Evaluación sismo-resistente del sistema constructivo cubano

En la investigación se realiza la evaluación del comportamiento sismo-resistente del Sistema Constructivo Cubano de Pórtico, con Viga Metálica con Losa Compuesta, para facilitar la utilización del mismo en edificaciones ubicadas en cualquier zona del país.

Se realiza un modelo estructural detallado para el análisis sísmico que permite la variación de diferentes parámetros y evaluar su incidencia en la capacidad sismo-resistente del Sistema Constructivo. Entre los parámetros evaluados se encuentran el peso del edificio, la cantidad de niveles, la zona sísmica y el perfil de suelo.

El Sistema Constructivo en su versión original presenta insuficiente rigidez para soportar la carga sísmica. La modificación que se introduce en el Sistema Constructivo con la adición de tirantes en forma de crucetas garantiza el cumplimiento de todos los requisitos de diseño y sienta las bases para el desarrollo de proyectos detallados del sistema que permitan la elaboración de proyectos ejecutivos con garantía sismo-resistente que se puedan ubicar en cualquier lugar del territorio nacional.

Earthquake-resistant evaluation of Structural Cuban System based on steel frame with Composite slab.

ABSTRACT

In the investigation is carried out the evaluation of the earthquake-resistant behavior of the Structural Cuban System based on steel frame with Composite slab, to facilitate the use of the same one in constructions located in any area of the country.

A detailed structural model is carried out for the seismic analysis that allows the variation of different parameters and to evaluate their incidence in the earthquake-resistant capacity of the System. Among the evaluated parameters they are the weight of the building, the quantity of levels, the seismic area and the soil profile.

Original version of System presents insufficient rigidity to resist the seismic load. The modification that is introduced in the System with the addition of structural elements guarantees the execution of all the design requirements settle down the bases for the development of detailed projects of the System that allow the execution of projects with earthquake-resistant guarantee that can be located in any place of the national territory.

PALABRAS CLAVES: Sistemas estructurales metálicos, comportamiento sismo-resistente.

KEY WORDS: Structural steel Systems, earthquake-resistant behavior.

Introducción

La creciente escasez de viviendas, problema que aqueja no solo a Cuba sino que es común en muchos otros países, ha impulsado el desarrollo de nuevas técnicas constructivas y de soluciones originales tendientes a reducir costos y aumentar la rapidez de ejecución. No puede negarse el importante papel que juega la prefabricación en la acertada resolución de los problemas constructivos, por medio de la industrialización y los medios de trabajo. Se entiende que este, es sin lugar a dudas, el camino que debe tratar de emprenderse de inmediato, como una manera de encarar, de forma relativamente racional y armónica, la construcción masiva de viviendas.

En el caso específico de Cuba se han realizado valiosas investigaciones sobre sistemas constructivos con losa compuesta con vigas metálicas para viviendas hasta tres niveles, encaminados a establecer los documentos técnicos para la elaboración de proyecto ejecutivos. Entre los resultados investigativos obtenidos se encuentra el Sistema Constructivo Cubano de Pórtico, con Losa Compuesta con Vigas Metálicas

En la investigación se evalúa el comportamiento sismo-resistente del Sistema Constructivo Cubano de Pórtico, con Losa Compuesta con Vigas Metálicas, en correspondencia con la zonificación sísmica existente en el país y la normativa vigente, con la finalidad de establecer los requisitos para la elaboración de proyectos ejecutivos detallados del Sistema y facilitar su utilización en proyectos de edificaciones racionales y seguros de alcance nacional.

Sistema Constructivo Cubano de Pórtico, con Losa Compuesta con Vigas Metálicas

El sistema está formado por pórticos metálicos. La solución de cubierta y entrepisos se logra a través del trabajo compuesto de la losa con lámina colaborante y de la losa compuesta a su vez con las vigas metálicas. Las láminas metálicas que forman el llamado steeldeck sirven de plataforma de trabajo en la etapa de construcción.

Se utilizan columnas de acero de 3.0m de altura, que están separadas en intercolumnios de 3.60 m como máximo. Los módulos de luces empleadas son de 1.8m, 2.40m y 3.60m. La cantidad máxima de niveles que se permite alcanzar es de tres.

