EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO SÍSMICO MEDIANTE EL ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL, VIVIENDA-COMERCIO MIURA GRILL, CHICLAYO.

EVALUATION OF SEISMIC PERFORMANCE THROUGH NON-LINEAR STATIC ANALYSIS, HOUSING-COMMERCE MIURA GRILL, CHICLAYO

Geremias Vega Fernández¹

Sócrates Pedro Muñoz Pérez²

Fecha de recepción: 26 /11/2019

Fecha de aprobación: 09 /12/2019

DOI: https://doi.org/10.26495/ricti.1906.29306

Resumen

El presente trabajo de investigación tiene como objetivo Evaluar el desempeño sísmico mediante el análisis estático no lineal, vivienda-comercio miura grill, Chiclayo, el cual consiste en realizar un análisis estático no lineal (Pushover) a la estructura de concreto armado, con la aplicación de la norma FEMA 356 (Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. American Society of Civil Engineers) y el ATC 40 (Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings. California Seismic Safety Comission. California).Con la aplicación del software etabs se generó el modelo analítico de la estructura y se definió las propiedades no lineales, luego se procedió a realizar el análisis estático no lineal “pushover”, obteniendo como resultado la curva de capacidad y la formación de las rotulas plásticas en toda la estructura. De acuerdo al analisis de fuerzas estaticas equivalentes y el anasis dinamico modal espectral se determino que la estructura no cumple con las derivas permitidas por la norma E.030 diseño sismorresistente.Se demuestra a traves del analisis estatico no lineal que la estructura ya colapso para un sismo según el espectro de la norma E.030 diseño sismorresistente. Palabras clave: análisis estático no lineal, curva de capacidad, desempeño sísmico, espectro de capacidad.

Abstract

The purpose of this research work is to evaluate the seismic performance through static nonlinear analysis, housing commerce miura grill, Chiclayo, which consists of performing a non-linear static analysis (Pushover) to the reinforced concrete structure, with the application of FEMA 356 (Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. American Society of Civil Engineers) and ATC 40 (Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings. California Seismic Safety Commission. California).With the application of the etabs software, the analytical model of the structure was generated and the non-linear properties were defined, then the non-linear static “pushover” analysis was carried out, resulting in the capacity curve and the formation of the plastic labels in the whole structure. According to the analysis of equivalent static forces and the dynamic modal spectral anasis, it was determined that the structure does not comply with the drifts allowed by the E.030 seismic-resistant design standard. It is demonstrated through the non-linear static analysis that the structure already collapses for an earthquake according to the spectrum of the E.030 seismic-resistant design.

Keywords: nonlinear static analysis, capacity curve, seismic performance, capacity spectrum.

I. INTRODUCCIÓN

1.1. Realidad problemática

Alvarado (como se cito en Veras, 2016) dice que República Dominicana tiene un registro sísmico importante, pero, debido al silencio sísmico, la población cree ser un país asísmico, cuando la realidad es diferente, según el anuncio de Castro (2011), el ministro de ese entonces, Jean –Max Bellerive, informo acerca de los daños ocurridos por el sismo en el 2010, donde 316,000 personas perdieron la vida, más de un millón y medio perdieron sus viviendas y 350,000 heridos, este tipo de acontecimiento es registrado como uno de los desastres más peligrosos de la historia. Sin embardo, debido a la importancia de este suceso, en la República Dominicana no se registró deterioros considerables, no hubo pérdidas de vidas humanas ni fallas estructurales, por consiguiente la población cree estar segura, de manera que los especialistas están preocupados, acerca de la preparación adecuada por parte de la población, especialmente en la aplicación de las normas de diseño por sismo y en el control de procesos constructivos, esto implica que las estructuras no están siendo evaluadas en la actualidad. (p.1).

Pique del Pozo (como se cito en Paredes, 2016) dice que todas las estructuras que esten sometidas a sismos de gran magnitud, se deben diseñar para prevenir el colapso y no para prevenir daños estructurales, sin embargo este tema no esta debidamente especificado en los procedimientos de diseño, por lo que representa aun los temas mas fragiles de la ingenieria sismorresistente, por otro lado indica que la metodologia de diseño en la actualidad esta fundamentado en diseños de un solo nivel de intensidad. El diseño en el estado limite del sismo no es revisado o calibrado ante solitaciones del sismo por lo que no garantiza la respuesta real de la estructura en estas condiciones. (p.36)

Según lo citado, indica que los diseños sismorresistentes que se están realizando en la actualidad, no garantizan los niveles de comportamiento real de las estructuras, por lo que se sugiere a los profesionales evaluar los proyectos que se encuentran en nivel de estudios y a los que se encuentren ejecutados, mediante el AENL, complementado el estudio con las metodologías proporcionadas por las entidades: FEMA 356, SEAOC, ATC-40.

