV
Generalidades
V.58

Diseño por desplazamiento
En la zona del espectro sensible a los desplazamientos, o sea
la zona de períodos largos, los desplazamientos totales que se
obtienen en la respuesta inelástica, son aproximadamente
iguales a los que tendría un sistema elástico con la misma
rigidez y sometido al mismo acelerograma. Esta característica
se denomina como el principio de las deformaciones iguales.
Fuerza elástico
Fe

u in ≅ u e = R × u y
Fy
inelástico
Desplazamiento
uy uin≅ue V.59


Este aspecto tiene implicaciones muy importantes en
diseño sísmico, dado que una de las verificaciones que
deben realizarse consiste en comprobar que las
deformaciones de la estructura no sean excesivas, y dado
que la estructura en general se sale del intervalo elástico
de respuesta ante la ocurrencia de los movimientos
sísmicos de diseño, estas deformaciones se deben estimar
en el intervalo inelástico de la manera más precisa
posible.

V.60


Por otro lado, si el daño a elementos estructurales y no
estructurales, está asociado con las deformaciones
inelásticas que se tengan, la rigidez inicial del sistema y su
degradación son parámetros muy importantes en el buen
comportamiento de la estructura.
El problema de estimar las deformaciones en el
intervalo inelástico se vuelve especialmente complejo
cuando se tiene degradación de la rigidez, pues el período
de vibración del sistema cambia durante la respuesta de la
estructura a la excitación sísmica.

V.61

En los trabajos de Shimazaki y Sozen, se encontró que
cuando el período de la estructura era mayor que un valor
característico TC del acelerograma, la energía que entraba al
sistema era constante o disminuía, independientemente de la
resistencia del sistema, Fy.
Además se encontró, que cuando el período del sistema era
mayor que el período característico, T > TC,
independientemente de la resistencia del sistema Fy; el
desplazamiento máximo inelástico um, tendería a ser igual al
del espectro elástico de desplazamientos, confirmando el
principio de desplazamientos iguales.
V.62

Período característico de temblor, Tg

El período característico del temblor se define como el
menor período al cual el espectro de energía, para
ξ = 10 %, deja de aumentar. Este período coincide con el
punto donde las aceleraciones aproximadamente
constantes del espectro de aceleraciones termina.
En la respuesta inelástica el desplazamiento alarga el
período, y si el aumento de período aumenta la energía
que entra al sistema, entonces el sistema debe
desplazarse más para poder disipar este aumento de
energía.

V.63

Período característico
1.000
Pacoima Dam

Miyagi
El Centro
0.100

Energía
Santa Barbara
√ 2E/m
(m/s)

0.010

0.001
0.01 0.1 1 10

Período, T (s) V.64

1.000
Período característico
Corralitos NS México EW

Castaic
Viña del Mar
0.100

Energía
√ 2E/m
(m/s)

0.010

0.001
0.01 0.1 1 10

Período T, (s) V.65


Shimazaki y Sozen explican cualitativamente este
fenómeno indicando que la energía que entra al
sistema se mantiene constante cuando el sistema
tiene un período de vibración inicial mayor que TC,
pues la degradación de la rigidez alarga este
período y entonces no se presenta un aumento en
la energía que entra al sistema y no la hay
suficiente para producir un aumento de la
deformación inelástica.

V.66


Por otro lado, si el sistema tiene un período de
vibración T < TC, un aumento en el período del
sistema causado por la degradación de rigidez,
conduce a un aumento de la energía que entra al
sistema y entonces se presenta una deformación
inelástica máxima mayor que la máxima elástica.