Sistemas constructivos y su comportamiento ante la carga sísmica

Los sistemas constructivos para que tengan buen comportamiento ante el sismo , por lo general deben ser regulares, tanto en planta como en elevación, las cargas deben ser uniformes o ir disminuyendo con la altura si es posible, poseer sistema vertical de resistencia a las cargas laterales simétricos y deben tener continuidad hacia la losa para que permitan que esta trabaje como un diafragma rígido capaz de redistribuir los esfuerzos de cortante en el sismo, las conexiones entre elementos deben ser monolíticas y estar preparadas para resistir cargas sísmicas. En el caso de los muros deben estar confinados.

Para garantizar el comportamiento dúctil de las estructuras es preciso suministrar adecuada ductilidad a nivel del material y a nivel seccional y de los miembros que componen el sistema (columnas, vigas, riostras, conexiones).

En las estructuras sismo-resistente, el control de la inestabilidad resulta de mayor importancia, que en estructuras comunes, dado que su ocurrencia degrada la respuesta en términos de resistencia y rigidez, disminuyendo así su capacidad de disipar energía.

Métodos de análisis y diseño sísmico

Para el análisis sísmico de las estructura de edificios se puede recurrir a tres tipos de análisis.

–Método simplificado: es el más simple de utilizar, sin embargo solo es aplicable a sistemas estructurales de muros de carga, considerados regulares, con altura no mayor de 13 m

-Análisis estático: Se basa en representar la acción del sismo con fuerzas horizontales que actúan en los centros de masa de los sistemas de piso.

-Análisis dinámico: las fuerzas laterales aplicadas en los centros de masas de los pisos se determinan a partir de la respuesta dinámica de la estructura.

Cuando en el análisis dinámico se tome en cuenta las excentricidades estáticas, solo será necesario incluir la torsión accidental, con la traslación transversal de los centros de masas de cada nivel ± 0.05 en cada dirección de análisis.

El procedimiento de análisis dinámico modal tiene la ventaja de determinar la distribución real de las fuerzas laterales, de las masas y una distribución de rigideces a lo largo de la altura de una estructura irregular, que puede diferir apreciablemente de la distribución lineal simplificada asumida en el método de la fuerza lateral estática. Además, considera los efectos de los modos más altos de la respuesta de una estructura, alguno de los cuales puede contribuir significativamente en la respuesta global de la estructura.

La fuerza cortante basal de diseño obtenida por el método dinámico no puede ser menor que 80% de la que suministraría un análisis estático tomando en cuenta el periodo fundamental de la estructura. Sin embargo, en ningún caso el cortante será menor que A0Wtotal, donde A0 es la aceleración máxima del terreno normalizada con la aceleración de la gravedad.

Cualquiera que sea el método aplicado, se consideran en general cuatro aspectos fundamentales para cuantificar la acción sísmica: sismicidad propia del lugar, las características del suelo de cimentación, el destino o importancia de la construcción y las características principales de la respuesta estructural, vinculadas principalmente a su ductilidad.

Las vibraciones del terreno causadas por un sismo tienden a ser mayores en suelos suaves que en suelos firmes o roca. Como las vibraciones se propagan a través del material presente debajo de la estructura éstas pueden ser amplificadas o atenuadas dependiendo del periodo fundamental del material.

Cuanto mayor es el valor de R, la estructura tiene una menor capacidad de resistencia lateral y mayor es su demanda de deformación inelástica, lo que a su vez implica mayor posibilidad de daño estructural.

El valor de R se incrementa a medida que la ductilidad de la estructura aumenta y su capacidad de disipación de energía aumenta.

Desarrollo

En este tópico se expone la evaluación sismo-resistente del Sistema Constructivo Cubano de Pórtico, con Losa Compuesta con Vigas Metálicas.

Comprobación de las condiciones de regularidad

• a) Regularidad en planta

Centro de masa

Como todas las masas están uniformemente distribuidas en los tres niveles el centro de masa se considera en.

Xcm= 4.50 m Zcm= 7.20 m

Centro de rigidez o de torsión

Como todos los pórticos tanto en el sentido transversal como longitudinal son iguales y están distribuidos simétricamente su centro de rigidez se considera en.

