De los espectros de diseño sismo resistente
En los espectros de respuesta de la Norma sismo-resistente en las dos primeras versiones (CCCSR-84 y NSR-98), consideraban la altura de la meseta constante y los efectos locales sólo se consideraban en el periodo final de la meseta, dando lugar a que los efectos locales sólo eran notorios en estructuras flexibles, es decir para edificios altos.
En la versión actual de la norma (NSR-10), todas las estructuras se consideran afectadas por los efectos de sitio de acuerdo con la definición de los espectros de diseño, considerando adicionalmente el efecto de la no linealidad del suelo que hasta el momento no había sido considerada.
La consideración de los efectos locales para el diseño sismo-resistente de las estructuras de acuerdo con el enfoque de la norma (NSR-10), se basa únicamente en las condiciones de rigidez del suelo de fundación a partir de análisis unidimensionales, sin considerar la influencia de las condiciones topográficas del sitio y la interacción suelo y estructura.
CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES
Adicionalmente, se considera que la base de apoyo del edificio es rígida a pesar de considerar los sismos modificados por los efectos locales.
Del diseño experimental
El comportamiento de las estructuras ante cargas dinámicas es un problema bastante complejo, el cual está controlado por muchos factores, de los cuales en este estudio se analizaron los siguientes cinco: a) Rigidez de las edificaciones, la cual fue definida con base en los dos primeros modos característicos de vibración, b) Rigidez del perfil geotécnico, definido con base la velocidad promedio de onda cortante, c) Inclinación de las laderas, d) contenido frecuencial del sismo y e) la posición de las edificaciones en el desarrollo de las laderas; evaluando la respuesta de las edificaciones en Interacción Dinámica Suelo Estructura mediante modelos bidimensionales de elementos finitos elaborados en PLAXIS.
De la calibración de los modelos
En la comparación de los espectros de respuesta, construidos para los tres sismos realizando un análisis unidimensional en los software EERA y DEEP SOIL y mediante un análisis bidimensional en PLAXIS, se identifica una gran similitud entre ellos, para cada una de las nueve combinaciones entre sismo y perfil geotécnico. Las diferencias están asociadas a que ambos aplican metodología de análisis diferente, ya que mientras en EERA y DEEP SOIL se realiza un análisis lineal equivalente empleando las curvas de degradación de rigidez y variación de amortiguamiento del suelo, en PLAXIS se utilizan los coeficientes de amortiguamiento de Rayleigh definidos para considerar amortiguamiento a pequeñas deformaciones en conjunto con las consideraciones no lineales definidas por el modelo HS Small.
De la interacción suelo estructura en condiciones topográficas planas
Aunque los espectros de respuesta tomados en la base de las estructuras considerando IDSE muestren deamplificaciones espectrales con respecto a los obtenidos en campo libre, se puede presentar una mayor cortante basal en la IDSE con respecto a la obtenida mediante un análisis de respuesta espectral empleando el método de la FHE asignando el 100% de la masa al periodo característico de la estructura, debido a la influencia de los modos superiores de vibración y a un incremento de su masa participante en la IDSE.
Se concluye que definir factores para considerar la IDSE con base en las modificaciones espectrales no son realmente representativos de la cortante que experimentaría la estructura ante una excitación sísmica.
CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES
Se identificó un gran influencia del contenido frecuencial de los sismos en los espectros de respuesta, tanto en campo libre como en IDSE, pues estos presentaron en general picos ubicados cerca de los periodos característico de las señales sísmicas To y Tm, pero difieren en magnitud de la aceleración lo cual se atribuye a las características dinámicas de los perfiles geotécnicos y de las edificaciones.
En todos los casos, para el sismo 1, las aceleraciones espectrales máximas coinciden con el periodo predominante del sismo Tm=0.24s, tanto en campo libre como en IDSE, destacándose que para el perfil geotécnico tipo C donde se presentaron las mayores magnitudes, debido a la coincidencia de su periodo característico Ts=0.24s con el del sismo, evidenciándose un fenómeno de resonancia.
Los espectros de respuestas en campo libre y en IDSE para el caso del sismo 2 y del sismo 3, las máximas aceleraciones espectrales se presentaron en los periodos característicos de los perfiles geotécnicos mas no del sismo, a diferencia el sismo 1 para el cual las aceleraciones espectrales máximas coinciden con el periodo predominante del sismo (Tm=0.24s).
