EL DISENO DEBE BASARSE EN FUERZAS O DESPLAZAMIENTOS?, INTRODUCCION AL DISEÑO SISMICO BASADO DIRECTAMENTE EN DESPLAZAMIENTOS EN PERU

RESUMEN.

En este trabajo se compara la respuesta global no-lineal de un pórtico de concreto reforzado, diseñado según el método de resistencia ultima del Perú (NTP E.030-2003 y E.060-2009) conocido también como Diseño Basado en Fuerzas “DBF”, y según el Método basado Directamente en Desplazamientos “DBDD” desarrollada principalmente por el Prof. N. Priestley; método para cuya aplicación ha sido necesario desarrollar un espectro de desplazamientos de diseño para nuestra región.

El método DBDD utiliza los principios del Diseño por Capacidad (Paulay and Priestley, 1992) para el dimensionamiento y diseño de los elementos estructurales.

La respuesta confiable (patrones de comparación) para ambos casos es obtenido tras realizar un Análisis de Historia de respuestas No-Lineal “NLRH” para tres niveles de sismo (50, 100 y 200% del sismo de diseño), donde cada nivel de sismo está ligado a un determinado nivel de desempeño o rango de comportamiento esperado.

1. INTRODUCCIÓN

Estimar la demanda sísmica de fuerzas y desplazamientos ha significado siempre un reto para los ingenieros estructurales; en el método de diseño actual (DBF), el conjunto de incertidumbres que envuelven los resultados conlleva incluso a que actualmente seamos conservadores al sobreestimar las fuerzas de diseño y subestimar el criterio de aceptabilidad para el caso de las derivas de entrepiso, esto conlleva a que no solo se eleven los presupuestos de construcción, sino que además cambia el comportamiento final de la estructura.

El método de análisis estructural en el Perú es conocido como método Basado en Fuerzas porque sin importar el método de análisis empleado (estático o dinámico), primero se calculan las fuerzas de diseño y como producto final se tienen los desplazamientos, dependiendo si las derivas de entrepiso se parezcan o no al máximo permitido se puede proceder a un nuevo análisis al redimensionar los elementos. Esto hace que el DBF sea un método iterativo y por supuesto tedioso.

Adicionalmente debemos agregar que el concepto de daño está directamente relacionado con los desplazamientos más que con las fuerzas. Todo lo explicado anteriormente ha motivado el desarrollo de este y muchos otros trabajos con el fin de determinar si es conveniente o no estimar las fuerzas de diseño basándonos en los desplazamientos objetivo según el tipo y uso de las edificaciones.

Adicionalmente a la comparación de la respuesta final de ambos diseños (DBF y DBDD), se analizaran los factores posibles que agregan incertidumbre al método de diseño actual del Perú, nombramos brevemente alguna de ellas como sigue.

1.1. Factores Analizados de la Norma Peruana E.030.

Los posibles factores que intervienen en el análisis estructural que a nuestro criterio agregan incertidumbre en la metodología actual se describen brevemente a continuación:

1.1.1. Factor de reducción de resistencia “R”

Interpretado según la regla de los desplazamientos iguales equivale a la ductilidad µ esperada del sistema.

Para nuestro pórtico analizado este factor tiene una magnitud de 8.

1.1.2. Máxima deriva de entrepiso “Drift”

El reglamento peruano generaliza una deriva máxima de 0.007 para cualquier edificación cuyo material predominante sea el concreto reforzado, sin importar incluso el uso final al que estará sometida la edificación.

Según la experiencia en ensayos de edificios de pórticos (Priestley et al, 2007) y como así lo muestran varios reglamentos y organizaciones internacionales, las edificaciones de pórticos son capaces de alcanzar derivas mucho mas grandes sin necesariamente significar daño extensivo.

Adicionalmente a esto, no es compatible en el reglamento esperar ductilidades tan altas en este tipo de edificios limitándola a una deriva de entrepiso tan baja.

1.1.3. Periodo fundamental de vibración.

El periodo elástico en edificios de pórticos de concreto es equivalente al 10% del número de niveles del edificio; más adelante se mostrara que tal valor actualmente utilizado está muy por debajo de los valores confiables como los obtenidos tras realizar un análisis de historia de respuesta no-lineal.

1.2. Objetivos de Desempeño Sísmico.

1.2.1. Niveles de desempeño.

Ha sido necesario establecer los siguientes niveles de desempeño para pre-determinar el comportamiento (daño) del edificio en diferentes niveles de demanda sísmica:

- Totalmente Operacional

- Operacional

- Seguridad de Vida

- Prevención al Colapso

1.2.2. Niveles de sismo.

De acuerdo al documento Visión 2000 se establecen cuatro niveles de demanda sísmica:

- Sismo Frecuente

- Sismo Ocasional (50% SD)

- Sismo Raro (SD)

- Sismo Muy Raro (150-200% SD)

El edificio analizado en este trabajo ha sido sometido a los tres últimos niveles sísmicos con el fin de determinar si sus comportamientos son compatibles o no con sus niveles de desempeño.

1.2.3. Objetivos de desempeño.

Comportamiento que deberá alcanzar la edificación según el uso final del mismo. Los objetivos de desempeño pueden definirse como el nivel de daño que se está permitido alcanzar cuando la edificación está sometida a un nivel de demanda sísmica conocida.

El pórtico multinivel utilizado en este trabajo corresponde al de una edificación de oficinas, por lo que se deberá cumplir con alcanzar un Objetivo Básico según la siguiente figura.

1.2.4. Criterio de Aceptabilidad en diseño por desempeño.

A diferencia del análisis convencional (DBF), este dependerá del nivel de desempeño que se desee lograr; el siguiente cuadro del FEMA 356, recomienda valores de drift comúnmente utilizados en muchas investigaciones y reglamentos del mundo.

Nivel de Desempeño Drift

(%) Residual Drift (%)

Totalmente Operacional 0.7 -

Operacional 1.2 -

Seguridad de vida 2.0 1.0

Prevención al colapso 4.0 4.0

En este trabajo se ha decidido alcanzar una deriva máxima de 1.7% en el nivel crítico cuando el pórtico está sometido a un sismo de diseño (sismo raro).

2. ANTECEDENTES

Muchas investigaciones han comparado el método de diseño basado directamente en desplazamientos con otros procedimientos convencionales, podemos citar solo algunos como Goel and Chopra quien encuentra más lógico y exacto utilizar DBDD con el espectro de diseño inelástico en puentes de concreto reforzado

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