Huaman (2016) en su investigacion afirma que una gran cantidad de las edificaciones actualmente se diseñan de concreto armado y no cumplen las normativas vigentes, asi mismo especifica que las estructuras se diseñan para comportarse elasticamente y no se evaluan para predicir el comportamiento real de la edificacion en el rango inelastico, es decir hasta el nivel del colapso, de manea que trata de dar a entender que las estructuras en general se deben diseñar para predicir un comportamiento real, aplicando metodos avanzados de ingenieria, definiendo niveles optimos de desempeño para eventos sismicos de determinada intensidad. (p.14-15)

Las constantes construcciones informales que se vienen ejecutando en la ciudad de Chiclayo, es un problema muy significante, debido a que se ejecuta sin supervisión técnica y el peor de los casos no se diseñan estructuralmente, esto se da por lo que la población no ha experimentado eventos sísmicos de gran magnitud, por lo cual la población cree ser que la ciudad es una zona asísmica, esto preocupa a todos los investigadores y especialistas, debido a que la población no está preparada, con la presente investigación se requiere evaluar el desempeño sísmico de la vivienda – comercio Miura Grill, y que sirva como guía para futuras investigaciones que es muy importante que se sigan realizando tanto en las edificaciones existentes como las proyectadas.

1.2. Antecedentes de estudio

Duarte, Martinez y Santamaria (2017) en su tesis “Análisis estático no lineal (Pushover) del cuerpo central del edificio de la facultad de medicina de la Universidad de el Salvador”; en su objetivo indica que a traves del AENL evaluara el comportamiento y su funcionalidad estrutural del edificio mencionado lineas arriba, asi mismo describe que es importante conocer la capacidad de la estructura en el cual fue construido y diseñado a fin de obtener el desempeño ante un evento sismico de determinada intensidad, para ello realizo los estudios preliminares necesarios para el desarrollo del metodo de AENL y luego afirmar si la estructura cumple con los objetivos propuestos por las normas FEMA 356 Y ATC-40, luego se aplico el sofware Sap2000 y siguiendo las reglas del ATC-40, llego a la conclusion que “con un desplazamiento de 10.94 cm y una fuerza cortante de 2258.87 tn la estructura se encuentra en seguridad de vida”.(p.191)

Barboza (2018) en su tesis “Desempeño sísmico del edificio ángel divino ubicado en la ciudad de Chota, provincia de Chota, Región Cajamarca”; en su objetivo dice que a traves del AENL evaluara el desempeño de la estrucrura de 12 niveles y llega a la conclusion que ante un sismo raro la edificacion se encuentra en prevencion al colapso el cual no cumple con los ojetivos propuestos por la norma ATC-40.(p.7 y 112)

En su tesis sobre desempeño sísmico se utilizó el método de AENL y aplicando el software estructural ETABS determino la curva de capacidad, aplicando la norma ATC-40 obtuvo el desempeño sísmico, indicando que las estructuras no cumplen los objetivos previstos, es importante recalcar que las estructuras proyectadas y existentes en la actualidad se deben evaluarse para evitar el colapso y no para evitar daños estructurales, esto debido a que el país posee ciudades altamente sísmicas tal y como lo especifica el mapa de demarcación sísmica especificado en la norma E.030.

Bravo & Montenegro (2018) en su tesis “Evaluación del desempeño sísmico de los bloques b y c del conjunto multifamiliar colibrí ubicado en la ciudad de Chiclayo”; en su objetivo indica que se evaluara los bloques con la finalidad de obtener el nivel de comportamiento ante la ocurrencia de eventos sísmicos y luego llega a concluir que las estructuras no cumplen los objetivos de desempeño propuestos por las normas ATC-40 Y FEMA 356. (p.28198)

Para realizar esta investigación sobre evaluar el comportamiento sísmico, se tomó en cuenta la norma ATC-40 y el FEMA-356, previamente a ello se tiene que realizar un AENL utilizando el método computacional Etabs, a fin de obtener la curva de capacidad y luego obtener el desempeño real de las estructuras, es necesario mencionar que para realizar un análisis por desempeño sísmico no es necesario que la estructura este construida, de lo contrario se debe analizar en la etapa de diseño, con la finalidad de evitar gastos innecesarios como reforzamientos estructurales.

1.3. Formulación del problema

¿Cuál es el nivel de desempeño sísmico de la vivienda-comercio miura grill, Chiclayo?

1.4. Justificación e importancia del estudio

1.4.1. Justificación

1.4.1.1. Justificación técnica

La investigación se justifica técnicamente porque se requiere obtener el comportamiento sísmico de la estructura ante sismos de determinadas intensidades, es decir antes de llegar al colapso, de la misma manera encontrar las rótulas plásticas, con la finalidad de tomar las precauciones para la evacuación de las personas a tiempo.

1.4.1.2. Justificación científica

Debido a que en todo momento se trabajó con métodos empíricos, matemáticos y teóricos basados en el método científico, la investigación genera conocimientos en base al AENL en el software ETABS, aportando así a la ciencia.

A fin de determinar el desempeño deseado de una estructura, el uso de la tecnología es importante debido a que se desarrolla nuevas metodologías computacionales, de manera que permite predecir el comportamiento real de las estructuras dentro del rango inelástico.

1.4.1.3. Justificación social

Con la presente investigación se busca aportar a futuros investigadores, a que sigan analizando otras edificaciones tanto existentes como proyectadas, con la finalidad de minimizar las pérdidas humanas y económicas. Así mismo esta investigación contribuye al desarrollo de nuestro país y de la institución donde nos formamos académicamente con la adquisición de nuevos conocimientos según las normas Nacionales e Internacionales.

1.4.2. Importancia

La presente tesis es importante realizarla porque genera un gran aporte en la investigación y más aún en la ingeniería estructural, debido que las edificaciones actuales usualmente se diseñan en el rango elástico a pesar de que la mayoría experimentará deformaciones inelásticas durante sismos severos, es por ello que se determinará los niveles de desempeño sísmico que alcanzará la vivienda-comercio Miura Grill ante diferentes eventos sísmicos, mediante una evaluación basada en desempeño, haciendo uso de las normas SEAOC (VISION 2000), FEMA 356 Y ATC-40, y a partir de ello si en caso lo requiera, realizar la mejor propuesta, a fin de salvaguardar la vida de los ocupantes cuando ocurra un evento sísmico.

Así mismo se afirma que la presente investigación es de suma importancia realizarla, porque servirá como base de conocimientos a futuras investigaciones y de la misma manera contribuir con el desarrollo de la Región Lambayeque y de todo el país.

1.5. Hipótesis

Seguridad de vida es el nivel de desempeño sísmico de la vivienda-comercio Miura Grill sometido al análisis estático no lineal.

1.6. Objetivos

1.6.1. Objetivo general

Evaluar el desempeño sísmico mediante el análisis estático no lineal, vivienda-comercio miura grill, Chiclayo

1.6.2. Objetivos específicos

Realizar el análisis de las fuerzas estáticas equivalentes.

Efectuar el análisis dinámico modal espectral.

Ejecutar el análisis estático no lineal (pushover).

II. MATERIAL Y MÉTODO

2.1. Tipo y diseño de investigación

La investigación está ubicada en el paradigma positivista, tipo de la investigación aplicada- descriptiva en modalidad propositivo.

Diseño descriptivo simple con propuesta, a continuación se detalla:

𝑀 ← 𝑂. . . 𝑃

Dónde:

M =vivienda-comercio miura grill, Chiclayo.

O=información a recoger sobre el desempeño sísmico.

P=propuesta de análisis.

2.2. Población y muestra

Población: Está conformada por todas las viviendas – comercio del cercado de Chiclayo.

Muestra: Se tomó como muestra de estudio exclusivamente la vivienda – comercio miura grill, Chiclayo, se seleccionó vía la técnica de muestreo por conveniencia.

