Analisis sismico dinamico espectral con iteracion suelo-estructura metodo Barkan con sap2000 v17

1. DISEÑO SISMICO DE EDIFICACIONES
INTERACCIÓN SISMICA SUELO-ESTRUCTURA EN EDIFICACIONES CON
CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Se Tiene una edificación de 5 pisos y destinada para aulas de centro educativo, proyectada en la
población de Tumbaco, provincia del Pichincha, con sistema estructural aporticado, tal como se
muestra en la figura y con altura de entrepiso de 4 m. Realice un análisis de Interacción Suelo-
Estructura, considerando el suelo de perfil de roca de rigidez media y:
Resistencia a la compresión del concreto f´c = 2800T/m2
Modulo de elasticidad del concreto , Ec = 2509980,08T/m2
Coeficiente de Poisson del concreto µc = 0,2
Profundidad de desplante (contacto con zapata) 1m
Columnas esquineras de 1m x 1m x 0,5m
Columnas centradas y excéntricas de 60cm x 70cm
Vigas longitudinales y transversales de 45cm x 50cm
Zapatas esquineras 2,2m x 2,2m x 0,6m
Zapatas centradas 2,2m x 2,2m x 0,8m
Zapatas Excéntricas 1,8m x 1,8m x 0,6m
Cc fE ´15000

2. Coeficiente de Poisson del suelo µs = 0,35
Se pide:
i. Calcular las masas de las zapatas.
ii. Calcular las masas rotacionales de las zapatas.
iii. Determinar los coeficientes de rigidez para el modelo dinámico Barkan D.D.
iv. Modelar con el SAP2000 y determinar los 8 primeros periodos de vibración.
v. Efectuar el control de desplazamientos laterales para ambas direcciones.
vi. Determinar las fuerzas internas maximas, indicando los elementos en los cuales surgen dichas
fuerzas internas.
vii. Comparar los resultados obtenidos del análisis sísmico estático, del análisis dinámico espectral y
la Interacción suelo-estructura.
viii. Comparar los periodos y desplazamientos obtenidos del análisis sísmico estático, del análisis
dinámico espectral, y la Interacción suelo-estructura.

3. SOLUCIONARIO
i. Calcular las masas traslacionales de las zapatas.
del libro “Interacción suelo-estructura en edificios altos” del Ph.D. Genner Villarreal Castro, para calcular
masas de cimentaciones tipo cabezal con pilotes, plateas de cimentación y zapatas aisladas, teniendo en
consideración que en los dos primeros casos se considerará como placa rectangular delgada, debido a que
la proporción de dos de sus lados respecto al tercero es muy grande. En cambio, para el caso de zapatas
aisladas, debe considerarse como paralelepípedo rectangular. Ahora, calculamos las masas traslacionales
respecto a los ejes centroidales X, Y, Z y las masas rotacionales respecto a los ejes de contacto suelo-
zapata, indicados como X’, Y’, Z’
g
cba
g
V
g
P
MMMM czapataczapata
zyxt
.... 

zapataP : Peso de la zapata.
cba ,, : Dimensiones de la zapata.
3
/4,2 mTc  : Peso especifico del hormigón.
2
/81,9 smg  : Aceleración de la gravedad
msTMMMM zyxt /.7105,0
81,9
6,0.2,2.2,2.4,2 2

ZAPATA a (m) b (m) c (m) g (m/s2
) ϒc (T/m3
) Mx=My=Mz (T.s2
/m)
ESQUI. (Z1) 2,2 2,2 0,6 9,81 2,4 0,7105
EXCEN. (Z2) 1,8 1,8 0,6 9,81 2,4 0,4756
CENTR. (Z3) 2,2 2,2 0,8 9,81 2,4 0,9473

4. ii. Calcular las masas rotacionales de las zapatas.
 
