Reacondicionamiento Sísmico de Edificios de Hormigón Armado con el Primer Piso Blando

422 Pages·2017·24 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID (UPM)

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

(ETSII)

Reacondicionamiento Sísmico de Edificios de Hormigón Armado
con el Primer Piso Blando Mediante Disipadores de Energía:
aplicación a la República Dominicana

TESIS DOCTORAL

Santiago Félix Mota Páez

Máster en Ingeniería Símica: Dinámica de Suelos y Estructuras

05 de Junio de 2017
Departamento de Ingeniería Mecánica

Escuela Técnica Superio r de Ingenieros Industriales
(E TSII)

Reacondicionamiento Sísmico de Edificios de Hormigón Armado
con el Primer Piso Blando Mediante Disipadores de Energía:
aplicación a la República Dominicana

Autor:
Santiago Félix Mota Páez
Máster en Ingeniería Sísmica: Dinámica de Suelos y Estructuras

Director:
Amadeo Benavent Climent
Doctor en Ingeniería

05 de Junio de 2017
TRIBUNAL EVALUACIÓN TESIS DOCTORAL

Tribunal nombrado por el Magnífico Rector de la Universidad Politécnica de Madrid. El día
______de ___________________de _________.

Presidente:
Secretario:
Vocal:
Vocal:
Vocal:

CALIFICACIÓN: ________

Realizado el acto de defensa y lectura de Tesis el día _____ de____________ de__________, en
Madrid.

Presidente Secretario

Vocales

05 de Junio de 2017
Agradecimientos

Agradezco al Ministerio de Educación Superior Ciencia y Tecnología de la República Dominicana
(MESCyT), por haberme otorgado aquella beca de master con la que inicié esta aventura de
viajar a España, en principio, solo por un año, y descubrí que existía todo un mundo de
conocimiento desconocido para mí, más allá de lo que había aprendido en mi país, y que me
incitó a quedarme para embarcarme en este proyecto que hoy culmina con la realización de esta
Tesis Doctoral. Al término de la misma quiero agradecer también a la Universidad Central del
Este (UCE) y a las siguientes personalidades por su respectiva colaboración: al Dr. Eduardo
Fierro, por darme entre otras cosas, las referencias de las personas claves en la República
Dominicana relacionadas con mi tema, como es el caso del Ma. Leonardo Reyes Madera, actual
presidente de SODOSISMICA, y de Rafael Corominas Pepín, personas a la cual agradezco
grandemente sus aportaciones. A mis amigos y compañeros de profesión como Luis Nuñez
Aquino, Oscar Luis Villafaña Castillo, David Galé Lamuela y Wilson Encarnación, personas con las
que tuve el placer de compartir tanto en lo académico como en lo personal, y que cada una de
una forma u otra han contribuido a la realización de esta Tesis. No reconocer el apoyo brindado
por las señoras Sonia Colado, Arancha Lauder y Yolanda Salvador por sus orientaciones y apoyo
incondicional a mi llegada a Madrid en septiembre de 2010, me condenaría a un sentimiento de
deuda con vosotras, os agradezco grandemente vuestra colaboración.

Finalmente, quiero agradecer de forma muy especial a los profesores Francisco Javier Montans
Leal (Paco) y Amadeo Benavent Climent por haber aceptado en su día ser mis directores de Tesis,
primero el uno y luego el otro. Gracias por haber hecho de aquel cambio de dirección de Tesis,
una “transición dulce1” que me dio mucha tranquilidad y confianza para comenzar de nuevo.
Gracias Paco y Amadeo por hacerlo todo fácil cuando me parecía que todo era tan difícil.
Amadeo, “Ánimo que ya te queda menos” era más que una frase para mí, era la voz de la
experiencia la que me hablaba, que con ojo crítico observaba al avance de mi trabajo. Sus toques
de atención me servían para esforzarme un poco más en hacerlo mejor. Quizás no tenga las
palabras para expresarle la suficiente gratitud, quizás la realización de esta Tesis sea el mejor
argumento, no lo sé, solo sé que ha hecho un gran trabajo conmigo, he aprendido mucho de
usted, y he querido dedicarle estas palabras para que queden para la posteridad.

Gracias a todos he logrado convertir esta experiencia en un proyecto de vida…

1 "transición dulce", es el calificativo empleado por Vicente del Bosque en 2016 para definir el traspaso
de poderes en la portería de Iker Casillas (entonces portero de la Selección Española de Futbol) a su colega
David De Gea.

