Como afecta el costo por diseno sismo resistente ing. luis-garcia

¿COMO AFECTA EL COSTO POR DISENO SISMO RESISTENTE?

–

LA EXPERIENCIA COLOMBIANA

Luis E. GarcíaProyectos y Diseños Ltda. (Ingenieros consultores)

Profesor de Ingeniería Civil , Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia)

Expresidente del American Concrete Institute - ACI

ESTUDIOS DE COSTOS REALIZADOS

nEfecto del sistema estructuralnEfecto de la irregularidad de la

estructuranEfecto de la zona de amenaza sísmica nEfecto del límite de la derivanEfecto de los requisitos de detalladonEfecto de la luz y la relación entre

lucesnEfecto de la altura del edificio

SISTEMAS ESTRUCTURALES

nPórtico de concreto reforzado resistente a momentos

nPórtico y muros de concretonDual + Muros de concretonDual + Muros de mamposteríanMampostería estructural nMampostería confinada

PLANTA ARQUITECTÓNICA

3.10

.60

2.50

1.40

1.20

3.02 3.02 .41 2.20 .41 3.02 3.02

3.02 3.02 .41 2.20 .41 3.02 3.02

1 2 7 86543

1 2

3 4 5 6

7 8

A

B

C

D

E

F

A

B

C

D

E

F

3.10

.60

2.50

1.40

1.20

.15

.05.05

.05

.05

.85

.60

.05

ALTERNATIVA APORTICO RESISTENTE A MOMENTO – VIGUETAS

SISTEMA VIGA Y PLACAPORTICO RESISTENTE A MOMENTO

VIGUETASDUAL CON MUROS DE CONCRETO O MAMPOSTERIA

VIGUETERIA PREFABRICADAMAMPOSTERIA CONFINADA

MAMPOSTERIA ESTRUCTURALLOSA MACIZA

CONCRETO USADO

00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20

m³/m²

Sistema estructural

Pórtico Alt. APórtico Alt. BPórtico + Muros

Dual Muros de

Dual Muros de

MamposteríaEstructuralMamposteríaConfinada

Mampostería

Concreto

Concreto

ACERO DE REFUERZO USADO

0

5

10

15

20

25

kg/m²

Sistema Estructural

Pórtico Alt. APórtico Alt. BPórtico + Muros

Dual Muros de

Dual Muros de

MamposteríaEstructuralMamposteríaConfinada

Mampostería

Concreto

Concreto

¿SON LOS EDIFICIOS DE LA

PRÁCTICA ACTUAL

DEMASIADO IRREGULARES?

EDIFICIO A

WALLwALL WALL

5.00 m

EDIFICIO B 5.00 m

EDIFICIO C5.00 m

EDIFICIO D

MURO

MURO

5.00 m

EDIFICIO E

5.00 m

EDIFICIO F5.00 m

EDIFICIO G

WALL

5.00 m

WALL

EDIFICIO H

WALLWALL

5.00 m

EDIFICIO I5.00 m

EDIFICIO J

5.00 m

EDIFICIO K

WALL WALL

WALL WALL

5.00 m

EDIFICIO L5.00 m

REFUERZO UTILIZADO

EDIFICIO

kg/m²

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

A B C D E F G H I J K L

COLUMNAS YMUROSVIGASTOTAL

EDIFICIO

m³/m²

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

A C E G I K

COLUMNAS YMUROSVIGASTOTAL

CONCRETO UTILIZADO

COSTO ASOCIADO CON LA ZONIFICACION SISMICA

n24 edificios estudiados:– 3, 5, 8, 12 pisos

–Edificios de apartamentos

–Suelo tipo S2

6.00 m 6.00 m 6.00 m 6.00 m

5.00 m

5.00 m

5.00 m

INDICE DEL COSTOTOTAL DE LA ESTRUCTURA

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Aa - Av

IND

ICE

DE

CO

ST

O

12 PISOS8 PISOS5 PISOS3 PISOS

COSTO vs. ALTURA

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12No DE PISOS

IND

ICE

DE

CO

ST

O

Baja- 0.05Baja- 0.10Intermedia - 0.10Intermedia - 0.15Intermedia - 0.20Alta - 0.20Alta - 0.25Alta - 0.30

CONCRETO COLUMNAS

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Aa - Av

CO

NC

RE

TO

(m3

/m2)


REFUERZO COLUMNAS

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Aa - Av

AC

ER

O (

kg/m

2)


CONCRETO LOSA Y VIGAS

0.10

0.11

0.11

0.12

0.12

0.13

0.13

0.14

0.14

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Aa - Av

CO

NC

RE

TO

(m

3/m

2)