122
222
2
'
cbMc
MIdMM t
tmxtx








 
122
222
2
'
caMc
MIdMM t
tmyty








 
12
22
'
baM
IM t
mzz


d : distancia desde el centro de gravedad de la masa de la zapata hasta la superficie de contacto
con el suelo de fundación.
mzmymx III ,, : momentos de inercia de masa respecto a X, Y, Z
Para el modelo dinámico Barkan D.D. no es necesario calcular el momento 'zM debido a que se
debe de restringir la rotación en Z, pero lo realizamos con la intención que el lector pueda aplicarlo a otro
modelo dinámico. Las masas traslacionales y rotacionales deben asignarse en el centroide de cada zapata.
 
122
222
2
'
cbMc
MIdMM t
tmxtx








  msTM x ..3718,0
12
6,02,27105,0
2
6,0
7105,0 2
222
' 








 
122
222
2
'
caMc
MIdMM t
tmyty








  msTM y ..3718,0
12
6,02,27105,0
2
6,0
7105,0 2
222
' 








 
12
22
'
baM
IM t
mzz


  msTM z ..5731,0
12
2,22,27105,0 2
22
' 


ZAPATA a (m) b (m) c (m) Mt (T.s2
/m) Mϕx' (T.s2
.m) Mϕy' (T.s2
.m) Mψz' (T.s2
.m)
ESQUI. (Z1) 2,2 2,2 0,6 0,7105 0,3718 0,3718 0,5731
EXCEN. (Z2) 1,8 1,8 0,6 0,4756 0,1855 0,1855 0,2568
CENTR. (Z3) 2,2 2,2 0,8 0,9473 0,5842 0,5842 0,7641

5. iii. Determinar los coeficientes de rigidez para el modelo dinámico Barkan D.D.
De acuerdo al libro “Interacción sísmica suelo-estructura en edificaciones con zapatas aisladas” del Ph.D.
Genner Villarreal Castro.
MODELO DINAMICO DE INTERACCION SISMICA SUELO-CIMENTACION SUPERFICIAL-
SUPERESTRUCTURA.
MODELO DINAMICO D.D. BARKAN – O.A. SAVINOV
para determinar los coeficientes de rigidez de las cimentaciones, el científico ruso D.D. Barkan en el año
1948 propuso utilizar las siguientes expresiones:
ACK zz 
ACK xx 
ICK  
Donde:
yx CC  : Coeficiente de desplazamiento elástico uniforme.
CCz  : Coeficiente de compresión elástica uniforme y no uniforme.
A : Área de la base de la cimentación.
I : Momento de inercia de la base de la cimentación respecto al eje principal, perpendicular al plano de
vibración.
los coeficientes de compresión y desplazamiento de la base en el modelo D.D. Barkan-O.A. Savinov es:
 
o
oz
A
ba
CC











.
2
1

6.  
o
ox
A
ba
DC











.
2
1
 
o
o
A
ba
CC


 








.
32
1
Donde:
00 ,DC : Coeficiente determinados atravez de experimentos realizados para 0  .
ba, : Dimensiones de la cimentación en el plano.
 : Coeficiente empírico, asumido para cálculos prácticos igual a 1
1 
 m .
 : Coeficiente de Poisson.
2
0 /2,0 cmkg .
 : Presión estática.
Pesos Sísmicos.
PISOS
W=D
(T)
5 252,893
4 252,893
3 252,893
2 252,893
1 271,181
Σ 1282,75
ZAPATA
a
(m)
b
(m)
c
(m)
# Zapatas
ϒc
(T/m3
)
Pzapata
(T)
Pedificio
(T)
Azapata
(m2
)
ρ
(T/m2
)
ESQUI. (Z1) 2,2 2,2 0,6 4 2,4 27,88
1282,75
19,36
23,01EXCEN. (Z2) 1,8 1,8 0,6 8 2,4 37,32 25,92
CENTR. (Z3) 2,2 2,2 0,8 3 2,4 27,88 14,52
Σ 93,08 59,8
22
/301,2/01,23
8,59
08,9375,1282
cmkgmT
A
PP
zapata
zapataedificio