2.3. Variables, Operacionalización

2.3.1. Variable

La investigación presenta una sola variable: evaluación del desempeño sísmico

III. RESULTADOS

3.1. Resultados

3.1.1. Fuerzas estáticas equivalentes

3.1.1.1. Fuerza cortante en la base

Tabla 1 Fuerza cortante en la base (dirección X y Y)

Fuente: elaboración propia

3.1.1.2. Distribución de la fuerza sísmica en altura

Tabla 2 Distribución de la fuerza sísmica en altura

Fuente: elaboración propia

3.1.1.3. Derivas de entrepiso estáticas

Tabla 3 Derivas de entrepiso en el eje x

Fuente: elaboración propia

Se observa en la tabla 6 los resultados obtenidos, según la norma E.030 diseño sismorresistente especifica que la máxima deriva es 0.007, por lo que se constata que el segundo, tercero y cuarto piso no cumple con los lineamientos establecidos en la mencionada norma, a diferencia del primer, quinto y sexto piso.

Significa que la estructura es muy flexible porque las derivas calculadas están por encima de la máxima permitida.

Tabla 4 Derivas de entrepiso en el eje y

Fuente: elaboración propia

3.1.2. Análisis dinámico modal espectral 3.1.2.1. Modos de vibración

Tabla 5 Resultados del análisis modal

Fuente: elaboración propia

En la tabla 10 se observa que existe una participación de masas aproximadas al 100% en ambas direcciones.

El periodo fundamental de vibración de la estructura en la dirección X es a 0.644 segundos y en la dirección y es 0.567 segundos.

3.1.2.2. Aceleración espectral

Tabla 6 Espectro de diseño para un suelo flexible en la dirección (x-x) y la dirección (y-y)

Fuente: elaboración propia

Nota: (T) es Periodo Fundamental de vibración de la estructura, (C) es el coeficiente de amplificación sísmica, (Sa) es el coeficiente de aceleración espectral.

Fuente: elaboración propia 3.1.2.3. Fuerza cortante mínima

Tabla 7 Fuerza cortante mínima

Fuerza cortante estatica Fuerza cortante dinámica verificacion

111.8267 69.8342 No cumple

111.8267 82.5809 No cumple

Fuente: elaboración propia

Nota: como se observa en los resultados la fuerza cortante dinámica es menor que el 80% de la fuerza cortante estática es decir no cumple con los mínimos establecidos en la norma E.030 del Reglamento Nacional de

Edificaciones

3.1.2.4. Derivas de entrepiso dinámicas

Tabla 8 Derivas de entrepiso dinámicas en la dirección x-x

Fuente: elaboración propia

Se observa en la tabla 13 los resultados obtenidos, según la norma E.030 diseño sismorresistente especifica que la máxima deriva es 0.007, por lo que se constata que del segundo piso al cuarto piso no cumple con los lineamientos establecidos en la mencionada norma, a diferencia del primer, quinto y sexto piso.

Significa que la edificación es muy flexible porque las derivas calculadas están por encima de la máxima permitida. Tabla 9 Derivas de entrepiso dinámicas en la dirección y-y

Fuente: elaboración propia

3.1.3. Análisis estático no lineal (Pushover)

3.1.3.1. Desempeño de la estructura en la dirección X, según FEMA 356 para un 20% de la aceleración de la gravedad lo clasifica como un sismo frecuente.

Fuente: elaboración propia

3.1.3.2. Desempeño de la estructura en la dirección X, según FEMA 356 para un 25% de la aceleración de la gravedad lo clasifica como un sismo ocasional.

Fuente: elaboración propia

3.1.3.3. Desempeño de la estructura en la dirección X, según FEMA 356 para un 40% de la aceleración de la gravedad lo clasifica como un sismo raro.

Fuente: elaboración propia

3.1.3.4. Desempeño de la estructura en la dirección X, según FEMA 356 para un 45% de la aceleración de la gravedad lo clasifica como un sismo raro.

Fuente: elaboración propia

3.1.3.5. Respuesta de la estructura.

Tabla 10 Niveles de desempeño de la estructura

Niveles de desempeño sismico

Raro 40% g

Fuente: elaboración propia

De la tabla 15 se explica que ante la ocurrencia de un sismo raro (45% de la aceleración de la gravedad) como lo específica la norma E.030 diseño sismorresistente la estructura ya colapso.

IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis de fuerzas estáticas equivalentes y del análisis dinámico modal espectral, se demuestra que la estructura analizada no cumple con las derivas permitidas en la norma E.030 diseño sismorresistente, excepto el primer, quinto y sexto piso.