12 PISOS

8 PISOS

5 PISOS

3 PISOS

REFUERZO LOSA Y VIGAS

8

9

10

11

12

13

14

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30Aa - Av

AC

ER

O (

kg/m

2)


ALGUNOS CASOS DISEÑADOS CUMPLIENDO

CON LA MICROZONIFICACIÓN

SÍSMICA DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ

Bogota, Colombia

ESPECTROS MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA DE BOGOTÁ

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Sa

(g)

T (s)

Zona 1 - Cerros

Zona 2 - Piedemonte

Zona 3 - Lacustre A

Zona 4 - Lacustre B

Zona 5 - Terrazas y Conos

NSR-98 S4

LOS CASOS

n26 edificios que en total suman un área de 243 000 m2

–19 edificios de apartamentos

–5 edificios de oficinas

–2 edificios de aulas

nAlturas de 7 a 20 pisos –12 pisos en promedio

nÁreas de 1 200 a 50 000 m2

–9 400 m2 en promedio

Localización de los edificios

n 6 Edificios en Zona 1

n 4 Edificios en la transición entre Zonas 1 y 2




Zona 1

Zona 2

Zona 3

Zona 4

Zona 5A

Zona 5B

N

20 4 6 8 10 kmEscala

Zona 1 - Cerros

Zona 2 - Piedemonte

Zona 4 - Lacustre B

Zona 5A - Terrazas y Conos

Zona 5B - Terrazas y Conos

Zona 3 - Lacustre A

Potencialmente Licuables

AHORA MIREMOS LOS SIGUIENTES PARÁMETROS

n Período de vibración fundamental calculado por el método de Rayleigh

n Estimativo del período fundamental con base en el número de pisos

n Deflexión horizontal al nivel de cubierta

n Área de muros estructurales en función del número de pisos

n Corte basal resistente obtenido por medio de mecanismos de colapso

n Relación capacidad/demanda para fuerzas horizontales sísmica

Período de vibración T (s)

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50

Período Dirección x (s)

Per

íod

o D

irec

ció

n y

(s)

Zona 1Trans 1-2Zona 2Zona 3Zona 4

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

# pisos/Tx

# pi

sos/

Ty


Estimativo del Período Fundamental

Media = 16

Media = 14

1115

M

SEAOCT=N/10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Deflexión Cubierta X (%hn)

Def

lexi

ón C

ubie

rta

Y (%

hn)


Deflexión Cubierta dn como % de hn

6

Media = 0.47%

Media = 0.63%

Der

iva d

e pis

o m

áxi

ma

Der

iva p

rom

edio

a=

1.5

5 (

pro

med

io)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Área muros direcc. X/Área del piso

Áre

a m

uros

dir

ecc.

Y/Á

rea

del p

iso


p = Área de muros estructurales / Área piso

Media = 1.23%

Media = 0.72%

Corte Basal Resistente

MECANISMO DE PISO MECANISMO DE VIGAS MECANISMO DE PISOS INTERM.

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60

Corte Basal Resistente X (%W)

Cor

te B

asal

Res

iste

nte

Y (%

W)


Corte Basal Resistente Vn (%W)

Media = 21%

Media = 20%

2000000

Capacidad/Demanda

Media = 2.2

Media = 2.0

Meeedia = 2.2

Mediaaa = 2.000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Vnx/(SaxW)

Vny

/(Say

W) Zona 1

Trans 1-2Zona 2Zona 3Zona 4

CONTROL DE LA DERIVA

DERIVA!

DerivaD

D

D

D

D

h

h

h

h

h

f

f

f

f

f

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

¡12 km del epicentro!

Metodología del estudion Definición de la planta del edificio

n Producción de grupos de dimensiones razonables para diferentes números de pisos

n Análisis estructural de todas las soluciones

n Diseño de vigas y columnas incluyendo todos los detalles de las armaduras, siguiendo los requisitos del grado de capacidad de disipación de energía apropiado para la zona de amenaza sísmica

n Estudio de las diferentes soluciones con respecto al cumplimiento de los requisitos de deriva, nuevos y viejos

n Evaluación del costo en todas las soluciones

n Estudio de las variaciones entre costo y los parámetros relevantes de diseño

MetodologíaEl procedimiento empleado puede describirse como:

1 - dejar que la estructura responda ante las fuerzas sísmicas que le corresponda, obteniendo la deriva que resulte de las dimensiones y las fuerzas sísmicas impuestas

2 - determinar el costo comparativo con otras soluciones con diferentes dimensiones de los elementos

3 - calcular las implicaciones de restringir la deriva a valores menores

Edificio de apartamentos estudiado

n Pórtico resistente a momentos de concreto reforzado

n 4, 8, 12, y 20 pisos

n Zonas de amenaza sísmica intermedia y alta

Z A S Intermedia (Aa = 0.20)