V.67

Otro aspecto muy importante encontrado en estos
estudios consistió en identificar que bajo ciertas
condiciones del período de la estructura y su resistencia
en la base, para períodos iniciales del sistema T < TC,
también las deformaciones inelásticas se mantenían
iguales o menores que las elásticas. La condición anterior
fue formulada por Shimazaki y Sozen de la siguiente
manera para sistemas estructurales cuya respuesta
histerética es similar a la de elementos de hormigón
reforzado:
RD ≤ 1.0
es válida si:
RR + RT ≥ 1.0
V.68

Diseño por desplazamientos
RD ≤ 1.0
es válida si:

RR + RT ≥ 1.0
donde:
u in
RD = (Relación de desplazamientos)
ue
Fy
RR = (Relación de resistencias)
Fe
Tef
RT = (Relación de períodos)
TC
V.69

Diseño por desplazamientos
Ahora bien, el periodo efectivo, Tef, es el periodo resultante después de la
degradación de la rigidez, que para el final del intervalo inelástico podría
alcanzar el 50 % de la original. De tal manera, el periodo efectivo puede
estimarse así:
2π 2π
T ef = =
ω ef 0 .5 k
m
1 2π 1 2π
T ef = =
0 .5 k 0 .5 ω
m
1 1
T ef = T = T =T 2
0 .5 1
2
V.70

Entonces, si la siguiente relación se cumple, los
desplazamientos inelásticos son iguales, o menores, que los
elásticos.

T ⋅ 2 Vy
+ ≥ 1.0
TC Ve
T = período original de la estructura
TC = período característico del sismo
Vy = corte basal resistente de la estructura
Ve = corte basal solicitado elásticamente
V.71

Procedimiento

1. Definir el sismo de diseño en términos de una
aceleración máxima del terreno, Ate, y un período
característico, TC.
2. Definir la deriva aceptable para la edificación, en
función de su contenido y uso, poniendo especial
atención a las derivas admisible para los elementos no
estructurales.
3. Dimensionar la estructura para las cargas verticales
que la afectan, utilizando secciones para los elementos
estructurales dentro de los limites tradicionales en el
lugar.
V.72

Procedimiento
4. Calcular dinámicamente el período fundamental, T, de la
edificación, empleando inercias no fisuradas, y luego
convertirlo en período efectivo Tef, por medio de

Tef = T 2
5. Calcular la deriva promedio de edificio ∆m, que puede
estimarse como el desplazamiento total medido en la
cubierta, dividido por la altura de la cubierta con respecto
al nivel del suelo:
∆ cub
∆m =
hcub
V.73

Procedimiento
Ahora bien, la respuesta de la estructura, a la altura de la
cubierta, puede estimarse con base en la respuesta de un
SUGDL equivalente. Así, la respuesta espectral de un
SUGDL será:
ASUGDL
∆ SUGDL = 2
ω
A su vez,

ASUGDL = Fa ⋅ Aa ⋅ g

V.74

Procedimiento
Por lo tanto:

Fa ⋅ Aa ⋅ g Fa ⋅ Aa ⋅ g Fa ⋅ Aa ⋅ g ⋅ T
∆ SUGDL = = =
ω 2
 2π 
2
4π 2
 
T 
La respuesta de la estructura será proporcional a la del
SUGDL, así que:

∆Cub = γ∆ SUGDL

V.75

Procedimiento
Pero la respuesta buscada es la de la rigidez degradada:
Fa ⋅ Aa ⋅ g ⋅ Tef Fa ⋅ Aa ⋅ g ⋅ T ⋅ 2
∆Cub =γ =γ
4π 2
4π 2
Fa ⋅ Aa ⋅ g ⋅ T
∆Cub = γ
2 2π 2
Y la deriva promedio
será:
Fa ⋅ Aa ⋅ g ⋅ T 1
∆m = γ ⋅
2 2π 2
hCub
En general, la deriva máxima puede estimarse como:
∆ máx = 1.5∆ m
V.76

Procedimiento

6. Verificar si ∆máx cumple la deriva aceptable propuesta en el
paso 2.

7. Calcular las áreas de refuerzo de los elementos con base en
las cargas verticales y las fuerzas de viento, de acuerdo con el
Código aplicable, y cumpliendo sus mínimos.

V.77

Procedimiento
8. Calcular el corte basal resistente de la estructura utilizando
análisis límite y verificando que cumple la expresión:
 Tef  α
Cy = α ⋅ 1 −
 T ≥
 6
 C 
9. Despiezar la estructura de tal manera que se eviten fallas
frágiles a los niveles de deriva prescritos (cortante,
adherencia, aplastamiento por falta de confinamiento, etc.).
La estructura disipa energía en flexión, por lo tanto la
resistencia a cortante debe ser mayor que el cortante que se
desarrolla al presentarse las articulaciones plásticas en los
extremos de los elementos.
V.78

Procedimiento

El procedimiento de diseño consiste en validar los
desplazamientos que se obtienen, sin que lo primordial sea
la resistencia de la estructura.