7. Perfil de roca de rigidez media
35,0s
3
/6,2 cmkgCo  Tabla 2.1
oo CD


5,01
1



3
/048,26,2.
35,0.5,01
35,01
cmkgDo 



 
o
oyx
A
ba
DCC











.
2
1
  3
/576,19
2,0
301,2
2,2,2,2,1
2,22,22
1048,2 cmkgCC yx 




 

 
o
oz
A
ba
CC











.
2
1

8.   3
/852,24
2,0
301,2
2,2.2,2.1
2,22,22
16,2 cmkgCz 




 

 
o
ox
A
ba
CC


 








.
32
1
  3
/885,40
2,0
301,2
2,2.2,2.1
2,2.32,22
16,2 cmkgC x 




 

 
o
oy
A
ab
CC


 








.
32
1
  3
/885,40
2,0
301,2
2,2.2,2.1
2,2.32,22
16,2 cmkgC y 




 

ZAPATA
a
(m)
b
(m)
Azapata
(m2
)
ρ
(kg/cm2
)
ρ0
(kg/cm2
)
C0
(kg/cm3
)
Δ
(m-1
)
Cϕx
(kg/cm3
)
Cϕy
(kg/cm3
)
ESQUI. (Z1) 2,2 2,2 4,84 2,301 0,2 2,6 1 40,885 40,885
EXCEN. (Z2) 1,8 1,8 3,24 2,301 0,2 2,6 1 48,011 48,011
CENTR. (Z3) 2,2 2,2 4,84 2,301 0,2 2,6 1 40,885 40,885
ACKK xyx 
mTKK yx /11,9474684,4.19576 
ACK zz 
mTKz /14,12028384,4.24852 
ZAPATA Azapata (m2
)
Cx = Cy
(T/m3
)
Cz
(T/m3
)
Kx = Ky
(T/m)
Kz
(T/m)
ESQUI. (Z1) 4,84 19576 24852 94746,11 120283,14
EXCEN. (Z2) 3,24 22382 28415 72518,28 92064,22
CENTR. (Z3) 4,84 19576 24852 94746,11 120283,14
ZAPATA
a
(m)
b
(m)
Azapata
(m2
)
ρ
(kg/cm2
)
ρ0
(kg/cm2
)
D0
(kg/cm3
)
C0
(kg/cm3
)
Δ
( m-1
)
Cx = Cy
(kg/cm3
)
Cz
(kg/cm3
)
ESQUI. (Z1) 2,2 2,2 4,84 2,301 0,2 2,048 2,6 1 19,576 24,852
EXCEN. (Z2) 1,8 1,8 3,24 2,301 0,2 2,048 2,6 1 22,382 28,415
CENTR. (Z3) 2,2 2,2 4,84 2,301 0,2 2,048 2,6 1 19,576 24,852

9. xxx ICK  
mTK x /69,79813
12
2,2.2,2
.40885
3

yyy ICK  
mTK y /69,79813
12
2,2.2,2
.40885
3

ZAPATA
a
(m)
b
(m)
Cϕx
(T/m3
)
Cϕy
(T/m3
)
Kϕx
(T/m)
Kϕy
(T/m)
ESQUI. (Z1) 2,2 2,2 40885 40885 79813,69 79813,69
EXCEN. (Z2) 1,8 1,8 48011 48011 42000,33 42000,33
CENTR. (Z3) 2,2 2,2 40885 40885 79813,69 79813,69
iv. Modelar con el SAP2000 y determinar los 8 primeros periodos de vibración.
Abrimos el archivo A.S.E.-Tumbaco-Espectral
Ahora guardamos el archivo con el nombre A.S.E.-Tumbaco-Barkan-Espectral
E ingresamos los datos necesarios.

10. 1. Eliminar las restricciones de empotramiento en la base.
Marcamos todos los empotramientos.