Xcm= 4.50 m Zcm= 7.20 m

• Como las coordenadas del centro de masa y rigidez coinciden en los dos sentidos principales la excentricidad es cero, lo que no excede al 15% del radio elástico.

• La estructura base no posee ni entrante ni saliente.

• La relación largo-ancho del sistema base es menor que tres.

14.4/9=1.6<3 Ok

• Los diafragmas de piso son continuos al no presentar aberturas.

• Todos los elementos resistentes son paralelos y simétricos.

Por lo tanto la estructura es regular en planta y pudiera escogerse un modelo estructural plano para el análisis.

• b) Regularidad vertical

• La distribución de rigidez y de masa en toda la altura del sistema base es uniforme.

• La relación de altura a la dimensión menor de la base es menor de 4

9/9=1.0<3 Ok

• Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en ambas direcciones por diafragmas horizontales o vigas.

• No hay discontinuidad en los elementos resistentes a las cargas laterales

Teniendo en cuenta lo anterior puede concluirse que la estructura es regular verticalmente y puede usarse solamente el análisis estático.

Como la estructura es regular tanto en planta como en elevación y aunque su análisis puede hacerse mediante un modelo plano. Se tomó un modelo espacial que pudiera mostrar la forma de trabajo de la estructura en los tres modos principales de vibración.

Modelo estructural

Se adoptó un modelo espacial simplificado, con un pórtico rígido en la luz intermedia del sentido transversal y completamente rígido en el sentido longitudinal. Se consideró que los entrepisos y cubierta son diafragmas rígidos, ya que la losa es compuesta y las vigas metálicas están conectadas a ellas mediante conectores tipo pernos. Los pórticos están compuestos por vigas HE120B articuladas que trabajaran de forma compuesta con la losa y HE240A en el pórtico rígido en el sentido transversal e IPR270 en el sentido longitudinal. Las columnas interiores son de perfiles HE240A y las exteriores de HE200A, todos tomados de la norma europea. Sus bases estarán empotradas en la cimentación. La matriz de rigidez de la estructura es generada por el software profesional STAADPro.2006 a partir de los materiales propuestos, la geometría y de los vínculos de sus elementos componentes. El modelo se muestra en figura 2.1

Fig. 2.1. Modelo estructural

Método dinámico

Actualmente las herramientas computacionales han permitido el desarrollo de modelos y métodos analíticos para la evaluación de la respuesta de las estructuras bajo excitaciones dinámicas. La elección del tipo de análisis que deberá aplicarse en un caso específico dependerá de la estructura misma, de su uso e importancia, su definición geométrica y el criterio del diseñador.

Para calcular el cortante en la base o la fuerza sísmica total se utilizó el programa profesional de cálculo STAAD.Pro 2006, teniendo en cuenta toda la información necesaria del sistema evaluado y las condicionales impuestas por la norma sísmica vigente en el país.

Cargas sísmicas

Se modelaron las cargas sísmicas en formas de masa actuando en las tres direcciones principales determinada por el peso total de la carga permanente (peso propio y carga permanente), el peso del 50% de la carga temporal de corta duración del entrepiso, el 80% de la carga de larga duración en el entrepiso y el 50% de la carga de corta duración de la cubierta. El cortante sísmico es generado por el STAADPro.2006 a partir del coeficiente espectral de diseño recomendado en la Norma Sísmica Cubana para diferentes perfiles de suelo, el coeficiente de dirección y las masas del edificio.

Figura.2.2 Espectros de diseño según la NC 46:1999

Método de cálculo

El método de cálculo utilizado fue el de análisis dinámico modal simplificado a través del método del espectro de respuesta, utilizando como fórmula de superposición la SRSS (Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados) establecido por la norma cubana, resolviendo el problema de los valores propios por el método de los vectores de Ritz, considerándose en el análisis al menos las10 primeras formas propias.

Obtención de los coeficientes de dirección según norma cubana

Coeficientes de dirección según zona sísmica.

Donde

A Es la aceleración horizontal máxima del terreno expresada como una fracción de la gravedad correspondiente a una zona sísmica determinada.

