Interacción sísmica suelo-estructura en edificaciones con cimentaciones superficiales
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Este documento resume los principales temas de investigación del Dr. Genner Villarreal en ingeniería sísmica, incluyendo la interacción suelo-estructura, los modelos dinámicos de interacción, y el cálculo de edificaciones considerando dicha interacción. Presenta diferentes modelos para calcular los coeficientes de rigidez del suelo y realiza un caso de estudio de una edificación de 5 pisos con cimientos superficiales.
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- 1. INTERACCION SISMICA SUELOESTRUCTURA EN EDIFICACIONES CON CIMENTACIONES SUPERFICIALES DR. GENNER VILLARREAL CASTRO DOCTOR (Ph.D) EN INGENIERIA SISMO-RESISTENTE PROFESOR PRINCIPAL EN PREGRADO Y POSTGRADO UPC PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008
- 2. PRINCIPALES AREAS DE INVESTIGACION SISMICA • METODOS ESTADISTICOS (PROBABILISTICOS) → sismos son procesos eventuales no estacionarios • INTERACCION SUELOESTRUCTURA → contacto dinámico entre la base y la estructura
- 3. i • NO-LINEALIDAD GEOMETRICA Y FISICA → diagramas no-lineales desplazamientodeformación (geométrica) y esfuerzo-deformación (física) • TRABAJO ESPACIAL Y MULTIPLES COMPONENTES DE ACCION SISMICA Módulo Tangencial de Paso i
- 4. Base empotrada Base aislada junta sísmica DAÑOS EN EDIFICACIONES CON Y SIN AISLAMIENTO SISMICO
- 5. Aceleración espectral (g) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Periodo (seg) EFECTO DEL AISLAMIENTO EN LAS DEMANDAS SISMICAS DE RESISTENCIA
- 6. MODELOS DINAMICOS DE INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA mn m2 .. X20 m1 .. X10 Péndulo invertido
- 7. mn mk Dx m1 Kx D K Rayanna B., Munirudrappa N. (India)
- 8. m1 m2 m3 Kobori T. y otros (Japón)
- 9. mn mk m4 m1 .. X (t) m5 m6 m2 m3 .. X (t + t 1) .. X (t + t2) Onen Y.H., Tomas M.S. (Turquía)
- 11. mj knk 2 kj m nk 2 mnk 2 knk 2 k 2 k 2 m0 k0 Ukleba D.K. (Uzbekistán)
- 12. x2 X2 c 0 x3 x1 X1 X3 Nikolaenko N.A., Nazarov Yu.P. (Rusia)
- 13. Giróscopo vertical libre o sistema vertical de cuerpos sólidos unidos elásticamente
- 14. MODELO DINAMICO DE INTERACCION SISMICA SUELO-CIMENTACION SUPERFICIAL-SUPERESTRUCTURA
- 15. COEFICIENTES DE RIGIDEZ 1. MODELO D.D. BARKAN – O.A. SAVINOV K z Cz A K x Cx A K C I
- 16. 2(a b) C z C0 1 . . A 0 2(a b) C x D0 1 . . A 0 2(a 3b) C C0 1 . . A 0
- 17. 2. MODELO NORMA RUSA SNIP 2.02.05-87 K z Cz A K x Cx A K C I K C I
- 18. C z b0 E 1 A10 A C x 0,7C z C 2C z C C z
- 19. E z 6 C z pm x 0,6 z 0,5 z 0,3 z
- 20. CALCULO DE EDIFICACIONES CON PLATEAS DE CIMENTACION SOBRE BASES ELASTICAS Modelo de Winkler E. Solo un estrato de suelo: q E1 C1 h1 1 2 12 Para dos estratos de suelo: C1 C1 1 h1 h2 2 2 1 2 1 1 2 2 E1 E2
- 21. Modelo de Pasternak P.L. Solo un estrato de suelo: C1 E1 h1 1 2 12 q C2 E1 h1 C2 61 1 C2 C1 •Para dos estratos de suelo: C1 C2 1 h1 h 2 2 1 2 1 2 1 2 2 E1 E2 1 61 2 2 E1h1 E h 2 3 3 2 2 2 2 1 2 1 1
- 22. Modelo del Semiespacio Elástico E z ( ( .hk ) zpk zpk .hk Ek ) (vk . hk ) Vz Hc C1 Ek H c (1 Vs ) 2 Ek H c C2 6 (1 Vs ) Cabe indicar que el programa LIRA 9.2 ofrece la posibilidad de realizar dicho calculo.