Z A S Alta (Aa = 0.25)

n Perfil de suelo S1 (roca)

n Columnas cuadradas con la misma dimensión en toda la altura del edificio

Planta del Edificio Estudiado

9.0 9.0 9.0 9.0

36.0

7.5

7.5

7.5

22.5

all dimensions in meters

N

dimensiones en m

Un caso en detalle

n Edificio de 8 pisos

n Zona de Amenaza Sísmica Intermedia (Aa=0.20)

n Perfil de suelo S1 (Roca)

n Columnas cuadradas de 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 m

n Vigas de b=0.4 m x h=0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 m

n En total 20 combinaciones de dimensiones de columnas y vigas

Refuerzo vigas

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

columnas de 1.0 m

columnas de 0.8 mcolumnas de 0.6 m

columnas de 0.4 m(kg/m²)acero

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

columnas de 1.0 m



Refuerzo columnas

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

columnas de 1.0 m



0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

columnas de 1.0 m



Consumo total de concreto y acero(columnas y vigas únicamente)

acero(kg/m²)

altura viga (m)

(m³/m²)concreto

concreto

acero

0

5

10

15

20

25

30

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

00.4 0.5 0.6 0.7

0.00.8



Deriva(edificio 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)

0.4x0.7

0.4x0.6

0.4x0.5

0.4x0.4

3.00 - 3.50

2.50 - 3.00

2.00 - 2.50

1.50 - 2.00

1.00 - 1.50

0.50 - 1.00

secciónvigas(m)

Deriva = 1.0%h

Deriva = 1.5%h

Deriva = 2.0%h

Deriva = 2.5%h

Deriva = 3.0%h

0.4x0.7

0.4x0.6

0.4x0.5

0.4x0.4

3.00 - 3.50

2.50 - 3.00

2.00 - 2.50

1.50 - 2.00

1.00 - 1.50

0.50 - 1.00

secciónvigas(m)

Deriva = 1.0%h

Deriva = 1.5%h

Deriva = 2.0%h

Deriva = 2.5%h

Deriva = 3.0%h

Procedimiento para reducir la deriva

0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.00.4x0.8

0.4x0.7

0.4x0.6

0.4x0.5

0.4x0.4

sección columnas (m)

secciónvigas(m)

Deriva = 0.5%h

Deriva = 1.0%h

Deriva = 1.5%h

Deriva = 2.0%h

Deriva = 2.5%h

Deriva = 3.0%h

Índice de costos(edificio de 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)

0.4x0.8

0.4x0.7

0.4x0.6

0.4x0.5

0.4x0.4

0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0

1.70 - 1.80

1.60 - 1.70

1.50 - 1.60

1.40 - 1.50

1.30 - 1.40

1.20 - 1.30

1.10 - 1.20

1.00 - 1.10

índice costos (ic)

secciónvigas(m)


ic = 1.1

ic = 1.0 ic = 1.3

ic = 1.2

ic = 1.4

ic = 1.5

ic = 1.7

ic = 1.6

Índice costo vs. deriva(edificio 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)

1.70 - 1.80

1.60 - 1.70

1.50 - 1.60

1.40 - 1.50

1.30 - 1.40

1.20 - 1.30

1.10 - 1.20

1.00 - 1.10

0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.00.4x0.8

0.4x0.7

0.4x0.6

0.4x0.5

0.4x0.4

índice costos (ci)


secciónvigas(m)

Deriva = 0.5%h

Deriva = 1.0%h

Deriva = 1.5%h

Deriva = 2.0%h

Deriva = 2.5%h

Deriva = 3.0%h

ic = 1.0 ic = 1.1 ic = 1.2 ic = 1.3ic = 1.4

ic = 1.5

ic = 1.6

ic = 1.7

Índice de costo vs. deriva(amenaza sísmica intermedia)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 1 2 3 4 5

deriva (%h)

índice

costo

4 pisos 8 pisos

12 pisos

20 pisos

dimensiones vigas constantes

dimensiones columnas constantes

ic = 1.0

Índice costo vs. deriva(amenaza sísmica alta)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 1 2 3 4 5

deriva (%h)

índicecosto

4 pisos 8 pisos

12 pisos

20 pisos

dimensiones vigas constantes

dimensiones columna constantes

ic = 1.0

Pórticosn El índice de costo mínimo (ic = 1.0) es el de la solución

de menor costo para el edificio de 4 pisos, la cual corresponde a la de dimensiones mínimas

n Pueden obtenerse reducciones importantes de la deriva con aumentos de costo marginales. Por lo tanto, reducciones de la deriva del 1.5%h al 1.0%h, como exigen las NSR-98 son ampliamente factibles desde el punto de vista económico.

n Reducciones aún mayores de la deriva tienen un impacto económico proporcionalmente mayor debido al aumento de pendiente de las dimensiones constantes de columna al reducir la deriva, lo cual significa proporcionalmente un mayor costo.

