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COMPARACIÓN ECONÓMICA Y DE DESEMPEÑO DE TRES ALTERNATIVAS ESTRUCTURALES PARA UN EDIFICIO MULTIFAMILIAR APORTICADO
Nigel Antonio Poquechoque Espada
Centro de Estudio de Posgrado e Investigación
I
2025
Español
Español -
Bolivia
Código: MIE-02-25
Ubicación Física: P894c/MIE-02-25
Carrera: libro.carrera
Título: COMPARACIÓN ECONÓMICA Y DE DESEMPEÑO DE TRES ALTERNATIVAS ESTRUCTURALES PARA UN EDIFICIO MULTIFAMILIAR APORTICADO
Autor Institucional:
1.1 INTRODUCCIÓN 1 1.2 CONCEPTO 2 1.3 PREGUNTA 3 1.4 HIPÓTESIS 3 1.5 OBJETIVOS 3 Objetivo General 3 Objetivos Específicos 3 1.6 JUSTIFICACIÓN 3 1.7 MARCO TEÓRICO 4 1.8 DISEÑO METODOLÓGICO 5 1.9 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES 5 1.10 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS 6 TABLA DE CONTENIDO CAPITULO 1: MARCO TEÓRICO: DESEMPEÑO SÍSMICO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO 1.1 Introducción 7 1.2 Desempeño Sísmico 8 1.3 Niveles de Desempeño 9 1.4 Niveles de Desempeño Definidos por ATC-40 9 1.4.1 Niveles de Desempeño Para Elementos Estructurales 9 1.4.1.1 Ocupación Inmediata SP-1 9 1.4.1.2 Daño Controlado SP-2 10 1.4.1.3 Seguridad de la Vida SP-3 10 1.4.1.4 Seguridad Limitada SP-4 10 1.4.1.5 Estabilidad estructural SP-5 10 1.4.1.6 No considerado SP-6 11 1.4.2 Niveles de Desempeño Para Elementos No Estructurales 11 1.4.2.1 Operacional NP-A 11 1.4.2.2 Ocupación Inmediata NP-B 11 1.4.2.3 Seguridad de la vida NP-C 11 1.4.2.4 Amenaza Reducida NP-D 11 1.4.2.5 No considerado NP-E 12 1.5 Niveles de Desempeño para las Estructuras 12 1.5.1 Operacional 1-A 12 1.5.2 Ocupación Inmediata 1-B 12 1.5.3 Seguridad de la Vida 3-C 13 1.5.4 Próximo al Colapso 5-E 13 1.6 Niveles de Amenaza Sísmica 13 1.7 Objetivos de Desempeño 14 1.7.1 Edificaciones de Seguridad Critica 15 1.7.2 Estructuras Esenciales 16 1.7.3 Estructuras Básicas 16 1.8 Curva de Capacidad Resistente de una Estructura 16 1.9 Análisis Estático No Lineal – Pushover 17 1.10 Representación Bilineal de la Curva de Capacidad 17 1.10.1 Sectorización de la Curva de Capacidad 18 1.11 Métodos para el Cálculo de la Demanda o Punto de Desempeño 19 1.12 Método de los Coeficientes de Desplazamiento 20 1.12.1 Determinación de Fuerzas, Desplazamientos y Deformaciones 21 1.13 Límites de los Niveles de Desempeño según la Deriva Máxima Permisible 23 CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO: EDIFICIOS DE HORMIGÓN ARMADO APORTICADOS 2.1 Introducción 24 2.2 Relación Momento Curvatura 25 2.1.1 Modelos Constitutivos Esfuerzo – Deformación para el Acero 26 2.1.2 Modelos Constitutivos Esfuerzo - Deformación para el Concreto 26 2.2 Diagrama Momento Curvatura M - Ø 27 2.3 Rótulas Plásticas 28 2.4 Diagramas y Criterios de Aceptación de acuerdo al FEMA 356 30 2.5 Modelación Estructural de la No Linealidad 33 2.6 Modelo de Plasticidad Concentrada 34 CAPITULO 3: CASOS DE ESTUDIO PARA UN EDIFICIO MULTIFAMILIAR 3.1 Descripción general 35 3.2 Descripción de la Configuración Estructural 38 3.3 Propiedades Mecánicas de los Elementos De Concreto Armado 39 3.4 Análisis de Cargas Gravitatorias 40 3.5 Niveles de Amenaza Sísmica Obtenidos 40 3.5.1 Sismo Máximo o Muy Raro 40 3.5.2 Sismo de Diseño o Raro 41 3.5.3 Sismo en Servicio u Ocasional 41 3.6 Primera Alternativa