I Es el coeficiente que tiene en cuenta el riesgo sísmico en función de la importancia de la obra, adimensional.

g aceleración de la gravedad.

Rd Es el coeficiente de reducción por ductilidad que dependerá del sistema estructural utilizado y el nivel de ductilidad, adimensional.

Para zona 3

Para zona 2

Para zona 1

Combinaciones de cargas

Todos los elementos son diseñados para cumplir con las condiciones más severas producidas por las combinaciones de carga indicadas en la NC 450:2006. "Edificaciones factores de carga o ponderación, combinaciones". Se escogieron las siguientes combinaciones de carga:

• 1.4CP

• 1.2CP+1.6CUE+0.5CUC

• 1.2CP+0.5CUE+1.6CUC

• 1.2CP+1.6CUC+0.8CVL

• 1.2CP+1.6CUC+0.8CVF

• 1.2CP+0.5CUE+0.5CUC+1.6CVL

• 1.2CP+0.5CUE+0.5CUC+1.6CVF

• 1.2CP+0.5CUE+0.5CUC+CSX

• 1.2CP+0.5CUE+0.5CUC+CSZ

• 0.9CP+1.6CVL

• 0.9CP+1.6CVF

• 0.9CP+CSX

• 0.9CP+CSZ

COMBINACIONES NC 46:1999

• CP+CSX+0.3CXZ

• CP+0.3CSX+CXZ

• CP-CSX-0.3CXZ

• CP-0.3CSX-CXZ

• CP+CSX+0.5CXZ

• CP+0.5CSX+CXZ

• CP-CSX-0.5CXZ

• CP-0.5CSX-CXZ

Las combinaciones de carga para la comprobación de la deformación son las establecidas en el apéndice B de la norma ASCE 7-10 "Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras".

Las deformaciones admisibles máximas consideradas fueron:

• Horizontal en columna (para carga de viento) 1/400

• Horizontal en columna (para carga de sismo) 1/600

Diseño de elementos estructurales

Todos los elementos de acero estructural laminado en caliente son diseñados por la norma: "Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings", 1999, American Institute of Steel Construction (AISC) y el "Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design" 3rd Edition, 2003. El análisis y el diseño estructural se realizaron con apoyo del software Staad Pro 2006, mediante modelado 3D.

Parámetros de control

Los parámetros de control considerados para la valoración del edificio fueron: los períodos correspondientes a las tres primeras formas propias, factores de participación modal de las masas, cortantes basales correspondientes a las direcciones de acción sísmica, desplazamientos horizontales extremos totales y relativos.

Conclusiones

La investigación realizada condujo a las siguientes conclusiones:

-Se ha realizado una valoración integral del comportamiento sismo-resistente del Sistema Constructivo Cubano de Pórtico, con Viga Metálica con Losa Compuesta, evaluando la incidencia de diferentes parámetros como el peso del edificio, la cantidad de niveles, la zona sísmica y el perfil de suelo. El detallado y riguroso modelo estructural elaborado contribuyó decisivamente en la evaluación realizada y en el amplio manejo de los resultados obtenidos para las diferentes variantes.

-El Sistema Constructivo en su versión original existente presenta insuficiente rigidez para soportar la carga sísmica ya que los desplazamientos laterales que se obtienen son superiores a los admisibles según la normativa cubana vigente.

-La modificación que se introduce en el Sistema Constructivo con la adición de tirantes en forma de crucetas garantiza el cumplimiento de todos los requisitos de diseño y sienta las bases para el desarrollo de proyectos detallados del sistema que permitan la elaboración de proyectos ejecutivos con garantía sismo-resistente que se puedan ubicar en cualquier lugar del territorio nacional.

-El proceso de análisis y diseño permitió definir las características geométricas de los tirantes que se utilizaran en la variante sismo-resistente del sistema, así como los requisitos para su ubicación en la configuración general del sistema

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Autor:

(*) Ing. Alfredo Pérez García.

Especialista en Proyectos de Estructuras. Empresa de Proyectos IPROYAZ. Las Tunas. Cuba.

(**) Dr. Ing. Noel Iraola Valdés.

Profesor Titular. Facultad de Construcciones. Universidad de Camagüey. Cuba.