INTERACCION SISMICA SUELO-ESTRUCTURA EN EDIFICACIONES CON ZAPATAS AISLADAS
Autor:
Dr. Genner Villarreal Castro
Lima - Perú
2006
PROLOGO
La presente investigación está orientada a resolver uno de los problemas actuales de la Mecánica Estructural, específicamente, el problema de la metodología de cálculo de edificaciones con zapatas aisladas, considerando la flexibilidad de la base de la cimentación.
Dicho sistema constructivo suelo-estructura se usa con mucha frecuencia en la práctica y se considera un campo abierto en la investigación sísmica, representando el presente trabajo un aporte importante en la actualización de los métodos de cálculo de edificaciones con zapatas aisladas.
La presente investigación consta de una introducción, 4 capítulos, conclusiones, bibliografía y anexo.
En la introducción se fundamenta la actualidad del tema, se formula el objetivo y problemas de investigación, los aportes científicos y el valor práctico de la investigación.
En el primer capítulo se da un resumen de las investigaciones realizadas, donde se analizan los problemas de interacción suelo-estructura. Se describe en forma concreta el efecto del reforzamiento estructural y el tiempo de servicio de las edificaciones.
En el segundo capítulo se analizan los esquemas de cálculo de edificaciones, considerando la flexibilidad de la base de fundación y se describe el modelo dinámico suelo-estructura para edificaciones con zapatas aisladas, usado en la presente investigación. Se explica y fundamenta teóricamente los modelos dinámicos de cimentaciones, donde se consideran los efectos de flexibilidad y propiedades inerciales de los suelos.
En el tercer capítulo se describe la metodología de modelación de edificaciones con zapatas aisladas en condiciones reales del Perú y con la aplicación del programa SAP2000, analizándolo por los cuatro modelos dinámicos elegidos ante la acción sísmica con diversos ángulos de inclinación y considerando la disipación de energía. Asimismo, se modeló la edificación por el programa LIRA y se calculó a través de la Norma Rusa SNIP II-7-81* “Construcción en zonas sísmicas”, cuya comparación de resultados tiene un especial interés. También se modeló la misma edificación con ayuda de elementos sólidos espaciales y a través del programa COSMOS, cuyos resultados tienen cercanía con los daños estructurales en columnas ocasionados por sismos importantes.
En el cuarto capítulo se analizó el problema de reparación y reforzamiento estructural de edificaciones, considerando la interacción suelo-estructura.
En las conclusiones se discuten los resultados y las recomendaciones de uso y aplicación científica.
La presente investigación está dirigida a ingenieros civiles, postgraduandos e investigadores en el área de Mecánica Estructural.
El autor expresa su eterno agradecimiento a los científicos D.Sc., Prof. Amosov A.A. y D.Sc., Prof. Shaposhnikov N.N., por la paciencia mostrada en la revisión de la presente investigación, por sus consultas científicas y los consejos valiosos durante la realización de la misma.
Esta investigación se lo dedico a mis colegas y amigos de la Cátedra de Mecánica Estructural de Moscow State Civil Engineering University, lugar donde me formé científicamente y pude compartir con verdaderos genios de reconocido prestigio mundial, como son los científicos D.Sc., Prof. Leontiev N.N.; D.Sc., Prof. Amosov A.A.; D.Sc., Prof. Dukart A.V.; D.Sc., Prof. Gabbasov R.F.; D.Sc., Prof. Mondrus V.L.; D.Sc., Prof. Protsenko A.M.; D.Sc., Prof. Smirnov S.B.; D.Sc., Prof. Sobolev D.N.; D.Sc., Prof. Trushin S.I.; Ph.D., Prof. Anojin N.N.; Ph.D., Prof. Gagin V.I.; Ph.D., Prof. Sinitsin S.B. y Ph.D., Prof. Vaniushenkov M.G.; de quienes aprendí este maravilloso mundo de la investigación y la filosofía de vida eterna de un científico.
