Ingeniería Sismoresistente - Sesión 2: Interacción Sísmica Suelo-Estructura en Edificaciones con...

INTERACCION SISMICA SUELO-ESTRUCTURA EN EDIFICACIONES

CON CIMENTACIONES SUPERFICIALES

DR. GENNER VILLARREAL CASTRO DOCTOR (Ph.D) EN INGENIERIA SISMO-RESISTENTE

PROFESOR PRINCIPAL EN PREGRADO Y POSTGRADO UPC

PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008

PRINCIPALES AREAS DE

INVESTIGACION SISMICA

• METODOS

ESTADISTICOS

(PROBABILISTICOS) →

sismos son procesos

eventuales no

estacionarios

• INTERACCION SUELO-

ESTRUCTURA →

contacto dinámico entre

la base y la estructura

• NO-LINEALIDAD

GEOMETRICA Y FISICA

→ diagramas no-lineales

desplazamiento-

deformación (geométrica)

y esfuerzo-deformación

(física)

• TRABAJO ESPACIAL Y

MULTIPLES

COMPONENTES DE

ACCION SISMICA

i Módulo Tangencial de Paso

i

DAÑOS EN EDIFICACIONES CON Y SIN AISLAMIENTO

SISMICO

Base aislada Base

empotrada

junta sísmica

EFECTO DEL AISLAMIENTO EN LAS DEMANDAS SISMICAS DE RESISTENCIA

Acele

ració

n e

sp

ectr

al (g

)

0.4

0.6

0.8

0.2

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Periodo (seg)

MODELOS DINAMICOS DE

INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

1 m

m 2

m n

X

X

..

..

20

10

Péndulo invertido

Rayanna B., Munirudrappa N. (India)

1m

mn

mk

D

K

x

x

D K

Kobori T. y otros (Japón)

m1

2m

m3

Onen Y.H., Tomas M.S. (Turquía)

km

4m

1m

5m

2m

6m

3m

mn

..X (t) (t + t )X

..1 2

..X (t + t )

Birulia D.N. (Rusia)

men

ekm

e2m

e1m s3m s4ms2ms1m

s5m s6m s7m s8m s9m

Ukleba D.K. (Uzbekistán)

k

mnk

2

22nkm

k j

jm

2knk

nkk2

2k

m0

0k

Nikolaenko N.A., Nazarov Yu.P. (Rusia)

2x

x1

x3

X2

X3

X1

c

0

Giróscopo vertical libre o sistema vertical de

cuerpos sólidos unidos elásticamente

MODELO DINAMICO DE INTERACCION

SISMICA SUELO-CIMENTACION

SUPERFICIAL-SUPERESTRUCTURA

COEFICIENTES DE RIGIDEZ

1. MODELO D.D. BARKAN – O.A. SAVINOV

ACK zz

ACK xx

ICK

0

0 ..

)(21

A

baCCz

0

0 ..

)(21

A

baDCx

0

0 ..

)3(21

A

baCC

2. MODELO NORMA RUSA SNIP 2.02.05-87

ACK zz

ACK xx

ICK

ICK

zx CC 7,0

A

AEbCz

10

0 1

zCC 2

zCC

mz

zpC

E6

zx 6,0

z 5,0

z 3,0

Modelo de Winkler E.

2

11

11

21

h

EC

2

2

2

22

1

1

1

1

2121

1

E

h

E

hC

Solo un estrato de suelo:

Para dos estratos de suelo:

C 1

q

CALCULO DE EDIFICACIONES CON PLATEAS DE

CIMENTACION SOBRE BASES ELASTICAS

Modelo de Pasternak P.L.

2

11

11

21

h

EC

1

112

16

hEC

2

2

2

22

1

1

1

1

2121

1

E

h

E

hC

2

222

22

1

11

2

2

21

33116

1

hEhEC

Solo un estrato de suelo:

•Para dos estratos de suelo:

C 1

C 2 C 2

q

Modelo del Semiespacio Elástico

c

kkz

H

hvV

).(

Cabe indicar que el programa LIRA 9.2 ofrece la

posibilidad de realizar dicho calculo.

)1(62

s

ck

V

HEC

).

