PRINCIPALES LNEAS DE

INVESTIGACIN PARA

TESIS DE INGENIERA

SISMO-RESISTENTE DR. GENNER VILLARREAL CASTRO PROFESOR VISITANTE UMRPSFXCH Bolivia

PROFESOR VISITANTE ULEAM - Ecuador

PROFESOR EXTRAORDINARIO UPAO, UPN

PROFESOR PRINCIPAL UPC, USMP

PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008

ESQUEMA DE INVESTIGACION EN INGENIERIA ESTRUCTURAL

ESTADO DEL ARTE

METODOLOGA, MODELO O

FRMULAS DE CLCULO

OBJETO DE INVESTIGACION

CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y LNEAS FUTURAS DE

INVESTIGACIN

DURABILIDAD

ESTRUCTURAL

COLAPSO DEL PARQUE DE AGUA DE MOSCU

La cubierta del parque de agua, tena una configuracin estructural

con cobertura tipo Gauss positiva en la parte superior y Gauss

negativa en la parte inferior, siendo muy complicada su

modelacin estructural.

Para la modelacin se utilizaron los programas ANSYS, LIRA,

STADIO y SCAD, realizando los siguientes tipos de anlisis:

Esttico, incorporando al suelo de fundacin, de acuerdo a los

ensayos in-situ de mecnica de suelos y estudios topogrficos.

Dinmico, para determinar las formas de vibracin libre y la

influencia del viento, sismo y cargas hidrodinmicas sobre la

estructura.

Para que el clculo sea ms real, se incorpor la no-linealidad

fsica (curva esfuerzo-deformacin de los materiales, despus de

la extraccin de los ncleos y contrastacin con la degradacin

durante el tiempo) y geomtrica (curva desplazamiento-

deformacin).

Especial cuidado se tuvo en las uniones de los elementos, ya que

podra ser una de las causas del desastre, modelando dichos

extremos por elementos slidos y teniendo en cuenta la variacin

de temperatura, concentracin de esfuerzos, uniones soldadas en

algunos puntos y propiedades de los materiales, por ser estructura

mixta de concreto y acero.

MODELACION CON EL PROGRAMA ANSYS

De los resultados obtenidos, se puede indicar que prcticamente

fueron iguales en los 4 programas y comparando el modelo

matemtico con la calibracin in-situ, podemos indicar que por el

programa ANSYS se obtuvo 125mm como deflexin en la cubierta

y por la medicin natural 134mm, otorgando una confiabilidad en

el resto de resultados obtenidos.

DEFLEXION DESPUES DE 40 DIAS DEL

DESASTRE

En relacin a las formas de vibracin libre, podemos indicar que la

primera forma fue de desplazamiento lateral de la cubierta, en la

segunda y tercera forma rotacional alrededor de su eje vertical y a

partir de la cuarta forma empieza a deformarse en la direccin

vertical, lo cual concuerda con el trabajo de tal tipo de cubiertas.

La no-linealidad fsica permite trabajar con la degradacin de los

materiales, coincidiendo con los resultados experimentales de

laboratorio despus de 40 y 50 das del colapso.

ESFUERZOS

DESPUES DE 40

DIAS DEL DESASTRE

Se tuvo especial cuidado en la interaccin suelo-estructura,

debido a los desniveles arquitectnicos y relieve del terreno,

utilizando el modelo elasto-plstico de Draker Prager e

incorporando el mdulo de Young, coeficiente de Poisson, ngulo

de friccin interna y cohesin.

MODELO ESPACIAL DE ELEMENTOS FINITOS PARA

EL SISTEMA DE INTERACCION - ESTRUCTURA

Mediante el modelo de interaccin suelo-estructura se pudo

comprobar el asentamiento tolerable (despus de haberlo

edificado), concordando con las mediciones topogrficas indicadas

en el expediente que indicaba 20mm una vez construida y llenadas

las piscinas.

Finalmente, se procedi al anlisis de las columnas, sus uniones,

demostrndose por medio del programa ANSYS, que existieron

problemas constructivos en el nudo superior de una de las

columnas en su conexin, originando deformaciones plsticas por

el orden de 19,8% y la prdida de estabilidad de dicho elemento

estructural, lo que ocasion fisuras subradiales en la cubierta,

producto de grandes desplazamientos y relajacin del concreto.

Las tres comisiones coincidimos con los mismos resultados y

como conclusin final, se recomend el uso responsable de

programas informticos en la evaluacin de estructuras y la

contrastacin de resultados con los experimentales in-situ.