La norma exige realizar análisis de interacción suelo estructura para el diseño de edificaciones de altura importante cuyo periodo característico se encuentre dentro de la rama descendente de los espectros de diseño, subestimando de esta manera la necesidad de realizar este tipo de análisis para edificaciones de baja altura cuyo periodo se encuentre en la zona de la meseta del espectro, que de acuerdo con resultados obtenidos las tres edificaciones contempladas en esta investigación presentaron influencia significativa en la modificación de los espectros de respuesta, que además estuvieron influenciados por el contenido frecuencial de los sismos cuya consideración no está incluida en los efectos de interacción suelo estructura de la norma.
De las laderas en campo libre
Los resultados de las laderas en campo libre mostraron un claro incremento de la máxima aceleración en superficie al aumentar la inclinación de la ladera.
El incremento de la aceleración en superficie para la ladera con 10° de inclinación fue casi nulo para el suelo más rígido (Tipo C), mientras que los suelos tipo D y tipo E presentaron unos picos con incremento de aceleraciones del orden de 1.3 a 1.5 veces las aceleraciones obtenidas en topografía plana, localizados en la cresta la ladera, solo el suelo tipo D para el caso de carga del sismo 1 presento el pico en el punto F de la ladera.
En las laderas con 20° de inclinación los suelos más rígidos (tipo C) empezaron a mostrar incrementos de la máxima aceleración en superficie de la ladera (AL) con respecto a la máxima aceleración obtenida en campo libre en condiciones topográficas planas (ACL),
CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES
peros solo en el caso de carga del sismo 3, donde se presentó un pico de AL/ACL=1.5 localizado al 25% del desarrollo de la ladera.
Los suelos tipo D y tipo E en las laderas con 20° de inclinación presentaron relaciones de aceleración en la superficie (AL) con respecto a la aceleración en campo libre en condiciones topográficas planas (ACL) que oscilaron entre 1.5 y 2.2, presentándose un rango más amplio de la zona de incrementos de aceleración, comprendido entre el punto (C) correspondiente al pie de la ladera extendiéndose hasta el punto (I) localizado a 90m detrás de la cresta de la ladera.
En la ladera con 30° de inclinación al igual que en la ladera con 20°, el suelo más rígido (Tipo C) presento el mayor incremento de las aceleraciones para el sismo 3 y localizado en el punto D de la ladera con un relación AL/ACL=2.6. Para el caso de los sismo 1 y sismo 2 de foco cercano e intermedio respectivamente, presentaron incrementos de aceleración máxima en superficie AL/ACL=1.7, destacándose adicionalmente para estos dos casos un decremento de la aceleración máxima en el pie de la ladera es decir en el punto C, donde se presentó una relación AL/ACL=0.75 para ambos casos.
Los perfiles de suelo tipo D y tipo E en el caso de la laderas con 30° de inclinación presentaron una zona de incrementos de aceleración más extendida que en el caso de la ladera con 20° de inclinación , comprendida desde el punto A localizado a 120m del pie de la ladera y el punto J localizado a 150m de la cresta de la ladera , siendo la ladera la zona de mayores incrementos, presentando valores de AL/ACL=1.8 para la carga del sismo 1 en el perfil de suelo tipo D y un máximo AL/ACL=1.8 para el suelo tipo E también con la carga del sismo 1.
De la interacción suelo estructura de edificaciones construidas en ladera
Se destaca de los resultados obtenidos de la Interacción Dinámica Suelo Estructura de los edificios construidos en ladera, que la variable respuesta a la cual se le debe prestar mayor atención corresponde a los desplazamientos relativos entre la base y el techo de las estructuras, ya que esta presento incrementos muy grandes hasta del orden de 6 veces en la ladera de 30° de inclinación con respecto a los obtenidos considerando condiciones topográficas planas horizontales.
A media que aumenta la inclinación de las laderas los edificios van sufriendo desplazamientos acumulados en la base hacia la dirección de la esta, efecto que es atribuido a la falta de confinamiento lateral del suelo hacia la ladera, razón por la cual los desplazamientos relativos entre la base y techo de los edificios se incrementan.