de Estructura [7N-SS] 43 3.6.1 Resumen Columnas 44 3.6.2 Resumen Vigas 44 3.6.3 Curva de Capacidad y su Representación Bilineal 44 3.6.4 Ductilidad por Desplazamiento del Sistema 46 3.6.5 Puntos de Desempeño por el Método de los Coeficientes FEMA 440 46 3.6.6 Desempeño de Componentes Primarios 47 3.6.7 Verificación de las distorsiones de Entrepiso 50 3.7 Modelo Estructural Sismoresistente según GBDS 2020 [7N-CS] 51 3.7.1 Resumen Columnas 53 3.7.2 Resumen Vigas 53 3.7.3 Espectro Elástico de Pseudoaceleraciones y de Diseño 53 3.7.3.1 Espectro Elástico de Pseudoaceleraciones 54 3.7.3.2 Espectro de Diseño 54 3.7.4 Control de Deriva de Entrepiso de Acuerdo a la GBDS 2020 55 3.7.5 Periodos de los Primeros Modos de vibración 56 3.7.6 Cortante Basal Dinámico y Estático 56 3.7.7 Curva de Capacidad y su Representación Bilineal 57 3.7.8 Ductilidad del Sistema 58 3.7.9 Puntos de Desempeño por el Método de los Coeficientes FEMA 440 58 3.7.10 Desempeño de Componentes Primarios 59 3.7.11 Verificación de las distorsiones de Entrepiso 63 3.8 Modelo Para un Objetivo de Desempeño como Estructura Esencial [7N-EE] 66 3.8.1 Resumen Columnas 67 3.8.2 Resumen Vigas 67 3.8.3 Curva de Capacidad y su Representación Bilineal 67 3.8.4 Ductilidad del Sistema 69 3.8.5 Puntos de Desempeño por el Método de los Coeficientes FEMA 440 69 3.8.6 Desempeño de Componentes Primarios 70 3.8.7 Verificación de las distorsiones de Entrepiso 74 CAPITULO 4: COMPARACIÓN ECONÓMICA Y DE DESEMPEÑO DE LAS ALTERNATIVAS ESTRUCTURALES 4.1 Descripción General 78 4.2 Comparación Económica 79 4.3 Curvas de Desempeño 81 4.4 Representación Bilineal 84 4.5 Puntos de Desempeño en la Dirección X-X 84 4.6 Puntos de Desempeño en la Dirección Y-Y 87 4.7 Desplazamientos en X-X Según la Demanda Sísmica 91 4.8 Desplazamientos en Y-Y Según la Demanda Sísmica 93 4.9 Cortante Basal Según la Demanda Sísmica 97 4.10 Ductilidad por Desplazamiento de los Sistemas 99 CONCLUSIONES 100 RECOMENDACIONES 102 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 104 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Niveles de desempeño de las estructuras. FEMA 356, 2000. 12 Tabla 1.2 Descripción de los Niveles de Amenaza. FEMA 356, 2000 13 Tabla 1.3 Objetivos de desempeño. SEAOC Vision 2000 Committee, 1995 14 Tabla 1.4 Sectorización de la Curva de Capacidad. SEAOC Vision 2000 Committee, 1995 19 Tabla 1.5 Valores Para el Factor de Modificación C0. FEMA 356, 2000 22 Tabla 1.6 Límites Máximos de deformación. ATC-40, 1996 23 Tabla 2.1 Parámetros de Modelación y Criterios de Aceptación para Procedimientos no Lineales en Vigas de Pórticos de Concreto Armado. FEMA 356, 2000 31 Tabla 2.2 Parámetros de Modelación y Criterios de Aceptación para Procedimientos no Lineales en Columnas de Pórticos de Concreto Armado. FEMA 356, 2000 32 Tabla 3.1 Características de Funcionamiento del Edificio Multifamiliar 35 Tabla 3.2 Niveles de Amenaza Sísmica Considerados 40 Tabla 3.3 Parámetros para la Elaboración de los Niveles de Amenaza según GBDS-2020 42 Tabla 3.4 Armado de Columnas, Estructura Sin Sismo [7N-SS] 44 Tabla 3.5 Armado de Vigas, Estructura Sin Sismo[7N-SS] 44 Tabla 3.6 Puntos de la Curva de Capacidad en “X” para su Representación Bilineal 44 Tabla 3.7 Puntos de la Curva de Capacidad en “Y” para su Representación