VULNERABILIDAD

ESTRUCTURAL EN

EDIFICACIONES

AMORTIGUAMIENTO

ESTRUCTURAL DEL

2% PARA EL

CONCRETO

AMORTIGUAMIENTO EN LAS ESTRUCTURAS

Es la capacidad de una estructura para frenar con sus fuerzas de friccin la energa transmitida por una accin externa.

TIPOS DE AMORTIGUAMIENTO

El amortiguamiento de Coulomb, corresponde a un amortiguamiento de friccin, con direccin del desplazamiento y de signo opuesto al de la velocidad.

El amortiguamiento viscoso, los dispositivos amortiguadores clsicos proporcionan, por medio de un fluido viscoso que circula a travs de orificios estrechos, fuerzas resistentes proporcionales a la velocidad del movimiento y de signo opuesto.

El amortiguamiento estructural o histertico se presenta como una respuesta del comportamiento de los materiales constitutivos de la estructura, debido a una correcta configuracin de sus secciones transversales (dimensiones, cuanta de acero, resistencia, etc.)

Amortiguamiento en Normas Internacionales

SE REALIZA EL ESCALAMIENTO DE

LOS REGISTROS A Z=0.4G

PLANOS DE ARQUITECTURA DEL

MODELO A ANALISAR Y ESTUDIO

DE MECANICA DE SUELOS

CARACTERISTICAS DEL DISEO DEL

MODELO A ANALIZAR

(Z=0.4, TP=0.4, S=1.0, U=1.0, R=6.0)

SE OBTIENE LA CURVA DE

C VS AMORTIGUAMIENTO

DATOS DEL DISEO SEGN

REGLAMENTO NACIONAL DE

EDIFICACIONES

ELABORACIN DEL MODELO EN EL

PROGRAMA ETABS

SE INGRESAN LAS CURVAS DEL

ANLISIS MODAL ESPECTRAL AL

PROGRAMA ETABS

CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

DISEO ESTRUCTURAL Y

ELABORACIN DE PLANOS DE LOS

DOS MODELOS

EVALUACIN Y COMPARACIN

DE LOS COSTOS DE AMBOS

MODELOS

SE OBTIENEN LAS CURVAS DE

ACELERACIN VS PERIODO DEL

MODELO (U=1.0, TP=0.4, S=1.0)

PARA LOS DOS NIVELES DE

AMORTIGUAMIENTO (5% Y 2%)

METODOLOGIA DE TRABAJO

CORRIDA DEL MODELO MEDIANTE UN ANLISIS MODAL

ESPECTRAL PARA LOS 2 NIVELES DE AMORTIGUAMIENTO

(2% Y 5%)

VERIFICACIN DEL CUMPLIMIENTO DE LOS

REQUISITOS DEL RNE

(DERIVAS Y FUERZA CORTANTE)

DIPLOMADO DE DISEO ESTRUCTURAL - PROYECTO DE DIPLOMADO

PROCESAMIENTO DE LOS

REGISTROS SSMICOS CON EL

PROGRAMA SEISMO SIGNAL

PARA AMORTIGUAMIENTOS

ENTRE 0.5% AL 5% (10 NIVELES)

TRAZO DE LAS CURVAS CZ DE

DISEO PARA LOS 10 NIVELES DE

AMORTIGUAMIENTO, VARIANDO

EL FACTOR MAXIMO DE C.

(TP=0.4 SE MANTIENE)

OBTENCIN DE 03 REGISTROS

SSMICOS (LIMA 1974, LIMA 1966,

CHIMBOTE 1970) DE LA NORMA

E.030 DEL RNE.

PROCESAMIENTO DE REGISTROS CON EL PROGRAMA SEISMO SIGNAL

OBTENCION DE LA CURVA C VS AMORTIGUAMIENTO

OBTENCION DE LAS CURVAS DE ACELERACION VS PERIODO DEL MODELO

AMORTIGUAMIENTO DEL 5%

AMORTIGUAMIENTO DEL 2%

MODELACION ESTRUCTURAL

DISTORSIN 5%

DISTORSION 2%

INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

NORMAS INTERNACIONALES

NORMA PERUANA E030-2003

N Modelo

dinmico

Perodo de vibracin por la forma (s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Comn 0,787 0,747 0,569 0,255 0,237 0,183 0,149 0,131 0,107 0,103 0,087 0,085

2 Barkan 0,843 0,819 0,618 0,266 0,253 0,193 0,152 0,136 0,108 0,107 0,087 0,087

3 Ilichev 1,024 1,008 0,735 0,292 0,284 0,210 0,156 0,142 0,111 0,109 0,089 0,088

4 Sargsian 1,023 1,006 0,742 0,291 0,284 0,211 0,156 0,143 0,111 0,109 0,089 0,088

5 Norma Rusa 0,872 0,852 0,640 0,271 0,260 0,198 0,153 0,138 0,109 0,108 0,088 0,087

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Formas de vibracin

Pe

ro

do

s d

e v

ibra

ci

n (

s)

