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DISEÑO Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE EDIFICIO DE HORMIGÓN ARMADO PARA RESISTIR

COLAPSO PROGRESIVO, DEBIDO A UNA CARGA ANORMAL PRODUCIDA POR UN TSUNAMI.

Memoria para optar al título de INGENIERO CIVIL

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Escuela de Ingeniería Civil

Diego A. Quezada Henry

Profesor Guía: Luis Della Valle Solari.

Profesor Co-referente: Alberto Marillanca Olguín.

Objetivos

1. General •Diseñar y Analizar el comportamiento de dos Edificios de Hormigón Armado de misma estructuración pero distintos niveles de pisos, para resistir un potencial colapso progresivo debido a una carga anormal producida por un tsunami.

2. Específicos • Comparar los comportamientos de vigas y columnas analizadas para cada

edificio, según los criterios utilizados por el FEMA P646 y GSA.

• Obtener la relación demanda-capacidad (RDC) de los elementos según los criterios de las guías de diseño para mitigar colapso progresivo, y comparar resultados.

• Recomendar diseño y estructuración de edificios para mitigar un potencial colapso progresivo según los resultados obtenidos..

2

Temario

• Introducción ( Nueva normativa, FEMA P646 , GSA).

• Definiciones: Colapso Progresivo.

• Métodos de Análisis.

• Aplicación del método: Modelo estructural.

• Resultados: Análisis y discusión.

• Conclusiones y Recomendaciones de diseño.

3

Nueva Normativa.

4

.

Tsunami Chile 2010 Tsunami Japón 2011

Nueva Normativa.

Nch 3363:2015:“Diseño estructural para edificaciones ubicadas en zonas inundables por tsunami”

5

Rodolfo Saragoni, Ingeniero Civil, Universidad de Chile.

Fuente: Ante proyecto norma NTM 007

Nueva Normativa.

Referencias normativas Nch 3363:2015

6

Fuente: Ante proyecto norma NTM 007

Nueva Normativa.

Capitulo 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño.

• Consideraciones de Colapso Progresivo.

• Métodos para mitigar el Colapso Progresivo.

• Guía de Análisis y Diseño de Colapso Progresivo para Nuevos Edificios Federales y Proyectos Mayores de Modernización (GSA, 2008)

7 Fuente: FEMA p646

Nueva Normativa.

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Introducción Colapso

Progresivo Método Metodología Análisis Resultados Conclusiones Aplicación

Colapso Progresivo.

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“Colapso progresivo se define como la propagación de una falla local inicial -de elemento a elemento resultando en el colapso de la estructura completa o de una de una parte desproporcionadamente grande de esta”

ASCE 07-10

Colapso Progresivo.

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Requisitos

•Falla local que desencadena el proceso.

Condición de carga anormal

• Sobrecarga imprevista.

• Mal uso del edificio.

•Cargas anormales como explosión accidental ,acto terrorista, tsunamis.

Condición de carga normal

•Durante construcción.

• Durante ocupación.

•Evento natural (Sismo o Viento).

Estructura que carece de adecuada :

• Resistencia

• Continuidad

• Ductilidad

• Redundancia

Colapso Progresivo.

11

Edificio apartamento Ronan Point.,1968.

Fuente:Modern Protective Strutures

Colapso Progresivo.

12

Falla progresiva pero no colapso desproporcionado pues fue causado por un gran impacto y un gran fuego.

Torres Gemelas del World Trade Center.

Fuente:Bazant (2007)

Colapso Progresivo.

13

Colapso progresivo de los pisos superiores de un estacionamiento por daños a las columnas de los niveles bajos causados por una barcaza-casino adyacente (Huracán Katrina, 2005)

.

Fuente: FEMA P646.

Método de Análisis.

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Método de la Trayectoria de Carga Alterna ( Columna Ausente).


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Condición de carga (GSA):

• GD = 2 (CM + 0.25CV) para áreas aferentes al elemento removido, en todos los niveles sobre el elemento. 2 es un factor de amplificación dinámica

• G = CM + 0.25CV para el resto de la estructura

Fuente: GSA


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Trayectoria de Carga Alterna – Análisis Lineal.