(

).(

k

kzpk

kzpk

z

E

h

hE

)1(21

sc

k

VH

EC

OBJETO DE INVESTIGACION

Características de la edificación

Edificación típica de 5 pisos, con sistema estructural aporticado

Altura de entre piso

3.5m

Columnas

50 x40cm

Vigas

Sentido en “X” (40x60cm)

Sentido en “Y” (50 x60cm)

Sobrecarga

200 kg/m2

Losas

1er al 4to piso (20cm)

5to piso (18cm)

Primer estrato: Arcilla Arenosa:

A 1m : E = 3100 T/m2

ν = 0,24

A 2m : E = 3350 T/m2

ν = 0,25

A 3m : E = 3 650 T/m2

ν = 0,27

A 4m : E = 3900 T/m2

ν = 0,28

Segundo Estrato : Arena Densa

A 5m : E = 6400 T/m2

ν = 0,30

A 6m : E = 7500 T/m2

ν = 0,31

A 7m : E = 8500 T/m2

ν = 0,33

A 8m : E = 9600 T/m 2

ν = 0,34

CARACTERISTICAS DEL SUELO

MODELO UN ESTRATO DOS ESTRATOS

C1 C2 C1 C2

WINKLER 1011,79 - - -

PASTERNAK 1011,79 1851,85 721,55 4756,41

SEMIESPACIO

ELASTICO 956,58 1773,06 726,49 3418,67

Se dividió la platea en elementos de 1,0 m x 1,0 m

COFICIENTES DE RIGIDEZ

MODELACION ESTRUCTURAL

RESULTADOS DE INVESTIGACION

RESULTADOS DE INVESTIGACION

Características del suelo:

SUELO FLEXIBLE

Primer estrato:

A 1m : E = 500 T/m2

ν = 0,17

A 2m : E = 650 T/m2

ν = 0,18

A 3m : E = 800 T/m2

ν = 0.20

A 4m : E = 950 T/m2

ν = 0,21

SUELO INTERMEDIO

Primer estrato: A 1m : E = 3100T/m2

ν = 0,24

A 2m : E = 3350 T/m2

ν = 0,25

A 3m : E = 3650 T/m2

ν = 0,27

A 4m : E = 3900 T/m2

ν = 0,28 SUELO RIGIDO

Primer estrato:

A 1m : E = 9000 T/m2

ν = 0,30

A 2m : E = 10500 T/m2

ν = 0,31

A 3m : E = 13500 T/m2

ν = 0,33

A 4m : E = 15000 T/m2

ν = 0,34

COMPARACIÓN ENTRE TIPO DE SUELOS

COMPARACIÓN ENTRE TIPO DE SUELOS

SUPERESTRUCTURA

20

30

40

50

60

70

80

90

FLEXIBLE INTERMEDIO RIGIDO

Desp

lazam

ien

tos e

n X

(m

m)

DESPLAZAMIENTOS

COMPARACIÓN ENTRE TIPO DE SUELOS

SUBESTRUCTURA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

FLEXIBLE INTERMEDIO RIGIDO

Asen

tam

ien

tos e

n Z

(m

m)

ASENTAMIENTOS

CALCULO DE EDIFICIO APORTICADO DE 5 PISOS

CON ZAPATAS AISLADAS, CONSIDERANDO LA

INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA

400

600

5000

5000

5000

5000

6000 6000

1 1

15

0

25

0

40

05

00

50

05

00

50

0

32

0

18

0

10

00 35

00

35

00

35

00

35

00

35

00

21-25116-120 121-125

46-5071-75

141-145 161-165 181-185

16-20106-110 111-115

66-7041-45

136-140 156-160 176-180

11-1536-40

96-100 101-105

61-65

131-135 151-155 171-175

6-1031-35

86-90 91-95

56-60

126-130 146-150 166-170

1-5 76-80

26-30

81-85 51-55

y

x

CM(P1-P5)

Edificación sin interacción suelo-estructura

Edificación con interacción suelo-estructura

NORMA PERUANA E030-2003

N Modelo

dinámico

Período de vibración por la forma (s)

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

1 Común 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 vibración

Pe

río

do

s d

e v

ibra

ció

n (

s)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

N Modelo

dinámico

Desplazamiento

máximo (mm) FUERZAS INTERNAS

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)

Vmáx

(T)

Mmáx

(T.m)

Mt,máx

(T.m)

1 Común 1,38

(P.5)

12,04

(P.5)

10,20

(21)

4,23

(56,66)

10,69

(56,66)

0,19

(varios)

2 Barkan 1,59

(P.5)

12,68

(P.5)

9,42

(1)

4,02

(56,66)

10,55

(56,66)

0,19

(varios)

3 Ilichev 1,77

(P.5)

14,94

(P.5)

7,67

(1)

3,51

(61)

10,15

(56,66)

0,19

(varios)

4 Sargsian 1,72

(P.5)

14,83

(P.5)

7,81

(1)

3,58

(61)

10,16

(56,66)

0,19

(varios)

5 Norma Rusa 1,65

(P.5)

13,03

(P.5)

9,11

(1)

3,92

(56,66)

10,46

(56,66)