I
Dedicatoria

A mi familia, en especial a mi hija:
Sophia Mota López

II
Resumen

La presente Tesis propone una nueva solución para el reacondicionamiento sísmico de un tipo
particular de edificaciones existentes consistente en pórticos de hormigón armado con un
primer piso blando y muros de mampostería como elementos de cierre y particiones interiores
en los pisos superiores. La nueva solución se basa en el empleo de disipadores de energía de
tipo histerético y con ella se consigue acercar el comportamiento sísmico de este tipo de
estructuras al de las estructuras con aislamiento de base. El piso blando es una configuración
estructural inadecuada desde el punto de vista sísmico, responsable del mayor número de
colapsos de edificios frente a terremotos severos ocurridos en el pasado, lo que hace que los
edificios con piso blando representen una cuestión de gran preocupación, especialmente en las
regiones de alta sismicidad como la República Dominicana. La solución investigada combina la
adicción de disipadores histeréticos de energía con el refuerzo de las columnas de la primera
planta (en caso de ser necesario). Los dispositivos de disipación de energía son nuevas
tecnologías capaces de reducir los desplazamientos relativos entre plantas y de incrementar la
resistencia de los edificios. La Tesis propone también una metodología de cálculo para este tipo
de estructuras basada en el balance energético, que proporciona la resistencia, rigidez y
capacidad de disipación de energía requerida a los disipadores para que el edificio en su
conjunto pueda resistir el terremoto de diseño sin exceder la deriva máxima impuesta para la
primera planta. La resistencia requerida por los disipadores depende de la resistencia de las
columnas del primer piso, lo que da lugar a múltiples soluciones y permite optimizar la solución.
El método propuesto para el dimensionado de los disipadores toma en cuenta la contribución
de la deformación elástica de las plantas superiores a la energía de vibración elástica, y
proporciona una fórmula simple para determinar la resistencia necesaria en esas plantas para
garantizar que las mismas se mantienen elásticas. En esta Tesis se diseñan varios prototipos de
estructuras representativas de edificios existentes de 3, 6 y 9 plantas de acuerdo con los códigos
de construcción de la RD, y posteriormente se desarrollan los modelos numéricos
correspondientes a esos edificios. Los modelos fueron reacondicionados con la solución
propuesta por el autor de esta Tesis, y utilizando un código para el Análisis Dinámico no lineal
de Estructuras en dos dimensiones (IDARC-2D), se llevaron a cabo múltiples análisis dinámicos
directos en régimen no lineal para evaluar el desempeño sísmico de las estructuras
reacondicionadas y para validar el procedimiento desarrollado. Los resultados obtenidos
muestran que la solución propuesta protege satisfactoriamente la estructura existente y que
además previene el daño frente a terremotos más severos asociados a períodos de retorno de
2475 años tanto en la primera planta con en las plantas superiores.
III
Abstract

The present Thesis proposes a new solution for seismic upgrading existing reinforced concrete
structures with first soft story and masonry infills at the upper stories. The new solution is based
on the use of hysteretic dampers and it is intended to attain a seismic behavior similar to that
of base isolation systems. Soft story is an inadequate structural configuration responsible in the
past for many building collapses during severe earthquakes around the world. This type of
structures are a matter of big concern especially in regions of high seismicity such as Dominican
Republic. The solution investigated in this Thesis combines the addition of hysteretic dampers
with the strengthening (if necessary) of the columns of the existing soft first (ground) story of
the building. Energy dissipating devices (EDDs) are new technologies capable of minimizing
inter-story drifts and increasing the earthquake resistance of buildings. The Thesis puts forth an
energy-based design procedure that provides the strength, stiffness and energy dissipation
capacity required for the dampers so that the overall structure can endure the design
earthquake without exceeding a prescribed maximum drift at the first story. The strength
required for the dampers depends on the strength of the columns of the first story therefore
multiple solutions are possible allowing optimization. The proposed method takes into account
the contribution of the elastic deformation of the upper stories to the elastic vibrational energy
of the whole system. Further, simple formulae are proposed to determine the required strength
on the upper stories so that they remain elastic. Several prototype buildings having 3, 6 and 9
stories were designed according to code construction of Dominican Republic, and then, the
corresponding numerical models representing these buildings were developed. The models
were seismic upgraded with the solution proposed by the author, and using a code for Inelastic
Dynamic Analysis of Structures (IDARC-2D), non-linear time-history analyses were carried out to
evaluate the seismic performance of the retrofitted structures and to validate the proposed
procedure. The results obtained show that the proposed solution protects satisfactorily the
existing structure and prevents damage under severe earthquakes in both, first story and upper
stories.