11. Hacemos ok y tendremos todos los nudos de restricciones libres.

12. 2. Generar las zapatas.
Las zapatas esquineras y perimetrales están con desplante de 1m más la mitad del espesor de la Zapata de
60 cm. En Z grid data ingresamos el valor de Z = -1,3.

13. Hacemos ok dos veces.
Las zapatas centradas están con desplante de 1m más la mitad del espesor de la Zapata de 80 cm. En Z
grid data ingresamos el valor de Z = -1,4.
Hacemos ok dos veces.
Para las zapatas centradas se tendrán zapatas de 2,2m x 2,2m

14. Se van a crear nuevas grillas de X = 1,1, X = -1,1 y en Y = 1,1, Y = -1,1 para crear las zapatas cuadradas
de 2,2m.
Hacemos ok dos veces.
Ahora vamos dibujar las zapatas
Escogemos la opción Draw Rectangular Area, marcamos dos nudos opuestos y tendremos dibujados la
zapata como se muestra en la figura.

15. Marcamos el elemento shell y vamos dividir en cuatro regiones.
Hacemos ok y tendremos la siguiente figura.

16. Ahora procedemos a dibujar las dos zapatas centradas que faltan siguiendo el siguiente procedimiento.

17. Hacemos Ok.

18. Hacemos ok.
Una vez dibujados las zapatas centradas, ahora vamos a proceder a dibujar las zapatas esquineras.
Creamos nuevas grillas en X = -6,1, X = -3,9, Y = -6,9, Y = -9,1 para poder dibujar las zapatas cuadradas
de 2,2m x 2,2m.

19. Hacemos ok dos veces.
Bajamos al nivel Z = -1,3 para dibujar las zapatas esquineras, creamos el elemento shell para la zapata
esquinera y después dividimos para cuatro regiones como se hizo con las zapatas centradas.
Ahora vamos a dibujar las tres zapatas esquineras que faltan.
Siguiendo el siguiente procedimiento.
Para dibujar la zapata del eje A5 que se encuentra ubicado a 16 mts de la zapata A1, en dy = 16.

20. Hacemos ok y tendremos dibujado la zapata del eje A5.
Para dibujar las zapatas del eje C5 y C1 replicamos las zapatas A1 y A5 hasta la distancia de 10 mts
en dx = 10.

21. Hacemos Ok y tendremos dibujados todas las columnas esquineras.
Para las zapatas perimetrales tendremos X= - 5,9, X = -4,1, Y = -3,1, Y = -4,9.

22. Hacemos ok dos veces y tendremos las nuevas rejillas para las zapatas perimetrales.
Dibujamos la zapata del eje A2 y dividimos el elemento shell como en los pasos anteriores.

23. Ahora vamos dibujar las zapatas de los ejes A3 y A4.

24. Procedemos a dibujar las zapatas de los ejes C2, C3 y C4.
Hacemos ok.

25. Dibujar la zapata B1.
Hacemos ok y tendremos dibujado la zapata B1.

26. Por último dibujamos la zapata B5.
Hacemos ok y tendremos dibujado la zapata B1.

27. 3. Definir Material.

28. Las zapatas se van a considerar infinitamente indeformable por eso su modulo de elasticidad es E = 9E8 y
el modulo de poisson µ = 0,05.

29. Hacemos ok dos veces y tenemos definido el material como infinitamente indeformable.
4. Definir secciones.
De las zapatas tanto para las zapatas esquineras, perimetrales, y centradas.

30. Las zapatas esquineras y perimetrales son de espesor de 60 cm
Las zapatas centradas son de 80 cm de espesor.

31. Hacemos ok dos veces y quedan definidas las secciones de las zapatas.
Asignamos las secciones a las zapatas esquineras y perimetrales como se muestran a continuación.