- 23. OBJETO DE INVESTIGACION Características de la edificación Edificación típica de 5 pisos, con sistema estructural aporticado Altura de entre piso 3.5m Columnas 50 x40cm Vigas Sentido en “X” (40x60cm) Sentido en “Y” (50 x60cm) Losas 1er al 4to piso (20cm) 5to piso (18cm) Sobrecarga 200 kg/m2
- 24. CARACTERISTICAS DEL SUELO Primer estrato: Arcilla Arenosa: A 1m : E = 3100 T/m2 ν = 0,24 A 2m : E = 3350 T/m2 ν = 0,25 A 3m : E = 3 650 T/m2 ν = 0,27 A 4m : E = 3900 T/m2 ν = 0,28 Segundo Estrato : Arena Densa A 5m : E = 6400 T/m2 ν = 0,30 A 6m : E = 7500 T/m2 ν = 0,31 A 7m : E = 8500 T/m2 ν = 0,33 A 8m : E = 9600 T/m 2 ν = 0,34
- 25. COFICIENTES DE RIGIDEZ UN ESTRATO DOS ESTRATOS MODELO C1 C2 C1 C2 WINKLER 1011,79 - - - PASTERNAK 1011,79 1851,85 721,55 4756,41 SEMIESPACIO ELASTICO 956,58 1773,06 726,49 3418,67 Se dividió la platea en elementos de 1,0 m x 1,0 m
- 30. COMPARACIÓN ENTRE TIPO DE SUELOS Características del suelo: SUELO FLEXIBLE Primer estrato: A 1m : E = 500 T/m2 ν = 0,17 A 2m : E = 650 T/m2 ν = 0,18 A 3m : E = 800 T/m2 ν = 0.20 A 4m : E = 950 T/m2 ν = 0,21 SUELO INTERMEDIO Primer estrato: A 1m : E = 3100T/m2 ν = 0,24 A 2m : E = 3350 T/m2 ν = 0,25 A 3m : E = 3650 T/m2 ν = 0,27 A 4m : E = 3900 T/m2 ν = 0,28 SUELO RIGIDO Primer estrato: A 1m : E = 9000 T/m2 ν = 0,30 A 2m : E = 10500 T/m2 ν = 0,31 A 3m : E = 13500 T/m2 ν = 0,33 A 4m : E = 15000 T/m2 ν = 0,34
- 31. COMPARACIÓN ENTRE TIPO DE SUELOS SUPERESTRUCTURA Desplazamientos en X (mm) 90 80 70 60 50 40 30 20 FLEXIBLE INTERMEDIO DESPLAZAMIENTOS RIGIDO
- 32. COMPARACIÓN ENTRE TIPO DE SUELOS SUBESTRUCTURA Asentamientos en Z (mm) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 FLEXIBLE INTERMEDIO ASENTAMIENTOS RIGIDO
- 33. CALCULO DE EDIFICIO APORTICADO DE 5 PISOS CON ZAPATAS AISLADAS, CONSIDERANDO LA INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA 5000 5000 5000 400 600 5000 1 6000 6000 1
- 36. Edificación sin interacción suelo-estructura
- 37. Edificación con interacción suelo-estructura
- 38. 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 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 Períodos de vibración (s) 1 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Formas de vibración Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa
- 39. NORMA PERUANA E030-2003 (α=00) Desplazamiento máximo (mm) N FUERZAS INTERNAS Modelo dinámico Xmáx Ymáx Nmáx (T) Vmáx (T) Mmáx (T.m) Mt,máx (T.m) 1 Común 1,38 (P.5) 12,04 (P.5) 10,20 (21) 4,23 (56,66) 10,69 (56,66) 0,19 (varios) 2 Barkan 1,59 (P.5) 12,68 (P.5) 9,42 (1) 4,02 (56,66) 10,55 (56,66) 0,19 (varios) 3 Ilichev 1,77 (P.5) 14,94 (P.5) 7,67 (1) 3,51 (61) 10,15 (56,66) 0,19 (varios) 4 Sargsian 1,72 (P.5) 14,83 (P.5) 7,81 (1) 3,58 (61) 10,16 (56,66) 0,19 (varios) 5 Norma Rusa 1,65 (P.5) 13,03 (P.5) 9,11 (1) 3,92 (56,66) 10,46 (56,66) 0,19 (varios)
- 40. Desplazamiento en el eje OY (mm) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 45 90 Angulo de inclinación del sismo Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS (50 PISO)
- 41. 14 Fuerza axial (T) 12 10 8 6 4 2 0 0 45 90 Angulo de inclinación del sismo Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa
- 42. Momento flector (T.m) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 45 90 Angulo de inclinación del sismo Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa
- 44. ACELEROGRAMA DE LIMA Desplazamiento máximo (mm) N FUERZAS INTERNAS Modelo dinámico Xmáx Ymáx Nmáx (T) Vmáx (T) Mmáx (T.m) Mt,máx (T.m) 1 Común 2,43 (P.5) 17,41 (P.5) 21,30 (21) 11,19 (56) 25,54 (56) 0,36 (varios) 2 Barkan 2,52 (P.5) 17,79 (P.5) 20,51 (1) 10,54 (56) 21,28 (56) 0,35 (varios) 3 Ilichev (sin disipación) 3,55 (P.5) 23,97 (P.5) 15,55 (1) 7,38 (61) 15,01 (56) 0,33 (varios) 4 Ilichev (con disipación) 3,36 (P.5) 23,13 (P.5) 15,86 (1) 7,49 (61) 15,42 (56) 0,33 (varios) 5 Sargsian 3,29 (P.5) 22,73 (P.5) 16,02 (1) 7,65 (61) 15,64 (56) 0,34 (varios) 6 Norma Rusa (sin disipación) 2,68 (P.5) 18,59 (P.5) 19,08 (1) 9,60 (56) 19,63 (56) 0,35 (varios) 7 Norma Rusa (con disipación) 2,66 (P.5) 18,19 (P.5) 19,49 (1) 9,89 (56) 20,47 (56) 0,35 (varios)
- 45. PROGRAMA LIRA v. 9.0
- 46. 10 5 7 4 8 1 9 2 Z 6 Y 3 X K traslacional EA l 3EI K rotacional l
- 47. NORMA RUSA SNIP II-7-81* Desplazamiento máximo (mm) N FUERZAS INTERNAS Modelo dinámico Xmáx Ymáx Nmáx (T) Vmáx (T) Mmáx (T.m) Mt,máx (T.m) 1 Común 1,59 (P.5) 14,14 (P.5) 18,14 (21) 7,47 (56,66) 19,97 (56,66) 0,23 (varios) 2 Barkan 1,78 (P.5) 15,47 (P.5) 17,85 (1) 6,80 (56,66) 18,79 (56,66) 0,23 (varios) 3 Ilichev 2,45 (P.5) 20,45 (P.5) 15,05 (1) 5,00 (61) 14,04 (56,66) 0,23 (varios) 4 Sargsian 2,36 (P.5) 19,82 (P.5) 15,22 (1) 5,22 (61) 14,42 (56,66) 0,23 (varios) 5 Norma Rusa 1,89 (P.5) 16,29 (P.5) 17,52 (1) 6,58 (56,66) 18,57 (56,66) 0,23 (varios)
- 48. Desplazamiento en el eje OY (mm) 25 20 15 10 5 0 Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa Modelos dinámicos Norma Peruana E030-2003 Norma Rusa SNIP II-7-81* Acelerograma de Lima Acelerograma de Moyobamba DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS (50 PISO)
- 49. 25 N (T) 20 15 10 5 0 Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa Modelos dinámicos Norma Peruana E030-2003 Norma Rusa SNIP II-7-81* Acelerograma de Lima Acelerograma de Moyobamba
- 50. 30 M (T.m) 25 20 15 10 5 0 Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa Modelos dinámicos Norma Peruana E030-2003 Norma Rusa SNIP II-7-81* Acelerograma de Lima Acelerograma de Moyobamba
- 52. 17500 14000 10500 7000 3500 -1000 11249 21926 32603 43281 53958 Misses EDIFICACION SIN INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA
- 53. 17500 14000 10500 7000 3500 -1000 8670 16761 24862 32943 41034 Misses EDIFICACION POR EL MODELO D.D. BARKAN – O.A. SAVINOV
- 54. 17500 14000 10500 7000 3500 -1000 7272 13978 20684 27390 34096 Misses EDIFICACION POR EL MODELO V.A. ILICHEV
- 56. •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 BARKAN * Para el cálculo estructural se debe exigir el ANALISIS TIEMPO-HISTORIA, siendo el ANALISIS ESPECTRAL referencial.
- 57. * El efecto de flexibilidad de la base de fundación será muy notorio en edificios con suelo blando * Se debe de incorporar en la Norma Peruana el efecto de INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA