Ingeniería Civil (Mag.)

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Comportamiento de edificaciones prefabricadas de concreto con arriostramientos de acero
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-07-17) Sedano Cabrera, Jhonatan Christian; Asmat Garaycochea, Christian Alberto
En el Perú, el déficit de viviendas es considerable (11.2%); asimismo, la respuesta estatal ante emergencias ha sido lenta e ineficiente, muestra de lo descrito fue la lenta reconstrucción de viviendas afectadas en el sismo de Ica de 2007 (90% de avance en 10 años), o la reconstrucción de viviendas e infraestructura general producto del Fenómeno del Niño del 2017, aún en ciernes. Así, lo descrito abre el abanico en cuanto a la exploración de alternativas constructivas que demuestren eficiencia estructural y económica para contribuir a la brecha inmobiliaria existente, y mejorar la respuesta estatal ante emergencias. Los prefabricados, por sus características inherentes, proveen eficiencia, rapidez y economía a la construcción; asimismo, en experiencias pasadas, se observó un comportamiento favorable ante solicitaciones sísmicas. No obstante, fueron recopilados puntos a mejorar como la formación de diafragma, la distribución de las líneas resistentes ante cargas laterales, entre otros. El presente trabajo de investigación pretende aportar a la promoción de la estructuración con elementos prefabricados, para contribuir de algún modo a cubrir el vacío que la normativa peruana tiene con la estructuración de estos elementos; al considerarlos solo como sistemas no convencionales. Para ello, se propuso la estructuración de un edificio de departamentos unifamiliares con dos alternativas: la primera, con elementos de concreto armado, y la segunda, con prefabricados de concreto con arriostramientos de acero ASTM A500 como parte del sistema resistente ante fuerzas laterales; y se realizó un comparativo de su desempeño estructural utilizando análisis estático y dinámico no lineal. Los resultados obtenidos muestran que la estructuración con prefabricados de concreto y arriostramientos de acero exhibe un buen desempeño ante sismos raros (Tr= 475 años); y que, además, ostenta un mecanismo de falla dúctil, en una variante del mecanismo viga débil-columna fuerte.
Disposiciones sísmicas de diseño y análisis en base a desempeño aplicables a edificaciones de concreto armado
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-09-29) Asmat Garaycochea, Christian Alberto; Zegarra Ciquero, Luis Antonio
La ingeniería sismo resistente ha seguido un desarrollo importante en los procedimientos de análisis sísmico en los últimos años. Uno de los principales factores que sustentan este desarrollo es la aparición de herramientas computacionales que permiten realizar cálculos más complejos. Sin embargo, a lo largo de este desarrollo, se han presentado sismos de gran magnitud que nos obligan a cuestionar los métodos empleados y la necesidad de investigar sobre el comportamiento completo de las estructuras ante sismos severos. El análisis sísmico comúnmente empleado se basa en un método elástico lineal, en la cual se amplifican las cargas para llegar a casos de solicitaciones últimas. Por otro lado, el diseño de elementos de concreto armado (y de muchos otros materiales) se realiza en una etapa de rotura o de resistencia última. A este procedimiento en conjunto se le conoce como “Diseño en base a resistencia” o “Diseño por factores de carga y resistencia” (Load and Resistance Factor Design, LRFD). Sin embargo, este método de diseño, por basarse en fuerzas, no contempla las fallas posibles por deformación que se pueden presentar en el comportamiento no lineal de los componentes de la estructura. Por ejemplo, la influencia de tener un piso blando, el comportamiento de unas columnas cortas o la capacidad de tener suficiente redundancia en la estructura son temas que no pueden ser revisados de manera analítica mediante métodos elásticos. Estas posibles fallas podrían llevar a la estructura a un estado cercano al colapso. En general, la deficiencia de los métodos en base a fuerzas es la de no poder disponer en la evaluación el comportamiento de la estructura luego de superar los límites elásticos de los componentes y de los materiales. Si se pudiese disponer de la historia del comportamiento inelástico de la estructura, se podría ajustar el diseño con el fin poder proporcionar a la estructura mayor capacidad, principalmente ante cargas sísmicas. Es por ello que las diferentes normas internacionales brindan recomendaciones o lineamientos que intentan evitar fallas o comportamientos no deseados para la estructuras. Por otro lado, el diseño realizado en la etapa de rotura no establece como requisito indispensable el cálculo de la ductilidad disponible en los elementos y, mucho menos, la verificación de la capacidad de la estructura de formar rótulas plásticas sin alcanzar el colapso bajo las cargas sísmicas. Para estos casos también existen recomendaciones para proporcionar a los elementos mayor ductilidad y para disponer de rótulas plásticas más largas, aunque estas hipótesis no podrán ser evaluadas empleando métodos elásticos de análisis. Es por ello que los últimos códigos y normas consideran un “Diseño en base a desplazamiento” o “Diseño en base a desempeño”, los cuales requieren del cálculo de la ductilidad de los componentes y de la estructura, comparándolos con la ductilidad demandada por los sismos máximos considerados. Estas exigencias son generalmente aplicadas a edificaciones sumamente importantes o a estructuras con elementos de disipación de energía, como aisladores o amortiguadores. Cabe mencionar que, a pesar de no haberse mencionado antes, la rigidez de la estructura cumple un rol muy importante al mantener la integridad de los elementos no estructurales y reducir la percepción del movimiento sísmico. Esta rigidez se va degradando