IV
Índice General

Agradecimientos ............................................................................................................................ I
Dedicatoria .................................................................................................................................... II
Resumen ....................................................................................................................................... III
Abstract ........................................................................................................................................ IV
Índice General ............................................................................................................................... V
Índice de Figuras ......................................................................................................................... XII
Índice de Tablas ........................................................................................................................... XX
Notación General ..................................................................................................................... XXIII
Organización de la Tesis ......................................................................................................... XXXIII
Capítulo 1 ...................................................................................................................................... 1
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................................... 1
1.1.- Introducción ...................................................................................................................... 1
1.2.- Metodología de Proyecto Sismorresistente Basada en el Balance Energético de
Housner-Akiyama ...................................................................................................................... 2
1.2.1.- Ecuación de equilibrio dinámico de fuerzas .............................................................. 2
1.2.2.- Ecuación de balance de energía ................................................................................. 4
1.3.- Filosofía del Proyecto Sismorresistente Basado en Prestaciones ..................................... 5
1.4.- Sistemas de Protección Sísmica ...................................................................................... 13
1.4.1.- Sistemas de control pasivo ...................................................................................... 14
1.4.1.1.- Disipadores histeréticos de energía .................................................................. 15
1.5.- Objetivos ......................................................................................................................... 19
1.5.1.- Objetivo general ....................................................................................................... 19
1.5.2.- Objetivos específicos ................................................................................................ 19
1.6.- Metodología de la Investigación ..................................................................................... 19
1.7.- Motivación e Interés de la Tesis ...................................................................................... 20
1.7.1.- Situación sísmica de la República Dominicana ........................................................ 20
1.7.2.- El problema de piso blando y su amenaza para las edificaciones existentes en la RD
............................................................................................................................................. 22
1.7.3.- La falta de un método sencillo para el reacondicionamiento sísmico de estructuras
existentes de hormigón armado empleando disipadores de energía ................................ 23
Capítulo 2 .................................................................................................................................... 25
2. ESTADO DEL ARTE Y ANTECEDENTES .................................................................................. 25
2.1.- Introducción .................................................................................................................... 25
2.2.- Códigos Sísmicos: Origen, Evolución y Estrategias de Proyecto Sismorresistente ......... 25
2.3- Breve Reseña Histórica del Reacondicionamiento Sísmico ............................................. 27
2.4.- El Problema de Piso Blanco: Definición y Configuración ................................................ 28
2.4.1.- Definición de piso blando según normativas ........................................................... 28
V
2.4.2.- Descripción y configuración del problema............................................................... 30
2.5.- Comportamiento de “Piso Blando” Ante un Sismo ........................................................ 31
2.6.- Soluciones Convencionales Para Evitar y Reducir la Patología de Piso Blando .............. 32
2.7.- Trabajos de Investigación más Relevantes Sobre el Reacondicionamiento Sísmico de
Edificios con el Primer Piso Blando Empleando Disipadores de Energía ................................ 33
2.7.1.- Trabajos de Parducci (Parducci et Al. 2005) ............................................................ 33
2.7.2.- Trabajo de Nakano (Nakano et al. 2013) ................................................................. 35
2.7.3.- Trabajo de Sahoo (Sahoo y Rai 2013) ...................................................................... 35
2.7.4.- Trabajo de Teruna (Teruna et al. 2014) ................................................................... 36
2.7.5.- Trabajo de Bahmani y van de Lindt (Bahmani y van de Lindt et al. 2014) ............. 36
2.7.6.- Trabajo de Kanno (Kanno et al. 2014) ...................................................................... 36
2.8.- Estudios y Propuestas Para el Dimensionado de Disipadores Empleando Métodos
Energéticos .............................................................................................................................. 37
2.8.1.- Métodos propuestos en la literatura ....................................................................... 37
2.8.1.1.- Método propuesto por Choi y Kim (2005) ........................................................ 37
2.8.1.2.- Método propuesto por Benavent-Climent (2011) ............................................ 37
2.8.1.3.- Método propuesto por Habibi, Chan y Albermani (2012) ................................ 38
2.8.1.4.- Método propuesto por Madan y Hashmi (2014) .............................................. 38
2.8.2.- Normativa Japonesa ................................................................................................. 39
