Diseño sísmico directo basado en desplazamientos de un sistema estructural dual

Abstract

El diseño sísmico tradicional es el diseño basado en fuerzas (DBF), existe otro diseño sísmico basado directo basado en desplazamientos (DDBD) propuesto por su principal impulsor Priestley, M.J.N (2007). El DDBD a diferencia del DBF considera el daño estructural, con la finalidad de lograr un mecanismo de falla de la estructura para evitar el colapso. Es más fácil cuantificar el daño de una estructura a través de desplazamientos que de fuerzas. De esta manera una estructura para alcanzar un desplazamiento último de diseño, debe lograr una adecuada ductilidad, es decir la estructura será dañada incursionando en el rango inelástico. En la primera parte de esta tesis se presenta las diferencias que existen entre las metodologías del DDBD y del DBF resaltando algunas bondades del DDBD. En la segunda parte se presenta un caso de estudio de un edificio dual de 5 niveles que presenta regularidad tanto en planta como en elevación y se encuentra ubicada en una zona altamente sísmica cuya aceleración en suelo firme es el 45% de la aceleración de la gravedad. Luego se aplica las metodologías del DDBD y DBF al caso de estudio, con la finalidad de comparar sus respuestas de desplazamiento, derivas, diagramas de fuerza cortante y momentos. En la tercera parte, usando el programa ETABS, se realiza el Análisis Dinámico Tiempo Historia (ADTH) para comparar las respuestas de desplazamiento con las metodologías del DDBD, DBF. Para ello se sometió el modelo estructural a 3 registros sísmicos, cuyos espectros de respuesta fueron escalados con el espectro de diseño de la norma E.030. Luego se asignaron rótulas concentradas en posibles zonas de daño considerando los lineamientos del ASCE 41-13. En la parte final de la tesis se realiza las comparaciones y conclusiones sobre el caso de estudio. Es importante indicar que el nivel de desempeño sísmico del edificio para la metodología del DDBD es mayor que para el DBF. Esto se debe a que las derivas del método DDBD oscilan en el orden de 2% a 2.5% y las derivas del DBF se limitan a 0.7%. Por lo tanto, si comparamos los desplazamientos de ambas metodologías, una estructura diseñada con el DDBD logrará desplazarse más y debido a ello sufrirá mayor daño. Es asi que al comparar las fuerzas cortantes basales de cada metodología para el caso de estudio, se determinó que las cortantes basales obtenidas con el DDBD fueron mayores a las obtenidas con el DBF. Éstas resistencias obtenidas por el DDBD a diferencia del DBF, garantizan que la estructura logre los desplazamientos máximos de diseño, porque fueron obtenidas por un factor de reducción de espectro de desplazamiento que depende del amortiguamiento y ductilidad del sistema dual. Asimismo los desplazamientos para el caso de estudio del DDBD resultaron ser mayores a los desplazamientos del DBF y del ADTH, desmostrando que el nivel de desempeño de la metodología del DDBD es más exigente debido a que emplea una deriva del 2.5% comparada con una menor deriva de 0.7% del código sísmico peruano E.030.

The traditional seismic design is the methodologies of Forced Based Design (FBD), there is another direct displacement based design (DDBD) proposed by Priestley, M.J.N (2007). The DDBD considers structural damage to achieve a failure mechanism of the structure before collapse. It´s easier to quantify damage of a structure with displacements rather than forces. Therefore, a structure to achieve a inelastic displacement design with good ductility, it is necessary to be damaged. The first part of this investigation is about differences between the methodologies of DDBD and FBD with some DDBD advantages. In the second part, there is a study case about a dual building 5-story, which is regular in plan and elevation. The building is located in a seismic zone, which acceleration in firm soil is 45% of the acceleration of gravity. Then it is applied both methodologies into the study case to compare its displacements, shear forces and overturning moments. In the third part the Dynamic Time History Analysis (DTHA) is done, to compare displacements with DDBD and FBD methodologies. Three accelerograms were used and the magnitude of the acceleration scaled to be spectrum compatible with design spectrum. Then, using ASCE 41-13 guidelines, the hinge plastics were assigned to structure. Finally, both methodologies results about study case are compared. It´s important take into account that the seismic performance level of the building for DDBD is greater than FBD method. This is due to drifts of DDBD are in the order of 2.0% and 2.5% comparing with FBD drifts of 0.7%. Therefore, displacements of DDBD is greater than the FBD method. Shear forces of DDBD result greater than FBD methodology. These strengths of DDBD method ensures that structure achieves design inelastic displacements, because those strengths were obtanied due to a displacement spectrum reduction factor which depends of damping and ductility of the dual system. Also the displacements for the study case for DDBD results to be greater than FBD and DTHA. In that way it´s proves that the seismic performance level of the building for DDBD is greater than FBD method. Due to drifts of DDBD which are in the order of 2.0% and 2.5% compared with little FBD drifts of 0.7%.