Bilineal 45 Tabla 3.8 Límites Máximos de deformación. ATC-40, 1996 50 Tabla 3.9 Derivas de Piso en “X” para un Sismo en Servicio 51 Tabla 3.10 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo en Servicio 51 Tabla 3.11 Armado de Columnas, Estructura con Sismo Según GBDS 2020 [7N-CS] 53 Tabla 3.12 Armado de Vigas, Estructura con Sismo Según GBDS 2020 [7N-CS] 53 Tabla 3.13 Parámetros para la Elaboración del Espectro Elástico según GBDS 2020 54 Tabla 3.14 Parámetros para la Elaboración del Espectro de Diseño según GBDS 2020 55 Tabla 3.15 Control de Deriva de Entrepiso Según GBDS 2020 55 Tabla 3.16 Verificación Cortante Basal Dinámico Según GBDS 2020 56 Tabla 3.17 Puntos de la Curva de Capacidad en “X” para su Representación Bilineal 57 Tabla 3.18 Puntos de la Curva de Capacidad en “Y” para su Representación Bilineal 57 Tabla 3.19 Límites Máximos de deformación. ATC-40, 1996 63 Tabla 3.20 Derivas de Piso en “X” para un Sismo en Servicio 64 Tabla 3.21 Derivas de Piso en “X” para un Sismo de Diseño 64 Tabla 3.22 Derivas de Piso en “X” para un Sismo Máximo 65 Tabla 3.23 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo en Servicio 65 Tabla 3.24 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo de Diseño 65 Tabla 3.25 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo Máximo 66 Tabla 3.26 Armado de Columnas, Estructura Esencial [7N-EE] 67 Tabla 3.27 Armado de Vigas, Estructura Esencial [7N-EE] 67 Tabla 3.28 Puntos de la Curva de Capacidad en “X” para su Representación Bilineal 68 Tabla 3.29 Puntos de la Curva de Capacidad en “Y” para su Representación Bilineal 68 Tabla 3.30 Límites Máximos de deformación. ATC-40, 1996 74 Tabla 3.31 Derivas de Piso en “X” para un Sismo en Servicio 75 Tabla 3.32 Derivas de Piso en “X” para un Sismo de Diseño 75 Tabla 3.33 Derivas de Piso en “X” para un Sismo Máximo 76 Tabla 3.34 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo en Servicio 76 Tabla 3.35 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo de Diseño 76 Tabla 3.36 Derivas de Piso en “Y” para un Sismo Máximo 77 Tabla 4.1 Resumen de Propiedades Bilineales por Estructura en “X” 84 Tabla 4.2 Resumen de Propiedades Bilineales por Estructura en “Y” 84 Tabla 4.3 Umbrales de Desempeño para la Curva Sectorizada en “X” 90 Tabla 4.4 Umbrales de Desempeño para la Curva Sectorizada en “Y” 90 Tabla 4.5 Límites Máximos de deformación. ATC-40, 1996 94 Tabla 4.6 Deriva Total e Inelástica de la Estructura [7N-EE] Para el Sismo Máximo 95 Tabla 4.7 Deriva Total e Inelástica de la Estructura [7N-EE] Para el Sismo de Diseño 95 Tabla 4.8 Deriva Total e Inelástica de la Estructura [7N-CS] Para el Sismo de Diseño 95 Tabla 4.9 Deriva Total e Inelástica de la Estructura [7N-CS] Para el Sismo en Servicio 96 Tabla 4.10 Deriva Total e Inelástica de la Estructura [7N-SS] Para el Sismo en Servicio 96 Tabla 4.11 Objetivos de desempeño. SEAOC Vision 2000 Committee, 1995 96 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Superficie que Muestra los Costos Relativos de Varios Objetivos de Desempeño. FEMA 274, 1997 15 Figura 1.2 Representación del Pushover y la Curva de Capacidad. Roberto Aguiar, 2002 Figura 1.3 Representación Bilineal de la Curva de Capacidad. 