conforme la estructura disipe energía mediante la formación de rótulas plásticas. Es por ello que el cálculo y la verificación de los desplazamientos y de las derivas en el rango inelástico es una parte fundamental en el “Diseño en base a desempeño”. El desempeño exigido para cada estructura puede variar según la funcionalidad y la importancia que tenga la edificación. Por ejemplo, un hospital, al ser una edificación que debe mantenerse funcional luego del sismo, debe generar pocas rótulas plásticas en el sismo severo en relación a las que puede ser capaz de presentar. De tal manera, la estructura mantiene niveles bajos de daños, la rigidez se degrada en menor medida y es económicamente reparable. Por otro lado, una edificación menor, como una vivienda, puede tener mayor pérdida de rigidez y mayor cantidad de rótulas plásticas, pero manteniendo su estabilidad y evitando el colapso de la estructura. Por motivos económicos y de funcionalidad, es necesario diferenciar los enfoques de desempeño exigidos para cada tipo de edificación. Es por ello que el Comité VISION 2000 de la Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC, 1995) definió niveles de desempeño sísmico exigidos según la importancia de las edificaciones. En resumen, para estructuras que se encuentran en zonas con alta sismicidad, es necesario tener un enfoque basado en fuerzas, en deformaciones y en ductilidad para cumplir con el nivel de desempeño establecido, según sea el caso. Actualmente, existen herramientas que agilizan y simplifican el cálculo considerando propiedades y métodos no lineales, como el DRAIN-2DX, DRAIN-3DX, PERFORM-3D y SAP2000. (Inel y Baytan, 2006) Muchos de los edificios dañados debido a últimos terremotos ocurridos, han sido diseñados y construidos bajo los principios de diseño sísmico más modernos. Es probable que estos daños sean producto de la falta de comprensión del comportamiento de los materiales estructurales bajo cargas dinámicas y el comportamiento inelástico de los diferentes sistemas estructurales. (Villaverde, 2007). Se han propuesto diferentes métodos, entre simplificados y complejos, para desarrollar análisis estáticos y dinámicos no lineales, de los cuales algunos han sido incluidos como alternativas de análisis en reglamentos y códigos internacionales (Fajfar, 2002). Aun así, es difícil saber si estas herramientas nos permiten evaluar el desempeño de las estructuras debido a solicitaciones que producen al colapso. (Villaverde, 2007) En contraparte de estos nuevos procedimientos que pretenden ser más “exactos”, existe una enorme participación de variables que no pueden tener la misma precisión que estos procedimientos. El ejemplo inmediato es la amplificación del movimiento del terreno, pues es un valor que varía por una gran cantidad de aspectos. Otro ejemplo claro es el amortiguamiento considerado en la estructura, pues es un parámetro dinámico que también es dependiente del daño de la estructura. Es por todo lo mencionado que es necesario estudiar el concepto del comportamiento de las estructuras antes de sumergirse en la tarea de buscar número “precisos” y “exactos”. En los siguientes capítulos se describirá la filosofía actual en la ingeniería sismo resistente y los conceptos necesarios para lograr el comportamiento sísmico requerido de cada estructura.
Influencia de las condiciones del suelo en el comportamiento estructural de un hospital con aislamiento sísmico en la base
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-09-04) Solórzano Flores, Erika Thalia; Asmat Garaycochea, Christian Alberto
La presente tesis tiene como objetivo evaluar la influencia de las condiciones del suelo en el comportamiento estructural de un hospital con aislamiento sísmico, mediante la comparación de resultados obtenidos del análisis y diseño, considerando 3 casos de estudio que se diferencian por tener distintas condiciones de suelo y zona sísmica. Se ha evaluado un módulo hospitalario, cuya estructura consiste principalmente en placas conectadas entre sí por medio de vigas peraltadas y un sistema de techos de losas aligeradas en dos direcciones; considerando un sistema de aislamiento conformado por aisladores y elementos del nivel de base: vigas, losas y capiteles; y una cimentación conformada por pedestales y zapatas aisladas. El comportamiento estructural de la edificación en estudio ha sido evaluado en el marco de los requerimientos normativos de nuestro Reglamento Nacional de Edificaciones: NTE E.020 (Cargas), NTE E.030 (Diseño Sismorresistente), NTE E.050 (Suelos y Cimentaciones) y NTE E.060 (Concreto Armado); y de normas especializadas en aislamiento sísmico: ASCE/SEI 7-16 y el proyecto de norma técnica peruana E.031. Para cada caso se ha realizado el análisis modal espectral de la edificación de base empotrada; los análisis estático, espectral y tiempo historia de la edificación aislada; el diseño de cada elemento más esforzado del sistema de aislamiento y de la cimentación; y por último se han comparado los resultados obtenidos. Para 3 casos se tiene la misma superestructura con diferentes propiedades de aisladores, sin embargo no se considera la optimización de la superestructura y sistema de aislamiento para efectos de comparación. Los resultados del análisis espectral demuestran que las derivas de entrepiso y la fuerza cortante en la base de la superestructura se reducen al aislar la edificación, siendo esta reducción en derivas 50% y 70% para suelo flexible y suelo rígido respectivamente; y en fuerza cortante, 20% y 50% para suelo flexible y suelo rígido respectivamente. Los parámetros de eficiencia demuestran que los aisladores son más efectivos si la edificación se ubica sobre suelo rígido; y que sobre suelo flexible con zona sísmica 2 (Z2S3) es el doble de eficiente que en suelo flexible con zona sísmica 4 (Z4S3), por lo que podría también considerarse el uso de aisladores en el caso Z2S3.