EVALUACIÓN DEL COEFICIENTE DE REDUCCIÓN DUCTILIDAD, Φp, PARA EDIFICACIONES CON DISCONTINUIDADES DE DIAFRAGMA-NSR10

EVALUACIÓN DEL COEFICIENTE DE REDUCCIÓN DUCTILIDAD, Φp, PARA EDIFICACIONES CON DISCONTINUIDADES DE DIAFRAGMA-NSR10

ASSESSMENT REDUCTION COEFFICIENT DUCTILITY, Φp FOR BUILDINGS WITH DIAPHRAGM DISCONTINUITIES-NSR10

H. Rivera Trochez*

* Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Edificación. Mail: haritro@upv.es

RESUMEN

El presente artículo busca determinar la validez del valor numérico del coeficiente de reducción del factor de capacidad de disipación de energía R, establecido en el titulo A de las normas de diseño y construcción sismo resistente colombianas NSR-10, empleado en el diseño sísmico de edificaciones con discontinuidades de diafragma.

La metodología utilizada consiste en el planteamiento de 3 modelos teóricos de edificaciones de configuración regular en planta y alzada, representativos de edificios bajos, de mediana altura y edificios altos. Estos modelos son diseñados de acuerdo a los requisitos de la NSR-10 en cuanto a solicitaciones (evaluación de carga y combinaciones) y rigidez (1% de deriva). A dichos modelos se les reduce progresivamente el área bruta de diafragma, sin modificar las características de los elementos estructurales, y mediante análisis estático no lineal se determina para cada reducción los parámetros que definen el comportamiento sísmico de una estructura tales como curva de capacidad, ductilidad, deformación ultima y resistencia ultima. Todos los modelos se analizan a través del software para cálculo estructural SAP2000.

Los resultados promedios indican que para edificios bajos R=4.5, para edificios medios R=7.2 y para edificios altos R=10.5. Partiendo del valor estipulado en la NSR-10 para R=7 en sistemas aporticados de concreto con disipación especial de energía, es claro que las diferencia encontradas son considerables dependiendo de la altura y configuración de la edificación. Los valores φp tienen variación en algunos tipos de configuración y altura con respecto a lo establecido en la NSR-10. Finalmente se realizan recomendaciones para futuros trabajos.

Palabras clave: disipación de energía, NSR-10, diseño sísmico, discontinuidades de diafragma.

ABSTRACT

This project seeks to determine the validity of the numerical value of the coefficient of reduction of the capacity factor of energy dissipation R, established in title to the standards of earthquake resistant design and construction Colombian NSR-10, used in the seismic design of buildings with discontinuities diaphragm.

The methodology involves the approach of 3 theoretical models of buildings of regular configuration in plan and height, representative of low buildings of medium height and tall buildings. These models are designed according to the requirements of the NSR-10 in terms of loading (loading and combinations evaluation) and stiffness (1% drift). In such models are progressively reduced the gross area of the diaphragm, without changing the characteristics of structural elements, and by nonlinear static analysis is determined for each reduction parameters that define the seismic behavior of a structure such as capacity curve, ductility , deformation and strength last last. Analyze all models through the SAP2000 structural calculation software.

The average results indicate that low-rise R = 4.5, for R = 7.2 means buildings and tall buildings R = 10.5. Based on the value specified in the NSR-10 to R = 7 aporticados concrete systems with special energy dissipation, it is clear that significant differences are found depending on the height and configuration of the edification. Φp values have variation in some types of configuration and height with respect to the provisions of the NSR-10. Finally, several recommendations for future work.

Keywords: energy dissipation, NSR-10, seismic design, diaphragm discontinuities.

INTRODUCCIÓN

La configuración estructural, comprendida no solo como la forma global de la edificación, sino también el tamaño, la naturaleza y ubicación de elementos estructurales y no estructurales, tiene una gran incidencia en el comportamiento de edificaciones ante solicitaciones sísmicas. En diseños arquitectónicos de edificaciones modernas es muy común observar edificaciones con formas irregulares, tanto en planta como en alzada, debido a las necesidades de proveer mayores áreas de ventilación e iluminación natural o adaptación de espacios a diferentes funcionalidades. Dichas configuraciones conducen a una distribución irregular de rigidez y de masas, por lo tanto se presentan zonas de concentraciones de esfuerzos que conllevan a la edificación a un mal desempeño durante eventos sísmicos (Arnold y Reitherman, 1982).