En un extremo el procedimiento indica, que una estructura
adecuadamente detallada por efectos de confinamiento y
de resistencia al corte por plastificación, puede diseñarse
solo para carga vertical, siempre y cuando sus
desplazamientos estén dentro de niveles tolerables de
deformación y se cumpla un corte basal resistente mínimo.

V.79

V
Generalidades
V.80

Ley 400 de 1997
Decretos 33 y 34 de 1998
Decreto 2809 de 2000
Decreto 52 de 2002
V.81

Reseña histórica
Hasta los 30s:
Normas europeas y estadounidenses
(Requisitos del Joint Committee on
Reinforced Concrete, Antecesor del ACI 318).
Después de los 30s:
Currículo académico basado en textos
estadounidenses, es decir, en el ACI 318.

V.82

Reseña histórica
1974 - Traducción del SEAOC.
1977 -
Traducción autorizada del ACI 318-77.
Comité para código de edificaciones de
hormigón (ICONTEC).
1979 - Traducción del ATC 3-06.

V.83

Reseña histórica
1983 –
ICONTEC publica la norma NTC 2000
(Basada en el ACI 318-77).
Un fuerte temblor afecta Popayán.
La presidencia ordena la elaboración de un
código obligatorio para construcción.
Norma AIS 100-83
• (Basada en AIS 100-81).

V.84

Reseña histórica
1984 – 7 de junio: Promulgación del
Decreto Ley 1400 que adopta el Código
Colombiano de Construcciones Sismo
Resistentes, basado en:
Norma AIS 100-83 (AIS)
NTC 2000 (ICONTEC)
Código de construcciones metálicas
(FEDESTRUCTURAS)

V.85

Reseña histórica
1993 – 1997 - AIS 100-97 (AIS)
1997 –
Proyecto de Ley de los Ministerios del Interior,
Desarrollo (Viceministerio de vivienda), Minas
(Ingeominas) y Transporte.
19 de agosto: Ley 400
Crea la Comisión Permanente para el Régimen
de Construcciones Sismo Resistentes

V.86

Reseña histórica
1998 a 2002 –
Decreto 33 del 9 de enero de 1998.
• Reglamento de la Ley 400 de 1997: Promulgación de
las NSR-98.
Decreto 2809 del 29 de diciembre de 2000.

V.87

Reseña histórica
NSR-98 VS CCCSR-84 –
Modificaciones al reglamento:
• Decretos reglamentarios.
Cinco nuevos títulos:
• G: Estructuras de madera.
• H: Estudios geotécnicos.
• I: Supervisión técnica.
• J: Protección contra el fuego.
• K: Aspectos complementarios.
Reducción del límite de la deriva: 1%
Sistema internacional de unidades.
V.88

¿ Por qué actualizar ?
Actualización de las normas base (ACI,
AISC, etc.).
Enmiendas y complementos.
Lecciones de sismos y otros eventos.
Estado del arte relevante:
Nuevas metodologías.
Desarrollo e investigación nacional e
internacional.

V.89

¿ Quiénes participan ?
Ministerios de Transporte , Desarrollo e Instituto Colombiano de Normas
Interior Técnicas -
Dirección Nacional para la Prevención y ICONTEC
Atención de Desastres Instituto Colombiano de
Instituto de Investigaciones en Productores de
Geociencias, Minería y Química - Cemento - ICPC
INGEOMINAS Asociación Colombiana de
Superintendencia Bancaria Productor de
Departamento Administrativo de Concreto - ASOCRETO
Planeación Distrital de Bogotá D. C. Acerías Paz del Río
Sociedad Colombiana de Ingenieros - SCI Universidad de los Andes
Sociedades Regionales de la Sociedad Universidad Javeriana
Colombiana de Ingenieros Universidad Nacional Bogotá
Sociedad Colombiana de Arquitectos - Universidad Nacional Medellín
SCA Universidad Nacional Manizales
Asociación Colombiana de Ingeniería Universidad del Cauca
Estructural- ACIES Universidad Industrial de Santander
Asociación de Ingenieros Estructurales de Universidad del Quindío
Antioquia Universidad del Valle
Sociedad Colombiana de Geotécnia Universidad Eafit - Medellín
Seccional Colombiana del American y más de 500 profesionales dentro
Concrete Institute - ACI de los que se cuentan ingenieros,
Camacol Nacional arquitectos y abogados.
Camacol Seccionales Antioquia,
Cundinamarca y Valle
V.90