17 Roberto Aguiar, 2002 Figura 1.4 Sectorización de la Curva de Capacidad. SEAOC Vision 2000 18 Committee, 1995 Figura 1.5 Esquematización Ilustrativa del Proceso de Estimación del 19 Desplazamiento Objetivo por el Método de los Coeficientes. FEMA 440, 2005 20 Figura 1.6 Curva Idealizada Fuerza – Desplazamiento. FEMA 440, 2005 21 Figura 2.1 Diagrama Momento Curvatura de una Sección. Gianfranco Ottazzi, 2015 Figura 2.2 Diagramas de Esfuerzo - Deformación para el Acero. 25 Paulay y Priestley, 1992 Figura 2.3 Diagramas de Esfuerzo - Deformación para el Concreto. 26 Paulay y Priestley, 1992 27 Figura 2.4 Curvatura de un Elemento. Gianfranco Ottazzi, 2015 27 Figura 2.5 Puntos Notables del Diagrama Momento Curvatura. Roberto Aguiar, 2003 Figura 2.6 Idealización de la concentración de Rótulas en los extremos. 28 Paulay y Priestley, 1992 Figura 2.7 Diagramas Momento – Curvatura y Momento – Giro de una viga 28 de 25x50. Elaboración Propia Figura 2.8 Relación Fuerza deformación generalizada para pórticos de 29 concreto armado. FEMA 356, 2000 30 Figura 2.9 Diagrama Momento-Curvatura Sectorizado. FEMA 356, 2000 33 Figura 2.10 Modelos Idealizados de Plasticidad Concentrada. Gregory G, 2010 Figura 2.11 Modelo de Plasticidad Concentrada y Sistema de Coordenadas. 33 Roberto Aguiar, 2003 34 Figura 3.1 Distribución Arquitectónica de Departamentos Nivel 1-6 36 Figura 3.2 Distribución Arquitectónica Garaje Planta Baja. 37 Figura 3.3 Geometría de la Configuración Estructural. 39 Figura 3.4 Niveles de Amenaza Sísmica Considerados en el Estudio 42 Figura 3.5 Columnas y Vigas en Elevación, Estructura Sin Sismo [7N-SS] 43 Figura 3.6 Curva de Capacidad en “X” [7N-SS] y su Representación Bilineal 45 Figura 3.7 Curva de Capacidad en “Y” [7N-SS] y su Representación Bilineal 45 Figura 3.8 Puntos de Desempeño sobre la Curva de Capacidad en “X” [7N-SS] 46 Figura 3.9 Puntos de Desempeño sobre la Curva de Capacidad en “Y” [7N-SS] 47 Figura 3.10 Paso 7 del Análisis Pushover en “X”. 48 Figura 3.11 Paso 9 del Análisis Pushover en “X” 48 Figura 3.12 Paso 9 del Análisis Pushover en “Y” 49 Figura 3.13 Paso 11 del Análisis Pushover en “Y” 50 Figura 3.14 Columnas y Vigas en Elevación, Estructura Con Sismo [7N-CS] 52 Figura 3.15 Espectro Elástico de Pseudoaceleración en X y Y 54 Figura 3.16 Espectro de Diseño Según GBDS 2020 en X y Y Figura 3.17 Modos de Vibración de la Estructura con Sismo 55 Según GBDS 2020 [7N-CS] 56 Figura 3.18 Curva de Capacidad en “X” [7N-CS] y su Representación Bilineal 57 Figura 3.19 Curva de Capacidad en “Y” [7N-CS] y su Representación Bilineal 58 Figura 3.20 Puntos de Desempeño sobre la Curva de Capacidad en “X” [7N-CS] 58 Figura 3.21 Puntos de Desempeño sobre la Curva de Capacidad en “Y” [7N-CS] 59 Figura 3.22 Paso 6 del Análisis Pushover en “X” 60 Figura 3.23 Paso 9 del Análisis Pushover en “X” 60 Figura 3.24 Paso 11 del Análisis Pushover en “X” 61 Figura 3.25 Paso 8 del Análisis Pushover en “Y” 62 Figura 3.26 Paso 10 del Análisis Pushover en “Y” 62 Figura 3.27 Paso 13 del Análisis Pushover en “Y” 63 Figura 3.28 Columnas y Vigas en Elevación, Estructura Esencial [7N-EE] 66 Figura 3.29 Curva de Capacidad en “X” [7N-EE] y su Representación Bilineal 68 Figura 3.30 Curva de Capacidad en “Y” [7N-EE] y su Representación Bilineal 69 Figura 3.31 Puntos de Desempeño sobre la Curva de Capacidad en “X” [7N-EE] 69 Figura 3.32 Puntos de Desempeño sobre la Curva de Capacidad en “Y” [7N-EE] 70 Figura 3.33 Paso 5 del Análisis Pushover en “X” 71 Figura 3.34 Paso 7 del Análisis Pushover en “X” 71 Figura 3.35 Paso 9 del Análisis Pushover en “X” 72 Figura 3.36 Paso 7 del Análisis Pushover en “Y” 73 Figura 3.37 Paso 8 del Análisis Pushover en “Y” 73 Figura 3.38 Paso 11 del Análisis Pushover en “Y” 74 Figura 4.1 Presupuesto Estructural en % de Cada Alternativa Estudiada. 