0,19

(varios)

NORMA PERUANA E030-2003 (α=00)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 45 90

Angulo de inclinación del sismo

De

sp

laza

mie

nto

en

el

eje

OY

(m

m)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS (50 PISO)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 45 90

Angulo de inclinación del sismo

Fu

erz

a a

xia

l (T

)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 45 90

Angulo de inclinación del sismo

Mo

me

nto

fle

cto

r (T

.m)

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

N Modelo dinámico

Desplazamiento

máximo (mm) FUERZAS INTERNAS

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)

Vmáx

(T)

Mmáx

(T.m)

Mt,máx

(T.m)

1 Común 2,43

(P.5)

17,41

(P.5)

21,30

(21)

11,19

(56)

25,54

(56)

0,36

(varios)

2 Barkan 2,52

(P.5)

17,79

(P.5)

20,51

(1)

10,54

(56)

21,28

(56)

0,35

(varios)

3 Ilichev

(sin disipación)

3,55

(P.5)

23,97

(P.5)

15,55

(1)

7,38

(61)

15,01

(56)

0,33

(varios)

4 Ilichev

(con disipación)

3,36

(P.5)

23,13

(P.5)

15,86

(1)

7,49

(61)

15,42

(56)

0,33

(varios)

5 Sargsian 3,29

(P.5)

22,73

(P.5)

16,02

(1)

7,65

(61)

15,64

(56)

0,34

(varios)

6 Norma Rusa

(sin disipación)

2,68

(P.5)

18,59

(P.5)

19,08

(1)

9,60

(56)

19,63

(56)

0,35

(varios)

7 Norma Rusa

(con disipación)

2,66

(P.5)

18,19

(P.5)

19,49

(1)

9,89

(56)

20,47

(56)

0,35

(varios)

ACELEROGRAMA DE LIMA

PROGRAMA LIRA v. 9.0

5 7

19

63

2

8

410

Z

Y

X

l

EAK altraslacion

l

EIK rotacional

3

N Modelo dinámico

Desplazamiento

máximo (mm) FUERZAS INTERNAS

Xmáx Ymáx Nmáx

(T)

Vmáx

(T)

Mmáx

(T.m)

Mt,máx

(T.m)

1 Común 1,59

(P.5)

14,14

(P.5)

18,14

(21)

7,47

(56,66)

19,97

(56,66)

0,23

(varios)

2 Barkan 1,78

(P.5)

15,47

(P.5)

17,85

(1)

6,80

(56,66)

18,79

(56,66)

0,23

(varios)

3 Ilichev 2,45

(P.5)

20,45

(P.5)

15,05

(1)

5,00

(61)

14,04

(56,66)

0,23

(varios)

4 Sargsian 2,36

(P.5)

19,82

(P.5)

15,22

(1)

5,22

(61)

14,42

(56,66)

0,23

(varios)

5 Norma Rusa 1,89

(P.5)

16,29

(P.5)

17,52

(1)

6,58

(56,66)

18,57

(56,66)

0,23

(varios)

NORMA RUSA SNIP II-7-81*

0

5

10

15

20

25

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

Modelos dinámicos

De

sp

laza

mie

nto

en

el

eje

OY

(m

m)

Norma Peruana E030-2003 Norma Rusa SNIP II-7-81*

Acelerograma de Lima Acelerograma de Moyobamba

DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS (50 PISO)

0

5

10

15

20

25

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

Modelos dinámicos

N (

T)

Norma Peruana E030-2003 Norma Rusa SNIP II-7-81*

Acelerograma de Lima Acelerograma de Moyobamba

0

5

10

15

20

25

30

Común Barkan Ilichev Sargsian Norma Rusa

Modelos dinámicos

M (

T.m

)

Norma Peruana E030-2003 Norma Rusa SNIP II-7-81*

Acelerograma de Lima Acelerograma de Moyobamba

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

17500

14000

10500

7000

3500

-1000

7272 13978 20684 27390 34096Misses

EDIFICACION POR EL MODELO V.A. ILICHEV

•El mayor efecto de flexibilidad de la base de

fundación se da en el modelo ILICHEV

* El menor efecto de flexibilidad de la base de

fundación se da por el modelo BARKAN

* Para el cálculo estructural se debe exigir el

ANALISIS TIEMPO-HISTORIA, siendo el

ANALISIS ESPECTRAL referencial.

* El efecto de flexibilidad de la base de

fundación será muy notorio en edificios

con suelo blando

* Se debe de incorporar en la Norma

Peruana el efecto de INTERACCION

SUELO-ESTRUCTURA

¡MUCHAS GRACIAS!

pccigvil@upc.edu.pe