ESQUEMA JURÍDICO

META LEY
(Obligatorio)

V.91

ESQUEMA JURÍDICO

META LEY
(Obligatorio)

Requisitos
de
desempeño
Reglamentación
(Obligatorio)
Criterios de
desempeño

V.92

ESQUEMA JURÍDICO

META LEY
(Obligatorio)

Requisitos
de
desempeño
Reglamentación
(Obligatorio)
Criterios de
desempeño

Verificación Guías y
Soluciones Manuales
Métodos satisfactorias (Opcional)
Procedimientos

ESQUEMA JURÍDICO

META LEY
(Obligatorio)

DISEÑO
Requisitos
de
desempeño
Reglamentación
(Obligatorio)
Criterios de
desempeño

VERIF.
Verificación Soluciones Normas
Métodos satisfactorias (Opcional)
Procedimientos

BASE CONCEPTUAL
Evolución de los métodos de diseño

Básico Alternativo
TENSIONES ADMISIBLES

1920 1940 1960 1980 2000 2020

BASE CONCEPTUAL

SEGURIDAD ESTADOS LÍMITE
Básico
Básico Alternativo

1920 1940 1960 1980 2000 2020

BASE CONCEPTUAL

DISEÑO PLÁSTICO
RESTAURABILIDAD

Básico
Básico Alternativo

1920 1940 1960 1980 2000 2020

BASE CONCEPTUAL
FUNCIONALIDAD, DURABILIDAD
Y SOSTENIBILIDAD DESEMPEÑO

DISEÑO PLÁSTICO
RESTAURABILIDAD

Básico
Básico Alternativo

1920 1940 1960 1980 2000 2020

CÓDIGOS
Códigos actuales:
Guías simples determinísticas
Criterios basados en experiencia
Pobre clasificación ambiental

Relación desempeño/vida útil: Implícita
(~ 50 años)


CÓDIGOS
Codificación basada en desempeño:
Modelos de degradación
Parámetros de materiales
Acciones ambientales detalladas
Cuantificación estadística
Selección de vida útil

Relación desempeño/vida útil: Explícita
Análisis de falla estadístico


CÓDIGOS
¿Simplificación?
Concepción
Especificaciones basadas en complejidad estructural.
Edificios Edificios
Mayoría de edificaciones no complejas.
altos bajos

Procedimientos de diseño
Construcción cronológica
Puentes de
Organización confusagran luz
Metodología pobremente definidas

Viento Sismo

0.001 0.01 0.1 1.0 10
FRECUENCIA, Hz


Ley 400 de 1997
Título I - Objeto y Alcance
Título II - Definiciones
Título III - Diseño y Construcción
• Responsabilidades
• Otros materiales y métodos alternos de diseño y construcción
Título IV - Revisión de los diseños
Título V - Supervisión técnica de la construcción
Título VI - Profesionales
• Calidades y requisitos
• Diseñadores
• Revisores de diseños
• Directores de construcción
• Supervisores técnicos

V.102

Ley 400 de 1997
Título VII - Comisión asesora permanente
para el régimen de construcciones sismo
resistentes
Título VIII - Potestad reglamentaria
• Decretos reglamentarios
• Alcance y temario técnico y científico
Título IX - Responsabilidades y Sanciones
Título X - Disposiciones finales
V.103

CONTENIDO DE LA NSR-98
TITULO TEMA OBSERVACIONES
A REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO Y Actualizado
CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE
B CARGAS Actualizado
C CONCRETO ESTRUCTURAL Actualizado
D MAMPOSTERIA ESTRUCTURAL Actualizado
E CASAS DE UNO Y DOS PISOS Actualizado
F ESTRUCTURAS METALICAS Actualizado
G ESTRUCTURAS DE MADERA Nuevo
H ESTUDIOS GEOTECNICOS Nuevo
I SUPERVISION TECNICA Nuevo
J REQUISITOS PARA FUEGO Nuevo
K OTROS REQUISITOS COMPLEMENTARIOS Nuevo