Por otro lado de los resultados obtenidos del análisis estático no lineal (pushover) se determinó que la estructura en la dirección x, se encuentra en el nivel de colapso para un sismo según el espectro de la norma E.030, con un desplazamiento de 63.318 mm y el fallo será en la columna C-01 del segundo piso, ubicada en el eje B entre A y C, según los planos de estructuras.

Según Barboza (2018) en su tesis concluye que la edificación ante un sismo raro se encuentra en prevención al colapso el cual no cumple con los objetivos propuestos por la norma ATC-40.

Huaman (2016) en su tesis realizada a las edificaciones de la Universidad Cesar Vallejo llega a concluir que la estructura falla en la dirección “y” cuando ocurra un sismo raro.

V. PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN

De acuerdo a los resultados obtenidos se propone hacer una mejora estructural en la dirección “x”, esto se da debido a que la estructura analizada no cumplen las derivas mínimas permitidas y además la estructura llegaría a colapsar para un sismo según el espectro de diseño de la norma E.030 diseño sismorresistente, por lo tanto se debe rigidizar la estructura en esa dirección a través de la colocación de muros de corte.

VI. CONCLUSIONES

Del análisis de fuerzas estáticas equivalentes se constata que la máxima deriva es 0.0085, por lo que debería ser 0.007 tal y como lo específica la norma E.030 diseño sismorresistente, por lo tanto la estructura se considera flexible.

Según el análisis dinámico modal espectral se afirma que la máxima deriva es 0.0086, por lo que debería ser 0.007 de acuerdo a lo especificado en la norma E.030 diseño sismorresistente, por lo tanto la estructura se considera flexible.

Por otro lado del análisis estático no lineal (pushover), en la dirección x se confirma que para un sismo raro, la estructura ya colapso generando un desplazamiento de 63.318 mm y una fuerza cortante de 732.357 tn.

VII. RECOMENDACIONES

Se recomienda diseñar las estructuras para prevenir el colapso, utilizando métodos avanzados como es el caso del análisis estático no lineal que permite determinar el nivel de desempeño sísmico de la edificación.

Como la estructura es flexible en la dirección “x” incluso llega a colapsar para un sismo según el espectro de la norma E.030 es necesario rigidizarlo, colocando muros de corte, con la finalidad de mantener su estabilidad.

Elaborar un plano de señalización indicando los puntos no aptos para refugio en caso de sismo.

VIII. BIBLIOGRAFIA

Alvarado - Veras, M. A. (2016). Análisis estático no lineal: Aplicación de métodos avanzados a un edificio típico de la República Dominicana. Barcelona: Universidad Politécnica de Catalunya - Escuela Técnica superior de ingenieros de caminos, canales y puertos de Barcelona.

ATC-40. (1996). Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings,. California: s.n.

Barboza, R. (2018). Desempeño sísmico del edificio ángel divino ubicado en la ciudad de Chota, provincia de Chota, Región Cajamarca. Lambayeque: Facultad de ingeniería civil, sistemas y arquitectura-Escuela profesional de ingeniería civil-Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo.

Bravo, S., & Montenegro, D. (2018). Evaluación del desempeño sísmico de los bloques b y c del conjunto multifamiliar colibrí ubicado en la ciudad de Chiclayo. Lambayeque: facultad de Ingeniería Civil, sistemas y arquitectura-Escuela profesional de ingeniería civil-Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo.

Duarte, M. y. (2017). Análisis estático no lineal (Pushover) del cuerpo central del edificio de la facultad de medicina de la Universidad de el Salvador. Salvador: Universidad de el Salvador-Facultad de Ingeniería y arquitectura-Escuela de Ingeniería Civil.

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Huaman, J. A. (2016). Predicción del comportamiento sísmico por desplazamiento mediante el análisis estático no lineal en las edificaciones de la Universidad Cesar Vallejo. Chiclayo: Universidad Cesar Vallejo - Escuela de postgrado.

Pique del Pozo - Paredes, M. A. (2016). Evaluación del desempeño sismorresistente de un edificio destinado a vivienda en la ciudad de Lima aplicando el análisis estático no lineal pushover. Lima: Universidad Peruana de ciencias Aplicadas - Facultad de ingeniería - Carrera de ingeniería civil.

RNE. (2019). Reglamento Nacional de Edificaciones - Norma E.030 diseño sismorresistente. Lima: Megabyte.