Comn Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

02

4

6

8

10

12

14

16

0 45 90

Angulo de inclinacin del sismo

De

sp

laza

mie

nto

en

el

eje

OY

(m

m)

Comn Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS (50 PISO)

02

4

6

8

10

12

14

16

18

0 45 90

Angulo de inclinacin del sismo

Mo

me

nto

fle

cto

r (T

.m)

Comn Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

Eleccin de Co ms adecuado

Eleccin de espesor de platea

17500

14000

10500

7000

3500

-1000

11249 21926 32603 43281 53958Misses

EDIFICACION SIN INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

Misses410343294324862167618670

-1000

3500

7000

10500

14000

17500

EDIFICACION POR EL MODELO D.D. BARKAN O.A. SAVINOV

DISTRIBUCION DE ENERGIA EN EL EDIFICIO

EFECTO DE DISIPACION DE ENERGIA

Ymx

(%)

Nmx

(%)

Vmx

(%)

Mmx

(%)

2,8 3,6 3,2 1,0

ALABEO EN LA LOSA DEL 16-vo PISO

17 221

102 306

X

Y

DESPLAZAMIENTOS VERTICALES DE LA LOSA DEL 16vo PISO (mm)

Nudo Formas de vibracin

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

102 -1,22 12,01 11,00 -1,67 -0,37 41,66 -10,82 -0,54 29,01 -0,11

306 -0,95 -12,04 -11,22 0,36 -4,34 -41,49 10,73 1,63 -29,02 0,14

17 1,21 9,43 -16,39 1,73 0,84 3,83 48,64 1,23 19,41 -0,69

221 0,96 -9,41 16,61 -0,30 3,14 -4,00 -48,55 -2,32 -19,39 0,94

Modelo de edificio regular Interaccin suelo-estructura

Modelo de edificio irregular Interaccin suelo-estructura

CONTRASTACIN DE LA HIPTESIS

Si los resultados de las fuerzas internas o esfuerzos en los

elementos estructurales obtenidos con la interaccin suelo-

estructura son menores a los obtenidos con el modelo empotrado

en la base, entonces la hiptesis ser verdadera; de lo contrario,

la hiptesis ser falsa.

PRUEBA CHI-CUADRADO (X2)

Es el nombre de una prueba de hiptesis que determina si dos

variables estn relacionadas o no, tambin es conocida como

prueba de independencia, para ello se tiene que realizar los

siguientes pasos:

1. Realizar una conjetura.

2. Plantear la hiptesis nula H0 en la que se asegura que las dos variables planteadas son independientes una de la otra, y plantear la hiptesis alternativa H1 en la que se asegura que las dos variables planteadas si son dependientes.

3. Calcular el valor de X2.

Donde: O son las frecuencias observadas y E son las frecuencias esperadas.

Para poder aplicar la prueba chi-cuadrada el tamao de la muestra debe ser mayor a 30 (n30).

4. Determinar el grado de libertad v = (N filas - 1) * (N columnas - 1).

5. Obtener el valor crtico para el grado de libertad y un nivel de significancia del 0.05 que indica que hay una probabilidad del 0.95 que la hiptesis nula sea verdadero, este valor se obtiene directamente de las tablas de chi-cuadrado.

6. Realizar una comparacin entre el chi-cuadrado calculado y el valor crtico de las tablas.

7. Interpretar la comparacin.

CONTRASTACIN DE LA HIPTESIS EDIFICACIN

REGULAR

PARA EL ELEMENTO 13

1. Se conjetura que en la interaccin ssmica suelo-estructura, la

rigidez del suelo de fundacin est relacionada con la reduccin

de las fuerzas internas o esfuerzos en los elementos estructurales

en las edificaciones.

2. H0 : La rigidez del suelo de fundacin no influye en la

reduccin de las fuerzas internas o esfuerzos en los elementos

estructurales de las edificaciones (en la formulacin de esta

hiptesis nula H0 se debe asegurar que las dos variables

planteadas son independientes una de la otra).

H1 : La rigidez del suelo de fundacin si influye en la

reduccin de las fuerzas internas o esfuerzos en los elementos

estructurales de las edificaciones.

3. Para calcular el valor del chi-cuadrado tenemos que tabular y

agrupar los datos correctamente:

Con las Tablas 96, 97 y 98 se obtuvo la Tabla 99, que es un coteo

y agrupacin de los datos y representa la frecuencia observada.