Observando el comportamiento de edificaciones en ciudades que han sufrido un evento sísmico se puede apreciar con frecuencia cómo las edificaciones más afectadas son generalmente las que presentan configuraciones irregulares, mientras edificaciones de configuración regular generalmente resisten los efectos sísmicos sin mayores daños o sin ningún daño, edificaciones de alturas similares con configuración irregular en las mismas zonas de la ciudad han sufrido graves daños (incluso el colapso) lo cual debe ser entendido como una consecuencia de haberse generado fuerzas mayores en los edificios de configuración irregular (Arnold y Reitherman, 1982), mayor demanda de energía, incrementos cuyas magnitudes es necesario establecer para revisar los coeficientes dados por la norma en discusión NSR-10.

Sin embargo la aplicación de los actuales Coeficientes de Reducción del Coeficiente de Capacidad de Disipación de Energía estipulados por la NSR-10 para estructuras de configuración irregular se traducen en un incremento poco significativo de la magnitud de las fuerzas de diseño sísmico y pueden traer como consecuencia una falsa sensación de seguridad para los ingenieros calculistas al creer que con dichos coeficientes cubre con la seguridad necesaria los posibles incrementos de las fuerzas de diseño sísmico y en lugar de estudiar la manera de mejorar el diseño de la edificación para corregir los problemas de irregularidad no se hace ningún esfuerzo en esa dirección sino que simplemente se aplican esos coeficientes. 

La verificación de los Coeficientes de Reducción del Coeficiente de Capacidad de Disipación de Energía es de gran importancia puesto que tiene que ver directamente con la determinación de la magnitud de la Carga de Diseño Sísmico E que se emplea en el análisis de las estructuras de las edificaciones, de su evaluación depende en gran medida la seguridad que puedan ofrecer a sus usuarios (Miranda y Bertero, 1994).

El tema de estudio planteado es de gran interés a nivel internacional puesto que el comportamiento de las estructuras de configuración irregular durante eventos sísmicos no se ha estudiado con la profundidad necesaria para determinar el verdadero incremento en la magnitud de las cargas que se debe aplicar en sus análisis y los coeficientes que aparecen en las normas vigentes a nivel mundial pueden no reflejar la magnitud del problema.

El objetivo principal de este estudio es determinar la aplicabilidad del coeficiente de reducción de capacidad de disipación de energía, causado por discontinuidades de diafragma, en el diseño sísmico de este tipo de edificaciones.

En la presente investigación se hace el planteamiento de diferentes modelos teóricos con el fin de determinar la influencia de la altura de la estructura y la reducción del área bruta de diafragma en el desempeño sísmico de una edificación. Por lo tanto todos los modelos involucrados en este estudio se diseñan bajo una misma condición de cargas gravitacionales, amenaza sísmica y los mismos efectos se sitio establecidos en los títulos A y B de la NSR-10. Posteriormente se realiza en cada modelo, mediante la técnica pushover, el respectivo análisis estático no lineal tomando como patrón de carga lateral las fuerzas de piso calculadas a partir del modo fundamental de vibración de la estructura.

Las conclusiones de este proyecto se deben complementar mediante resultados obtenidos a partir de ensayos experimentales y estudios que involucren otras variables como la amplificación de la aceleración espectral debida a efectos de sitio, diferentes espectros de diseño y zonas de amenaza sísmica, distintos materiales y/o sistemas estructurales.

METODOLOGÍA

2.1 Factor R

Aunque el cálculo del factor de capacidad de disipación de energía R puede ser calculado por varios métodos como lo son ATC-3-061 o por las normas FEMA 3562, para efectos de este estudio se calculara por medio de los parámetros establecidos en la norma ATC343 de la siguiente forma:

R=R_S R_μ R_R Ecuación [1]

Donde:

RS: Factor de resistencia. R_S=V_o/V_d Ecuación [2]

Donde:

Vo: Máxima cortante basal de la curva de capacidad de una estructura

Vd: Cortante de diseño

Rμ: Factor de ductilidad. R_μ=f(μ) Ecuación [3]

Generalmente, este factor es obtenido de las relaciones R-μ-T desarrolladas para sistemas de 1GDL, por ej. Newmark y Hall (1982), Krawinkler y Nassar (1992), Miranda y Bertero (1994), entre otros.

RR: Factor de Redundancia, el cual toma en cuenta el número de restricciones que tiene el sistema estructural en los cuales puede disipar energía mediante deformaciones inelásticas. Este factor aún está en desarrollo por

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