Autor:
Dr. Genner Villarreal Castro
Lima - Perú
2007
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 edificios altos, considerando la flexibilidad de la base de la cimentación con pilotes.
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 edificios.
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 peligro sísmico en el Perú.
En el segundo capítulo se analiza el uso de la cimentación con pilotes en zonas sísmicas y se describe el modelo dinámico suelo-pilote-superestructura, 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 edificios altos con cimentación con pilotes en condiciones reales del Perú y con la aplicación del programa SAP2000. Se muestran los resultados numéricos del problema de investigación por los dos modelos dinámicos elegidos ante la acción sísmica con diversos ángulos de inclinación y considerando la disipación de energía.
En el cuarto capítulo se efectúa el análisis comparativo de los resultados obtenidos por la norma sísmica del Perú y bajo el efecto de dos acelerogramas reales. Se analizan las 10 primeras formas de vibración y los resultados obtenidos.
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. Ilichev V.A., 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 lo dedico a mi Alma Mater Moscow State Civil Engineering University, lugar donde me formé científicamente y a mis padres, por ser los ejemplos vivos de superación constante y lucha por alcanzar la felicidad eterna.
INDICE
INTRODUCCION
CAPITULO 1. ESTADO ACTUAL DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. Modelos dinámicos de interacción suelo-estructura
y trabajo espacial de las construcciones
1.2. Cálculo sísmico de edificaciones, considerando la
flexibilidad del suelo de fundación
1.3. Peligro sísmico en el Perú
CAPITULO 2. CONSIDERACION DE LA FLEXIBILIDAD DEL SUELO DE
FUNDACION EN EL CALCULO SISMICO DE EDIFICIOS
2.1. Uso de la cimentación con pilotes para edificaciones en zonas
sísmicas
2.2. Modelos dinámicos para cimentación con pilotes
2.3. Modelo dinámico por la Norma Rusa SNIP 2.02.05-87
2.4. Modelo V.A. Ilichev-Yu.V. Mongolov-V.M. Shaevich
CAPITULO 3. CALCULO DE EDIFICIOS ALTOS, CONSIDERANDO LA
INTERACCION SISMICA SUELO-ESTRUCTURA PARA
CIMENTACION CON PILOTES
3.1. Objeto de investigación
3.2. Cálculo de coeficientes de rigidez
3.2.1. Modelo Norma Rusa SNIP 2.02.05-87
3.2.2. Modelo V.A. Ilichev-Yu.V. Mongolov-V.M. Shaevich
3.3. Metodología de modelación del edificio por el SAP2000
3.4. Resultados de la investigación numérica
CAPITULO 4. ANALISIS COMPARATIVO Y DISCUSION DE
RESULTADOS
4.1. Análisis comparativo
4.1.1. Comparación Modelo Ilichev / Modelo común
4.1.2. Comparación Modelo Norma Rusa / Modelo común
4.1.3. Comparación Modelo Norma Rusa / Modelo Ilichev
4.1.4. Comparación Modelo Norma Rusa (con disipación de
energía)/Modelo Norma Rusa (sin disipación de energía)
4.2. Formas de vibración
4.3. Discusión de resultados
Conclusiones
Bibliografía
Anexo
INTRODUCCION
El Perú se encuentra ubicado en una zona de alta sismicidad 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 edificios altos, considerando la real interacción suelo-estructura para cimentaciones con pilotes.
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 en consecuencia 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 para cimentación con pilotes, considerando la flexibilidad y las propiedades inerciales de los suelos, para el cálculo de edificios altos ante la acción sísmica.
Partiendo del objetivo planteado, se resolvieron los siguientes problemas:
1. Análisis de los esquemas de cálculo de edificios, donde se consideró la flexibilidad del suelo de fundación.
2. Análisis y elección de los modelos de cálculo para cimentación con pilotes, donde se describen su flexibilidad y propiedades inerciales de los suelos.
3. Elaboración de metodología de modelación de edificio alto con cimentación con pilotes, ante la acción sísmica en condiciones reales del Perú y con el uso del programa SAP2000.
4. Ejecución de los cálculos para los diferentes esquemas de interacción sísmica suelo-pilote-superestructura, de acuerdo a la norma peruana y bajo la acción de acelerogramas reales.
5. Comparación de los resultados obtenidos y en base a ello, la elaboración de las recomendaciones para el cálculo sísmico del edificio investigado, donde se consideró la flexibilidad de la base de la cimentación con pilotes.
Aporte científico
El aporte científico consiste en lo siguiente:
1. En base al análisis de la bibliografía estudiada, se eligió los modelos dinámicos más adecuados para la cimentación con pilotes, considerando la flexibilidad y las propiedades inerciales de los suelos.
2. Se elaboró el modelo dinámico de interacción sísmica suelo-pilote-superestructura, para edificios altos.
3. Se elaboró la metodología de modelación del edificio alto con cimentación con pilotes ante la acción sísmica en condiciones reales del Perú, documentos normativos y con el uso del programa SAP2000.
4. Se obtuvieron los resultados del cálculo del edificio alto por los diferentes modelos de interacción suelo-estructura, diversos ángulos de acción del sismo y considerando la disipación de energía.
5. Surgió el efecto de alabeo en las vibraciones espaciales del edificio investigado ante la acción del sismo.
6. Se realizó la comparación del efecto de flexibilidad del suelo de fundación para las dos principales formas de cálculo sísmico de edificaciones – por la norma peruana y ante la acción de los acelerogramas de Chimbote (1970) y Lima (1974).
Argumentación y veracidad de resultados
Se fundamenta en la aplicación del método de elementos finitos para el cálculo sísmico de edificios, así como el uso del programa SAP2000, que cuenta 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 de edificios altos de armazón estructural con cimentación con pilotes, ante la acción sísmica y considerando la flexibilidad del suelo de fundación.
Además, considerando el insuficiente desarrollo de los métodos de cálculo en nuestro país, la presente investigación puede servir como un 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), 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), 7mo Simposio Internacional de Estructuras, Geotecnia y Materiales de Construcción (Villa Clara-Cuba, 2006), III Congreso Internacional de la Construcción (Lima, 2006), XIV Encuentro Científico Internacional de verano (Lima, 2007), I Congreso Internacional de Geotecnia (Lima, 2007), Conferencia Internacional de Ingeniería Sísmica (Lima, 2007) y XVI Congreso Nacional de Ingeniería Civil (Arequipa, 2007).
Dr. Genner Villarreal Castro
genner_vc@hotmail.com
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