4. El grado de libertad v = (2-1)(4-1) = 3

5. El valor critico para un nivel de significancia de 0.05 con una

probabilidad de 0.95 y 3 grados de libertad es: 7.8147.

6. Como el valor de X2 calculado (12.0000) es mayor al valor

crtico (7.8147) se debe rechazar la hiptesis nula H0 hiptesis

de independencia.

7. Consecuentemente se acepta la hiptesis alternativa H1 : La

rigidez del suelo de fundacin si influye en la reduccin de las

fuerzas internas o esfuerzos en los elementos estructurales de las

edificaciones.

Por lo tanto queda demostrado la valides de la hiptesis de la

tesis para el elemento estructural 13.

MODELOS DE CALCULO

Edificacin Dimensiones (m) Peso (T)

a b h

Edificio 1 20 20 40 6688

Edificio 2 40 30 50 22500

Edificio 3 50 30 70 38535

Edificio 4 80 50 100 128000

Reactor

nuclear

74 45 70 259906

Forma Frecuencia (Hz)

1 0,767888468750

2 0,975697276585

3 1,540427084820

4 1,842079328783

5 1,845637041920

PESO vs FRECUENCIA LIBRE

Edificacin Peso (T) Primera frecuencia de

vibracin libre (Hz)

Edificio 1 6688 1,907

Edificio 2 22500 1,676

Edificio 3 38535 1,090

Edificio 4 128000 0,916

Reactor

nuclear

259906 0,768

Edificacin Potencia del estrato

flexible (m)

Primera frecuencia de

vibracin libre (Hz)

Edificio 2 30 1,676

Edificio 2 20 1,857

Edificio 2 10 2,194

POTENCIA DEL ESTRATO vs FRECUENCIA LIBRE

MODULO DE ELASTICIDAD DEL SUELO vs FRECUENCIA LIBRE

PROBLEMA ESPACIAL vs PROBLEMA PLANO

Edificio Mdulo de

elasticidad (MPa)

Primera frecuencia de

vibracin libre (Hz)

Edificio 2 300 1,676

Edificio 2 3000 3,190

Edificio 2 30000 3,659

Edificacin Relacin a/b Primera frecuencia de vibracin libre (Hz)

Problema espacial Problema plano

Edificio 1 1 1,907 1,50

Edificio 2 1,33 1,676 1,38

Edificio 3 1,67 1,090 1,01

Edificio 4 1,6 0,916 0,87

RN 1,64 0,768 0,65

Deformaciones plsticas en la base del edifico del reactor nuclear

SISMO DE BAM IRAN 2003

Deformaciones plsticas en la base del edifico del reactor nuclear

Espectros de Fourier para el sismo de Bam Irn, 2003

DISIPADORES DE

ENERGA

SISTEMAS CON DISIPADORES DE ENERGA

Disipadores de energa

Dependientes del

desplazamiento

Dependientes de

la velocidad

Dependientes del

desplazamiento y la velocidad

Viscosos Histerticos

Fluido viscosos Friccin Plastificacin

Viscoelsticos

Slido Viscoelstico Fluido Viscoelstico

Flexin

Corte

Torsin

Extrusin

Fuente : Norma ASCE 7-10 / Cap.18 Disipador metlico ADAS

TAYLOR Y EL FUNCIONAMIENTO DE LOS DISIPADORES

Pistn Cilindro Fluido de Silicona

compresible

Cabeza del pistn

(con orificios)

Cmara 2 Cmara 3

Cmara 1

Cmara de estancamiento Fluido compresible

Entrada principal

Entrada Secundaria

Corte de un disipador viscoso

Detalle de la cabeza del pistn

Funcionamiento de los

disipadores viscosos

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60 70

Tiempo (s)

Ace

lera

cin (

cm/s

2)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 0.5 1 1.5 2

Periodo (s)

Pse

ud

o a

cele

raci

on

esp

ectr

al (

cm/s

2)

Factor de reduccin de respuesta (B)

MODELAMIENTO DE LOS DISIPADORES EN EL ETABS V.9.7.4

Rigidez del brazo metlico(K)

Coeficiente de amortiguamiento(C)

E: Coeficiente de Elasticidad del Acero.

A: rea de la seccin del brazo metlico.

L: Longitud del brazo metlico.