Relación Demanda Capacidad

Donde:

• Qu = Demanda (Momento, fuerza axial, corte) obtenida del análisis lineal.

• Qn = Capacidad nominal (f’c`, fy, Φ) calculada para refuerzo propuesto .

• Relaciones RDC aceptables: RDC <= 1

• En GSA se acepta hasta RDC = 2 para análisis de colapso progresivo con la columna ausente en le estructura.


17

1. Crear un modelo tridimensional de la estructura.

2. Remover elemento fallado.

3. Aplicar las cargas Gd y G.

4. Comparar Fuerzas internas con resistencia de cada elemento ( vigas y columnas aferentes a columna removida). Si todos los elementos cumplen, el análisis para la remoción de ese elemento esta completado. La estructura puede ‘puentear’ las cargas del elemento removido.

5. Si algún elemento no cumple criterio de resistencia RDC >2 ( Vigas)

• Remover el elemento que falla o, insertar articulaciones con momentos constantes. Redistribuir cargas asociadas con elementos fallados.

• Reanalizar el modelo

• Calcular el área que falla. Comparar con limite (70 m2 para columnas exteriores y 140 m2 para columnas interiores).

• Si limite de daño es excedido, re-diseñar (adicionar refuerzo y/o aumentar secciones) y re-analizar la estructura comenzando con paso 1.

• Si limite de daño es aceptable, se tiene una estructura con adecuada resistencia al colapso progresivo

6. Verificar combinación de carga axial y momento en la columna analizada no exceda la resistencia de diseño, si excede:

• La carga axial se debe comparar con la carga axial para falla balanceada Pb. Si la carga axial es menor que Pb una articulación plástica equivalente se inserta en el modelo, tal como se hace en vigas. En caso contrario, la columna se debe remover del modelo y aplicar las cargas asociadas al elemento al piso directamente bajo este. Luego se debe repetir el análisis.

Aplicación del Método.

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Modelo Estructural

4

pisos

12

pisos

Espesor de muros (cm) 20 30

Vigas, ancho x alto (cm) 20x50 30x65

Columnas Int., ancho x alto

(cm)

60x60 70x70

Columnas Ext., ancho x

alto (cm)

50x50 60x60

Altura de entrepiso (cm) 360 360


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Modelo Estructural

Fuente: Elaboración Propia, SAP2000


20



21

Análisis Modal

Peso total: 6397.0 Ton

Dirección UX UY

Período est: 0.58 0.60

R*: 5.16 5.24

Q R=1 4208 65.8% 4143 64.8%

Qmax: 1074.696 16.8%

Qmin: 511.760 8.0%

Qbasal: 815.6 12.7% 791.4 12.4%

FACTOR= 1.00 1.00

1/R* x Factor= 0.1938 0.1910

1.4xFactor/R*= 0.27 0.27

Qbasal total= 815.6 791.4

12.7% 12.4%

Peso total: 2207.0 Ton

Dirección UX UY

Período est: 0.16 0.18

R*: 2.72 2.89

Q R=1 1335 60.5% 1497.8 67.9%

Qmax: 370.776 16.8%

Qmin: 176.560 8.0%

Qbasal: 491.6 22.3% 517.4 23.4%

FACTOR= 0.75 0.72

1/R* x Factor= 0.2777 0.2475

1.4xFactor/R*= 0.39 0.35

Qbasal total= 370.8 370.8

16.8% 16.8%

Edificio 12 pisos. Edificio 4 Pisos

Fuente: Elaboración Propia.


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Combinaciones de Cargas.

C1: 1.4D

C2: 1.2D + 1.6L

C3: 1.2D + L ± 1.4Ex

C4: 0.9D ± 1.4Ex

C5: 1.2D + L ± 1.4Ey

C6: 0.9D ± 1.4Ey

D=100 Kg/m2

L=250 Kg/m2

E= Sismo

NCh3171.Of2010:Diseño estructural -

Disposiciones generales y combinaciones de

cargas


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Elección de columna retirar.



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• Aplicación de Cargas

Resultados: Análisis y discusión.