De manera muy especial, dedico la presente investigación, que ganó el Premio Nacional Primer Puesto en el II Concurso Nacional del Libro Universitario, a mi hermano Wilson y su digna familia, por ser ejemplos vivos de superación constante y la energía suprema que ilumina mi camino en este maravilloso universo por descubrir cosas nuevas que aporten a un desarrollo integral de la sociedad.
INDICE
INTRODUCCION
CAPITULO 1. ESTADO ACTUAL DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. Principales áreas de la investigación sísmica
1.1.1. Métodos estadísticos (probabilísticos)
1.1.2. Interacción suelo-estructura
1.1.3. No-linealidad geométrica y física
1.1.4. Trabajo espacial y múltiples componentes de la acción
sísmica
1.2. Errores conceptuales en el análisis sísmico espectral
1.3. Cálculo sísmico con acelerogramas
1.4. Efecto del reforzamiento estructural en edificaciones,
considerando la interacción suelo-estructura
1.5. Tiempo de servicio de las edificaciones y construcciones
CAPITULO 2. MODELOS DINAMICOS DE INTERACCION SISMICA
SUELO-ZAPATA AISLADA-SUPERESTRUCTURA
2.1. Esquemas de cálculo de edificaciones, considerando la
flexibilidad de la base de fundación
2.2. Modelo dinámico D.D. Barkan – O.A. Savinov
2.3. Modelo dinámico V.A. Ilichev
2.4. Modelo dinámico A.E. Sargsian
2.5. Modelo dinámico Norma Rusa SNIP 2.02.05-87
CAPITULO 3. CALCULO DE EDIFICACIONES CON ZAPATAS AISLADAS,
CONSIDERANDO LA INTERACCION SISMICA SUELO-
ESTRUCTURA
3.1. Objeto de investigación
3.2. Cálculo de coeficientes de rigidez
3.2.1. Modelo dinámico D.D. Barkan – O.A. Savinov
3.2.2. Modelo dinámico V.A. Ilichev
3.2.3. Modelo dinámico A.E. Sargsian
3.2.4. Modelo dinámico Norma Rusa SNIP 2.02.05-87
3.3. Modelación de la edificación por el programa SAP2000
3.4. Modelación de la edificación por el programa LIRA
3.5. Resultados de la investigación numérica
3.6. Cálculo sísmico de edificaciones con ayuda de elementos
sólidos y considerando la interacción suelo-estructura
3.7. Análisis y discusión de resultados
CAPITULO 4. REPARACION Y REFORZAMIENTO ESTRUCTURAL DE
EDIFICACIONES, CONSIDERANDO LA FLEXIBILIDAD
DE LA BASE DE FUNDACION
4.1. Análisis del estado de edificaciones en zonas sísmicas
4.2. Nivel racional de reforzamiento estructural en edificaciones
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXO
INTRODUCCION
El Perú es un país altamente sísmico y según la clasificación mundial le corresponde 9 grados en la escala Mercalli Modificada. Cerca de 18 millones de peruanos viven en zonas sísmicas y están expuestos a las constantes amenazas de ocurrencias de sismos. Cabe indicar, que en investigaciones sísmicas, aún están lejos de poder resolver el peligro sísmico, el cual se incrementa y al que están expuestos cotidianamente.
Аctualidad de la investigación
Las construcciones en zonas sísmicas se incrementan a diario en nuestro país. En consecuencia, la seguridad estructural tiene un valor importante en el desarrollo nacional. La reducción de los costos, con la consecuente seguridad de las obras en zonas sísmicas es el problema central de la construcción en nuestro país. La razón fundamental en la solución de este problema es la elaboración de metodologías de cálculo sísmico de edificaciones con zapatas aisladas, considerando la real interacción suelo-estructura.
La flexibilidad del suelo de fundación se refleja en los períodos, frecuencias y formas de vibración libre de las estructuras, que a su vez influyen en la magnitud de las fuerzas sísmicas. En general, este problema se ha investigado en forma insuficiente y, por lo tanto, es un campo abierto para los investigadores. La consideración de la flexibilidad del suelo de fundación nos lleva a la precisión del esquema de cálculo de la edificación.