V.104

CONTENIDO DE LA NSR-09
TITULO TEMA OBSERVACIONES
A REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO Y Actualizado
CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE
B CARGAS Actualizado
C CONCRETO ESTRUCTURAL Actualizado
D MAMPOSTERIA ESTRUCTURAL Actualizado
E CASAS DE UNO Y DOS PISOS Actualizado
F ESTRUCTURAS METALICAS Actualizado
G ESTRUCTURAS DE MADERA Actualizado
H ESTUDIOS GEOTECNICOS Actualizado
I SUPERVISION TECNICA Actualizado
J REQUISITOS PARA FUEGO Actualizado
K OTROS REQUISITOS COMPLEMENTARIOS Actualizado

V.105

REQUISISTOS

SISMICOS

V.106

Sistema de Unidades

V.107

TITULO A

REQUISITOS GENERALES DE
DISEÑO Y CONSTRUCCION
SISMO RESISTENTE

V.108

TITULO A
A.1 - Introducción
A.2 - Zonas de Amenaza Sísmica y
Movimientos Sísmicos de Diseño
A.3 - Requisitos Generales de Diseño
Sismo Resistente
A.4 - Método de la Fuerza Horizontal
Equivalente
A.5 - Método del Análisis Dinámico
A.6 - Requisitos de la Deriva
A.7 - Interacción Suelo-Estructura
V.109

TITULO A
A.8 - Efectos Sísmicos Sobre Elementos que No
Hacen Parte del Sistema de Resistencia
Sísmica
A.9 - Elementos No Estructurales
A.10 - Edificaciones Construidas Antes de la
Vigencia de la Presente Versión del Reglamento
A.11 - Instrumentación Sísmica
A.12 - Requisitos Especiales para Edificaciones
Indispensables del Grupo de Uso IV
A.13 - Definiciones y Nomenclatura
V.110

TITULO A
Apéndice A-1 - Recomendaciones Sísmicas para
Algunas Estructuras que se Salen del Alcance del
Reglamento
Apéndice A-2 - Recomendaciones para el Cálculo de
los Efectos de Interacción Dinámica Suelo-Estructura
Apéndice A-3 - Procedimiento Alterno para la
Definición de los Efectos Locales
Apéndice A-4 - Valores de Aa y Ad y Definición de la
Zona de Amenaza Sísmica de los Municipios
Colombianos
V.111

¿ QUÉ HAY EN EL TÍTULO A ?

V.112

CAPITULO A.1
INTRODUCCIÓN
Defensa de la vida y de la propiedad
Se aclara el procedimiento de diseño
Se amplían el uso de materiales y métodos
alternos de diseño y construcción
Se definen los requisitos para presentación
de planos y memorias
Se definen la idoneidad requerida de
supervisores técnicos, diseñadores y
revisores de diseños. V.113

PROPÓSITO DE LAS NORMAS
El Reglamento establece criterios para la construcción y
diseño de edificaciones que:
puedan verse sometidas a fuerzas sísmicas y otras fuerzas
impuestas por la naturaleza o su uso, con el fin de reducir a
un mínimo el riesgo de la pérdida de la vida.
da requisitos adicionales para que ciertas edificaciones
indispensables para la recuperación posterior a un sismo
puedan seguir funcionando después de su ocurrencia.
además establece procedimientos para defender, en alguna
medida, el patrimonio del Estado y de los ciudadanos.

V.114

PROPÓSITO DE LAS NORMAS

Una edificación diseñada siguiendo los
requisitos de este Reglamento debe ser capaz
de resistir, además de las fuerzas que le impone
su uso, temblores pequeños sin daño,
temblores moderados sin daño estructural,
pero posiblemente, con algún daño en
elementos no estructurales, y un temblor fuerte
sin colapso o pérdida de vidas humanas.

V.115

05 sismo resistencia (1)

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