79 Figura 4.2 Resumen de Volumen de Concreto por Elemento Para Cada Estructura 80 Figura 4.3 Resumen de Volumen de Concreto Total Para Cada Estructura 80 Figura 4.4 Resumen de Cantidad de Refuerzo por Elemento Para Cada Estructura 81 Figura 4.5 Resumen de Cantidad Total de Acero de Refuerzo. 81 Figura 4.6 Curvas de Desempeño en X-X 82 Figura 4.7 Cortante Basal – Capacidad Máxima en “X” 82 Figura 4.8 Curvas de Desempeño en Y-Y 83 Figura 4.9 Cortante Basal – Capacidad Máxima en “Y” 83 Figura 4.10 Puntos de desempeño para un Sismo en Servicio en “X” 85 Figura 4.11 Puntos de desempeño para un Sismo de Diseño en “X” 86 Figura 4.12 Puntos de desempeño para un Sismo de Máximo en “X” 87 Figura 4.13 Puntos de desempeño para un Sismo en Servicio en “Y” 88 Figura 4.14 Puntos de desempeño para un Sismo de Diseño en “Y” 89 Figura 4.15 Puntos de desempeño para un Sismo de Máximo en “Y” 90 Figura 4.16 Desplazamientos en X-X para un Sismo en Servicio 91 Figura 4.17 Desplazamientos en X-X para un Sismo de Diseño 92 Figura 4.18 Desplazamientos en X-X para un Sismo Máximo 92 Figura 4.19 Desplazamientos en Y-Y para un Sismo en Servicio 93 Figura 4.20 Desplazamientos en Y-Y para un Sismo de Diseño 93 Figura 4.21 Desplazamientos en Y-Y para un Sismo Máximo 94 Figura 4.22 Cortante Basal en X-X Para Todos los Niveles de Amenaza 97 Figura 4.23 Cortante Basal en Y-Y Para Todos los Niveles de Amenaza 97 Figura 4.24 Cortante Basal Previo al Colapso Para Cada Estructura 98 Figura 4.25 Ductilidad del Sistema en Ambas Direcciones Para Cada Estructura 99
El procedimiento de diseño sismoresistente tradicional de la Guía Boliviana de Diseño Sísmico no incorpora conceptos de múltiples niveles de desempeño, múltiples eventos sísmicos, análisis no lineales de los elementos, criterios de aceptación local o global, además, su filosofía de diseño no implica necesariamente que la estructura tenga un comportamiento aceptable durante sismos de moderada y alta intensidad. Por esta razón se hace necesario estudiar el concepto de Diseño Sísmico por desempeño y cambiar la filosofía de diseño tradicional. En este trabajo se diseñó 3 alternativas de estructuras aporticadas de un edificio multifamiliar de 7 niveles, la primera alternativa estructural fue diseñada solo para cargas gravitaciones, la segunda se diseñó con el procedimiento tradicional dinámico modal espectral de la GBDS y la tercera se diseñó basada en el desempeño como una Estructura Esencial. Luego se ha comparado el desempeño y la diferencia económica que existe entre cada alternativa para distintos niveles de amenaza sísmica pertinentes de nuestra ciudad. Los resultados obtenidos, permiten conocer los costos económicos de cada alternativa y el desempeño esperado, para que un futuro propietario tome la mejor decisión respecto a la vida y desempeño que tendrá su proyecto.