32. Hacemos ok
Para las zapatas centradas se procede de la misma forma.

33. Hacemos ok y tendremos asignado las secciones para las zapatas centradas.
5. Asignar masas.
ZAPATA Mt (T.s2
/m) Mϕx' (T.s2
.m) Mϕy' (T.s2
.m) Mψz' (T.s2
.m)
ESQUI. (Z1) 0,7105 0,3718 0,3718 0,5731
EXCEN. (Z2) 0,4756 0,1855 0,1855 0,2568
CENTR. (Z3) 0,9473 0,5842 0,5842 0,7641

34. Marcamos los centroides de las zapatas esquineras, y asignamos sus masas. Como se muestra a
continuación.
Hacemos ok y tendremos definido sus masas.
Para las zapatas perimetrales se procede de la misma forma.

35. Hacemos ok y tendremos asignados sus masas.
De la misma forma se procede con las zapatas centradas.

36. Hacemos ok y tendremos asignado sus masas.

37. 6. Coeficiente de Rigidez.
ZAPATA
Kx = Ky
(T/m)
Kz
(T/m)
Kϕx
(T/m)
Kϕy
(T/m)
ESQUI. (Z1) 94746,11 120283,14 79813,69 79813,69
EXCEN. (Z2) 72518,28 92064,22 42000,33 42000,33
CENTR. (Z3) 94746,11 120283,14 79813,69 79813,69
Marcamos los centros de gravedad de las zapatas esquineras e introducimos sus coeficientes de rigidez.

38. Hacemos ok, y tenemos asignados sus coeficientes de rigidez para las zapatas esquineras.
De la misma forma se procede para las zapatas perimetrales.

39. Hacemos Ok.
Para las zapatas céntricas de la misma manera.

40. Hacemos ok. Y tendremos asignados todos los coeficientes de rigidez.
7. Restringir los centros de gravedad de las zapatas.
Marcamos todos los centros de masas de las zapatas
Restringimos el giro alrededor del eje vertical.

41. Hacemos ok.
Hacemos click en el centro de masa de la zapata que corresponde al nudo 25 y podemos observar sus
masas, masas rotacionales, coeficientes de rigidez y giro alrededor del eje vertical.
Con todos los datos ingresados procedemos a correr el modelo.

42. Primer modo.
Segundo modo.

43. Tercer modo.
Cuarto modo.

44. Quinto modo.
Sexto modo.

45. Séptimo modo.
Octavo modo.

46. MODO PERIODO (Seg)
1 0,9673
2 0,8685
3 0,6552
4 0,2763
5 0,2578
6 0,1875
7 0,1310
8 0,1282
v. Efectuar el control de desplazamientos laterales para ambas direcciones.
Desplazamiento en X.
PISO
Dx
(cm)
Altura
(cm)
Deriva en X NEC (0,020)
5 25,18 400 0,0081 Si
4 21,94 400 0,0110 Si
3 17,53 400 0,0136 Si
2 12,09 400 0,0148 Si
1 6,15 500 0,0123 Si

47. Desplazamiento en Y.
PISO
Dy
(cm)
Altura
(cm)
Deriva en Y NEC (0,020)
5 19,82 400 0,0055 Si
4 17,61 400 0,0080 Si
3 14,39 400 0,0104 Si
2 10,24 400 0,0119 Si
1 5,49 500 0,0110 Si
La estructura es estable en las dos direcciones.

48. vi. Determinar las fuerzas internas máximas, indicando los elementos en los cuales surgen
dichas fuerzas internas.
Fuerza Axial Máximo debido al Sismo X.
Fuerza Axial Máximo debido al Sismo Y.