Se calcula en base a un amortiguamiento objetivo

Su valor se fija usualmente en 0.4 a 0.6 para edificaciones

SAP 2000 / ETABS Modeling

CALCULO DEL COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO C

Ecuaciones del Fema 273 y 274

Seismic Design of Structures with

Viscous Dampers

N Coeficiente de

amortiguamiento

(T.s/m)

Exponente de

amortiguamiento

Rigidez

(T/m)

Fluencia

(T)

Radio de

rigidez

post-

fluencia

Exponente

de fluencia

VD 10,85 0,5 54,25 - - -

VE 177,65 1,0 882,43 - - -

FD - - 25007,5 2,9 0,000 0,5

YD - - 2500 3,25 0,025 2,0

ESCALAMIENTO DE ACELEROGRAMAS AL ESPECTRO DE DISEO

Tiempo (s) Vs Aceleracin (cm/seg2)

Periodo (s) Vs Aceleracin (cm/seg2)

Sismomatch versin 2.1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Formas de vibracin

Per

odos

de

vib

raci

n.

(s)

Sin DisipadoresDisipadores ViscososDisipadores ViscoelsticosDisipadores FriccinDisipadores Fluencia

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Desplazamientos (cm)

Pis

os

VD SD VE FD YD

01

2

3

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

Distorsiones (cm/cm)

Pis

os

VD SD VE FD YD

20

23

26

29

32

SD VD VE FD YD

Modelos Dinmicos

Fu

erza

ax

ial.

(T)

14

17

20

23

26

SD VD VE FD YD

Modelos Dinmicos

Fuer

za c

ort

ante

(T)

32

36

40

44

48

SD VD VE FD YD

Modelos Dinmicos

Mom

ento

fle

ctor

(T.m

)

Edificio sin disipadores

Edificio con disipador viscoso

Edificio con

disipador por friccin

Edificio con disipador

viscoelstico

Disipador viscoelstico

Edificio con disipador

por fluencia

VERIFICACIN DEL COMPORTAMIENTO HISTERTICO

El comportamiento

histertico del disipador D6

no se ajusta al esperado .

Verificacin de derivas

Se puede ver un ligero incremento

en los desplazamientos de cada

nivel, as mismo la deriva mxima

de entrepiso se increment 0.07, lo cual demuestra que efectivamente

solo se requera de una arreglo

diagonal en el primer nivel en lugar

de un arreglo en doble diagonal.

Mximo Stroke

El mximo stroke es el desplazamiento mximo que obtenemos en los dispositivos,

este dato es empleado para el diseo de la cmara de acumulacin.

Este valor se puede obtener evaluando las curvas hiterticas de cada disipador, en

este caso, el mximo stroke se encuentra en el dispositivo 4 (ver figura180)

Por lo general el fabricante maneja un factor de seguridad estableciendo

usualmente el stroke en 5cm

DETALLE UNION TUBO DIAGONAL CON DISIPADOR

DETALLE TUBO DIAGONAL CON VIGA Y DISIPADOR CON VIGA

-Carga Ssmica (Ex)

Se cre un Espectro de Diseo siguiendo el NEC-11.

Las caractersticas del Espectro son:

LOCALIZACIN

Ciudad: Guayaquil

Regin: Costa (sin

Esmeraldas)

Zona: 5

z = 0.40 g

= 1.80

SUELO Y FACTORES DE SITIO

Tipo de suelo: E

r = 1.50

Fa = 1.15

Fd = 1.60

Fs = 1.90

PARMETROS DE DISEO

I = 1.00

R = 3.00

P = 1.00

E = 1.00

PERIODO CORTO Y PERIODO CRTICO

T0 = 0.26 seg

Tc = 1.45 seg

DISTRIBUCIN DE ENERGA

REDISEO CON DVE

ENERGA (Ton - m)

Entrada Cintica Potencial Amortig.

Modal DVE

GYE 93 - CENTENARIO

38.06 11.76 5.61 20.58 17.32

% E. Entrada 100% 31% 15% 54% 46%

ENERGA

Amortiguamiento Modal

DVE

PRTICO SIN DVE 91% -

PRTICO CON DVE 48% 51%

REDISEO CON DVE 54% 46%

SIN DVE CON DVE REDISEO CON DVE

ANLISIS MODAL NO LINEAL TIEMPO-HISTORIA

AISLADORES

SSMICOS EN LA

BASE

ENSAYO EXPERIMENTAL

MODELO EN EL MEF

MUCHAS GRACIAS!

genner_vc@hotmail.com

www.gennervillarrealcastro.blogspot.com

www.youtube.com/user/gennervc/feed

RECUERDA SIEMPRE QUE LA HUMILDAD Y DIGNIDAD SON LOS VALORES MAS

IMPORTANTES EN NUESTRAS VIDAS,

JAMS LOS PIERDAS, PORQUE SINO

HABRS PERDIDO EL VERDADERO RUMBO

DE TU VIDA