Objetivo y problemas de investigación
El objetivo de la presente investigación es la elaboración de una metodología de uso y aplicación de los modelos dinámicos de interacción suelo-estructura, considerando la flexibilidad y las propiedades inerciales de los suelos, para el cálculo de edificaciones con zapatas aisladas ante la acción sísmica.
Partiendo del objetivo planteado, se resolvieron los siguientes problemas:
1. Análisis de los esquemas de cálculo de edificaciones, donde se consideró la flexibilidad de la base de fundación.
2. Análisis y elección de los modelos de cálculo para edificaciones con zapatas aisladas, donde se describen su flexibilidad y propiedades inerciales de los suelos.
3. Elaboración de la metodología de modelación de edificaciones con zapatas aisladas, ante la acción sísmica y con el uso de programas informáticos basados en el método de elementos finitos.
4. Ejecución de los cálculos para los diferentes esquemas de interacción sísmica suelo-zapata aislada-superestructura, de acuerdo al análisis espectral y tiempo-historia bajo la acción de acelerogramas reales.
5. Comparación de los resultados obtenidos y la elaboración de las recomendaciones para el cálculo sísmico del edificio investigado, donde se consideró la flexibilidad de la base de fundación.
Aporte científico
El aporte científico consiste en lo siguiente:
1. En base al análisis de la bibliografía estudiada, se eligieron los modelos dinámicos más adecuados para edificaciones con zapatas aisladas, considerando la flexibilidad y las propiedades inerciales de los suelos.
2. Se elaboró el modelo dinámico de interacción sísmica suelo-estructura para edificaciones con zapatas aisladas.
3. Se elaboró la metodología de modelación de la edificación con zapatas aisladas ante la acción sísmica en condiciones reales del Perú, documentos normativos y con el uso del programa SAP2000.
4. Se adaptó el modelo dinámico propuesto a cualquier programa informático, utilizando barras universales, en caso que el programa carezca de la posibilidad de trabajo de resortes, modelando la misma edificación por los reconocidos programas informáticos LIRA y COSMOS.
5. Se obtuvieron los resultados del cálculo de la edificación por los diferentes modelos de interacción suelo-estructura, diversos ángulos de acción del sismo y considerando la disipación de energía.
6. Se realizó la comparación del efecto de flexibilidad del suelo de fundación para las dos principales formas de cálculo sísmico de edificaciones – por el análisis espectral y tiempo-historia a través de acelerogramas reales; teniendo un especial interés la comparación de la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente E030-2003 con la Norma Rusa SNIP II-7-81* “Construcción en zonas sísmicas”.
7. Se elaboró una metodología de reforzamiento racional, la cual permite determinar el período límite de explotación de la edificación.
Argumentación y veracidad de resultados
Se fundamenta en la aplicación del método de elementos finitos para el cálculo sísmico de edificaciones, así como el uso de los programas SAP2000, LIRA y COSMOS, que cuentan con respaldo internacional en obras y proyectos de gran envergadura.
Valor práctico de la investigación
El valor práctico de la presente investigación, consiste en la posibilidad de la aplicación directa de la metodología elaborada para el cálculo sísmico de edificaciones aporticadas con zapatas aisladas, considerando la flexibilidad de la base de fundación y las propiedades inerciales de los suelos.
Además, debido al insuficiente desarrollo de los métodos de cálculo en nuestro país, la presente investigación puede servir como manual práctico para los ingenieros e investigadores en esta área.
Aprobación de la investigación
Fue aprobado en el II Congreso Internacional de Ingeniería Estructural, Sísmica y Puentes (Lima, 2006); Jornadas Iberoamericanas sobre Predicción de la Vida Útil de las Estructuras de Hormigón (AECI–Bolivia, 2006); V Encuentro Científico Internacional de invierno (Lima, 2006); XVIII Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica (San Juan, 2006); XI Congreso Colombiano de Geotecnia y VI Congreso Suramericano de Mecánica de Rocas (Cartagena, 2006) y 7mo Simposio Internacional de Estructuras, Geotecnia y Materiales de Construcción (Villa Clara-Cuba, 2006).
Dr. Genner Villarreal Castro
genner_vc@hotmail.com
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