Definición del índice de área de muros

p =

área aferente al muro

área sección del muro

área del piso aferente al muro

D

Hh

Dt

Relación teórica entre p y la deriva(Amenaza sísmica intermedia)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0 1 2 3 4 5 6 7

= área total de muros / área del piso (%)

deriva(%h)

p

H/D = 7

H/D = 6H/D = 5H/D = 4H/D = 3H/D = 2H/D = 1

Esquema de muros con una luz

9.0 9.0 9.0 9.0

36.0

7.5

7.5

7.5

22.5

dimensiones en metros

N

Esquema de muros con dos luces

9.0 9.0 9.0 9.0

36.0

7.5

7.5

7.5

22.5

dimensiones en metros

N

Cantidades totales de concreto y acero(columnas, muros y vigas solamente)

H/D=1.42

H/D=1.71

H/D=2.84

H/D=3.41

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45454450.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

88(kg/m²)kg/g m²)1

(1

(kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkgggggggggggg//////////////////ggg m²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²)))))acero

espesor muro (m)

(m³/m²)(m³/m²)8

(((((((((((((((m³³³////////m²²²)))))))))))))))))concreto

acero

concreto

Deriva - Edificios con muros(Amenaza sísmica intermedia)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

p (%)

H/D=3.41

H/D=2.84

H/D=1.71

H/D=1.42

deriva(%h)

Índice de costo(edificio de 8 pisos - amenaza sísmica intermedia)

H/D=3.41H/D=2.84

H/D=1.71H/D=1.42

t=0.15

t=0.30

t=0.451.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.51.4 - 1.5

1.3 - 1.4

1.2 - 1.3

1.1 - 1.2

1.0 - 1.1

espesordel muro

(m)relación de esbeltez del muro

índice de costo

índice costo

Índice de costo vs. Deriva(edificio 8 pisos - zona de amenaza sísmica intermedia)

1.4 - 1.5

1.3 - 1.4

1.2 - 1.3

1.1 - 1.2

1.0 - 1.1

t=0.15

t=0.30

t=0.45

H/D=3.41 H/D=2.84 H/D=1.71 H/D=1.42

Deriva=0.05%hDeriva=0.10%hDeriva=0.15%h

Deriva=0.20%h

Deriva=0.25%h índice costo

espesor

del muro(m)

relación de esbeltez del muro

Índice de costo vs. Deriva(edificio 8 pisos - amenaza sísmica alta)

índice costo

1.4 - 1.5

1.3 - 1.4

1.2 - 1.3

1.1 - 1.2

1.0 - 1.1

H/D=3.41 H/D=2.84 H/D=1.71 H/D=1.42t=0.15

t=0.30

t=0.45Deriva=0.05%hDeriva=0.10%hDeriva=0.15%hDeriva=0.20%h

Deriva=0.25%h

espesor

del muro(m)

relación de esbeltez del muro

Muros vs. Pórtico

nPara zonas de amenaza sísmica intermedia:–El pórtico más económico, sin muros, emplea 14

kg/m2 of acero, y 0.07 m3/m2 de concreto, y reporta una deriva máxima de 2.4%h.

–Usando muros la deriva se puede reducir a 0.05%h con un incremento de costo de menos de 10%.

nPara zonas de amenaza sísmica alta:–Las derivas son mayores y los incrementos de

costo también, pero las tendencias generales se mantienen.

Conclusiones

n Reducciones del límite de deriva hasta valores del orden de 0.75%h, empleando pórticos es factible económicamente.

n Definir las dimensiones de la sección de la columna antes de las de la viga, permite encontrar más rápidamente una estructura que cumpla con un límite de deriva preestablecido.

n Para límites de deriva menores de 0.75%h, debe investigarse el uso de muros estructurales.

Comentarios finales

Este es solo un ejemplo del tipo de estudios que deben llevarse a cabo cuando se desea investigar la relación entre las diferentes variables que intervienen en el costo y comportamiento de las estructuras de edificios.

Debe tenerse cuidado con las numerosas variables que no se estudiaron a pesar de la cantidad de casos empleados, especialmente las variaciones locales.

El dilema de comportamiento óptimo contra el menor costo real solo puede resolverse empleando el mejor criterio y la mayor experiencia por parte de los diseñadores.

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