26 Diagrama Momentos Diagrama Corte con columna removida

• Edificio de 12 pisos

Análisis de Vigas


27

GEOMETRIA DEL ELEMENTO Ancho (cm) bw= 30,000 Recubrim ↑ 3,000

Altura (cm) h= 65,000 Recubrim ↓ 3,000

Peralte efec (cm) d= 62,000

Diseño bw h rec d fy f'c Mu

Descripción Dúctil [cm] [cm] [cm] [cm] [kg/cm2] [kg/cm

2] [ton·m] As

[cm2]

Viga 30/65 (1) Si 30 65 3,0 62,0 4.200 250 7,50 2 Ø 22 7,60 OK, CUMPLE

viga 30/65 (2) Si 30 65 3,0 62,0 4.200 250 7,50 2 Ø 22 7,60 OK, CUMPLE

Flexión

ArmaduraVerificación

Cumple con criterio!


28

Diagrama Momentos

Diagrama Momento con columna

removida

Edificio de 4 pisos


29

GEOMETRIA DEL ELEMENTO Ancho (cm) bw= 20 Recubrim ↑ 3

Altura (cm) h= 50 Recubrim ↓ 3

Peralte efec (cm) d= 47

Cumple con criterio!

Diseño bw h rec d fy f'c Mu

Descripción Dúctil [cm] [cm] [cm] [cm] [kg/cm2] [kg/cm

2] [ton·m] As

[cm2]

Viga 20/50 (1) Si 20 50 3,0 47,0 4.200 250 4,07 2 Ø 16 4,02 OK, CUMPLE

viga 20/50 (2) Si 20 50 3,0 47,0 4.200 250 4,07 2 Ø 16 4,02 OK, CUMPLE

Flexión

ArmaduraVerificación


30

Análisis de Columnas

Edificio de 12 Pisos

Carga Axial Carga Axial con columna removida


31

Condición Pu [ton] Mu [ton*m]

Sísmica 191.8 2.75

Colapso 340.5 4.59

Cumple criterio!

Col. 60x60 [cm]


32

Edificio de 4 Pisos

Carga Axial

Carga Axial con columna removida


33

Condición Pu [ton] Mu [ton*m]

Sísmica 64.04 2.05

Colapso 140.45 3.36

Col. 50x50 [cm]

Cumple criterio!

Conclusiones

34

• Ambos Edificios presentan un buen comportamiento frente a la perdida de una columna.

• Sistemas Fuertes, dúctiles y redundantes pueden experimentar fallas sin presentar colapso progresivo.

• Precaución con edificios de pocos niveles de pisos.

Fuente: FEMA P646

Conclusiones

35

• Casas Tipo Falapito entregadas en Dichato para resistir un eventual Tsunami.

“Las casas están construidas para que tras un

tsunami las edificaciones no se destruyan y las

familias puedan regresar rápidamente a habitarlas”

Rodrigo Pérez, Ministro de Vivienda

y Urbanismo-2012.

Conclusiones

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Edificios en potencial peligro.

•Contempla un muro de

contenedores de

alrededor de ocho pisos de

altura entre la costa y la

zona Patrimonio Mundial declarada por la UNESCO.

Proyecto Terminal 2

Recomendaciones

37

• C 1: 1.2D + 1.0Ts + 1.0LREF + 0.25L

• C 2: 0.9D + 1.0Ts

Recomendaciones

•Fuerza boyante.

•Fuerza del frente de ola.

•Fuerza de arrastre.

•Fuerza de impacto.

•Fuerzas hidrostáticas.

Recomendaciones

38

• Edificio de hormigón armado fundado sobre pilotes volcado por el tsunami en Onagawa, FEMA P646

Recomendaciones

39

• Consideraciones de luces máximos de vigas.

• Conexiones de los traslapos: alargar traslapos o buscar otra posición.

“DISEÑO Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE EDIFICIO DE HORMIGÓN ARMADO PARA

RESISTIR COLAPSO PROGRESIVO, DEBIDO A UNA CARGA ANORMAL PRODUCIDA POR UN

TSUNAMI.”

Memoria para optar al título de INGENIERO CIVIL

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Escuela de Ingeniería Civil

“Todo se puede conseguir si miras el horizonte y si todo lo

que haces es con pasión. La pasión es sinónimo de amor…”

Gracias

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