49. Fuerza Cortante Máximo debido al Sismo X.
Momento Máximo debido al Sismo X.

50. Fuerza Cortante Máximo debido al Sismo Y.
Momento Máximo debido al Sismo Y.

51. Desplazamiento
y fuerza interna
Barkan D.D.
(Sismo X+)
Barkan D.D.
(Sismo Y+)
Xmax (Edificio) 25,18cm -
Ymax (Edificio) - 19,82cm
Nmax 41,24T 45,31T
Vmax 18,10T 17,33T
Mmax 81,84T-m 70,87T-m
vii. Comparar los resultados obtenidos del análisis sísmico estático, del análisis dinámico
espectral y la Interacción suelo-estructura.
Desplazamiento
y fuerza interna
Estático
(Sismo X+)
Estático
(Sismo Y+)
Espectral
(Sismo X+)
Espectral
(Sismo Y+)
Barkan D.D.
(Sismo X+)
Barkan D.D.
(Sismo Y+)
Xmax (Edificio) 31cm - 23,41cm - 25,18cm -
Ymax (Edificio) - 24,49cm - 18,49cm - 19,82cm
Nmax 49,16T 75,21T 41,40T 47,75T 41,24T 45,31T
Vmax 27,55T 26,49T 22,46T 22,71T 18,10T 17,33T
Mmax 144,39T-m 125,41T-m 114,32T-m 105,50T-m 81,84T-m 70,87T-m
viii. Comparar los periodos y desplazamientos obtenidos del análisis sísmico estático, del análisis
dinámico espectral, y la Interacción suelo-estructura.
PISO
DESPLAZAMIENTO EN X (cm) DESPLAZAMIENTO EN Y (cm)
Estático Espectral Barkan D.D. Estático Espectral Barkan D.D.
1 5,62 4,4 6,15 5,06 3,98 5,49
2 13,1 10,11 12,09 11,14 8,65 10,24
3 20,46 15,61 17,53 16,84 12,9 14,39
4 26,56 20,11 21,94 21,38 16,22 17,61
5 31 23,41 25,18 24,49 18,49 19,82

52. MODO
PERIODO (seg)
Espectral Barkan D.D.
1 0,8919 0,9673
2 0,8008 0,8685
3 0,5987 0,6552
4 0,2564 0,2763
5 0,2401 0,2578
6 0,1715 0,1875
7 0,1230 0,1310
8 0,1212 0,1282
1 2 3 4 5
Estático 5,62 13,1 20,46 26,56 31
Espectral 4,4 10,11 15,61 20,11 23,41
Barkan D.D. 6,15 12,09 17,53 21,94 25,18
0
5
10
15
20
25
30
35
DESPLAZAMIENTO(cm)
DESPLAZAMIENTO EN X
1 2 3 4 5
Estático 5,06 11,14 16,84 21,38 24,49
Espectral 3,98 8,65 12,9 16,22 18,49
Barkan D.D. 5,49 10,24 14,39 17,61 19,82
0
5
10
15
20
25
30
DESPLAZAMIENTO(cm)
DESPLAZAMIENTO EN Y

53. ANALISIS COMPARATIVO
Como se podrá apreciar, el efecto de interacción suelo-estructura incrementa los períodos de vibración y
los desplazamientos laterales, haciendo más exigente el control de derivas de entrepisos. Esto se debe, a
que el cimiento se desplaza lateralmente, verticalmente y gira alrededor de sus ejes.
Respecto a las fuerzas internas, el efecto de interacción suelo-estructura reduce en ambas direcciones la
fuerza axial, fuerza cortante y momento flector. Esto se debe, a que la cimentación
absorbe parte de la energía del sismo y transmite una menor cantidad a ser disipada por la
superestructura.
Un comentario especial merece el caso del momento flector, considerando la interacción suelo-estructura,
porque en ambas direcciones los valores máximos surgen en la conexión columna-viga,
lo que nos hace pensar que para este edificio será necesario efectuar un análisis adicional de posible
aparición de rótula plástica en dicha zona, debido a su concentración de esfuerzos.
1 2 3 4 5 6 7 8
Espectral 0,8919 0,8008 0,5987 0,2564 0,2401 0,1715 0,123 0,1212
Barkan D.D. 0,9673 0,8685 0,6552 0,2763 0,2578 0,1875 0,131 0,1282
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
DESPLAZAMIENTO(cm)
PERIODO (Seg)