2.9.- Antecedentes Sobre el uso Combinado de los Materiales Compuestos FRP/SRP ......... 40
Capítulo 3 .................................................................................................................................... 44
3. TIPOLOGÍAS DE EDIFICACIONES Y PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS EN LA REPÚBLICA
DOMINICANA .............................................................................................................................. 44
3.1.- Introducción .................................................................................................................... 44
3.2- Tipologías constructivas ................................................................................................... 44
3.3.- Edificaciones de Hormigón Armado con Piso Blando en la República Dominicana ....... 46
3.4.- Prácticas Constructivas en la República Dominicana ..................................................... 47
3.4.1.- Reglamentos utilizados en la década de los 70, 80 y 90 y en la actualidad para el
diseño de estructuras de hormigón armado ....................................................................... 48
3.4.1.1.- Métodos de diseño del comité ACI 318 ............................................................ 48
3.4.1.2.- Factores y combinaciones de cargas ................................................................ 50
3.4.1.3.- Coeficientes reductores de resistencia ............................................................. 52
3.4.1.4.- Cuantías de diseño para los elementos estructurales (columnas, vigas y losas)
......................................................................................................................................... 52
3.4.2.- Combinaciones de cargas según las recomendaciones del 1979 y el Reglamento
sísmico 2011 de la República Dominicana .......................................................................... 54
3.4.2.1.- Control de las deformaciones ........................................................................... 55
3.4.3.-Programas para el análisis sísmico y diseño estructural utilizados en la República
Dominicana ......................................................................................................................... 57
VI
3.5.- Estudio Comparativo de las Cargas Sísmicas y Gravitatorias que Figuran en los
Reglamentos Sísmicos de 1979, 2008 Y 2011 ......................................................................... 57
3.5.1.- Cargas gravitatorias según reglamentos .................................................................. 57
3.5.2.- Cargas sísmicas ......................................................................................................... 62
3.5.2.1.- Solicitaciones sísmicas según las ‘’Recomendaciones Provisionales Para el
Análisis Sísmico de Estructuras M-001 del año 1979’’ .................................................... 62
3.5.2.2.- Solicitaciones sísmicas según el Reglamento Dominicano Para el Análisis
Sísmico de Estructuras (2008) ......................................................................................... 64
3.5.2.3.- Solicitaciones sísmicas según el Reglamento Para el Análisis y Diseño Sísmico
de Estructuras R-001 (2011) ............................................................................................ 68
3.5.2.4.- Comparación de los espectros elásticos horizontales de la República
Dominicana ..................................................................................................................... 73
3.5.2.5.- Comentarios sobre las cargas espectrales en los Reglamentos sísmicos ......... 75
Capítulo 4 .................................................................................................................................... 77
4. DEFINICIÓN Y DIMENSIONADO DE PROTOTIPOS DE ESTRUCTURAS REPRESENTATIVAS ... 77
4.1.- Introducción .................................................................................................................... 77
4.2.- Definición de los Prototipos de Estructuras Representativas ......................................... 77
4.3.- Dimensionado de los Prototipos de Hormigón Armado ................................................. 79
4.3.1.- Dimensiones mínimas de los elementos estructurales ........................................... 81
4.3.2.- Análisis de cargas para el dimensionado bajo cargas gravitatorias ......................... 82
4.3.3.- Factores de reducción de resistencia ....................................................................... 84
4.3.4.- Combinaciones de cargas ......................................................................................... 85
4.3.5.- Modelado, propiedades y casos de cargas en ETABS .............................................. 85
4.3.5.1.- Modelado .......................................................................................................... 85
4.3.5.2.- Definición de la geometría y asignación de propiedades ................................. 86
4.3.5.3.- Definición de los casos de cargas estáticas gravitatorias ................................. 86
4.3.5.4.- Análisis y diseño estructural de los pórticos ..................................................... 87
4.3.6.- Diseño estructural de las losas ................................................................................. 87
4.5.- Resultado del Dimensionado de los Prototipos de Estructuras ..................................... 88
Capítulo 5 .................................................................................................................................... 96
5. PROPUESTA DE SOLUCIÓN DE REACONDICIONAMIENTO SÍSMICO COMBINANDO
MATERIALES COMPUESTOS Y DISIPADORES HISTERÉTICOS DE ENERGÍA EN EL PRIMER PISO
BLANDO ....................................................................................................................................... 96
5.1.- Introducción .................................................................................................................... 96
5.2.- Solución Propuesta Para el Reacondicionamiento Sísmico de Estructuras con Piso
Blando Mediante Disipadores de Energía y Materiales Compuestos ..................................... 96
5.3.- Filosofía de la Estrategia Propuesta .............................................................................. 100
5.4.- Solución Técnica Para la Conexión Pórtico-Disipador ................................................... 100
Capítulo 6 .................................................................................................................................. 104
6. SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE TERREMOTOS HISTÓRICOS ........................................... 104
VII