Por efecto de la ladera se presentaron aumentos importante de la aceleración máxima en superficie siendo mayores los incrementos a media ladera y aún mayores hacia la cresta.
CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES
Esto implico que los suelos en estas zonas experimentaran grandes deformaciones aumentándose así el efecto amortiguamiento por la no linealidad del suelo y por lo tanto en estas zonas se presentaron decrementos de la cortante basal en los edificios. Caso contrario al ser menores las aceleraciones hacia el pie de la ladera los edificios presentaron incrementos de la cortante basal hasta del 15% con respecto a los obtenidos en condiciones topográficas planas ya que los suelos al experimentar menores deformaciones desarrollaron menor amortiguamiento.
Las zonas donde se presentaron los mayores incrementos de aceleración máxima en superficie por efecto de la ladera, son consecuentes con los puntos donde se obtuvieron los mayores desplazamientos relativos correspondientes a los puntos E y F y en menor magnitud en la cresta es decir en el punto G, ya que estas zona al haber un incremento tan importante de la aceleración se presentaron grades deformaciones en el suelo lo que se reflejó en desplazamiento laterales en las estructuras.
Los suelos al deformarse por efecto del incremento de las aceleraciones aumentaron su capacidad de amortiguamiento presentándose así unas disminuciones en la cortante basal experimentada por los edificios, pero no indicando esto que los elementos que conforman la estructura sufran menos solicitaciones ya que al rotar se pueden producir esfuerzos en los elementos estructurales asociados a efectos P delta.
A pesar que en las laderas no se presentaron grandes incrementos de la cortante basal en comparación de lo que sí ocurrió con los desplazamientos relativos entre la base y techo de las estructuras, se considera como opción de diseño sismo resistente considerar los efectos de ladera asociados a los desplazamientos relativos para tomarse como factores que afecten la cortante basal y de esta manera obtener estructuras más rígidas las cuales pudiesen experimentar o soportar mayores desplazamientos.
Otra medida para contra restar el efecto nocivo de la ladera en el diseño sismo resistente de edificaciones podría ser restringirse el límite de derivas permitida en función de la inclinación de la ladera.
Se cree que considerando cimentaciones profundas el efecto de la ladera sobre los desplazamientos relativo entre la base y techo de las estructuras sea menor, lo cual se plantea como una futura línea de investigación que dé continuidad y complemente el presente estudio.
En los análisis de IDSE, los edificios experimentan menor aceleración a medida que disminuye la rigidez de los perfiles geotécnicos y aumenta la inclinación de las laderas, pero por el contrario aumentan los desplazamientos en el techo, evidenciándose no solo desplazamientos horizontales asociados a efectos traslacionales si no también incrementos de desplazamientos horizontales asociados a efectos rotacionales, efecto que es más notorio
CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES
en las edificaciones altas localizadas en la posiciones E y F.
El problema del diseño de edificaciones en ladera, no radica en definir factores para considerar un aumento de la aceleración de diseño, ya que las edificaciones no tienden a aumentar la cortante basal con el incremento de la inclinación de la ladera, por el contrario experimentan un disminución de esta con el incremento de la inclinación de la ladera y a su vez las edificaciones experimentan mayores desplazamientos a medida que aumenta la inclinación de las laderas, lo cual se atribuye a efectos rotacionales en la Interacción Dinámica Suelo Estructura. Sin embargo se considera que para un diseño sismo resistente empleando modelo lineales elásticos con respuesta espectral, se podrían considerar los efectos de aumento de desplazamiento en las estructuras construidas en ladera mediante la implementación de factores para afecten la cortante basal y de esta manera indirectamente aumentar el requerimiento de ductilidad y rigidez de las estructuras.
Se deben encaminar mayores esfuerzo en el estudio de efectos topográficos, ya que gran parte de las zonas urbanas del valle aburra están asentadas en laderas, y la proyección urbanística tiende a ocupar zonas de laderas cada vez con mayores inclinaciones, pues la escases de terreno urbanizables obliga cada vez más a ocupar las laderas y cada vez con edificaciones más altas.
Estudios previos que fueron referentes de esta investigación como (Dominic et al., 1999) analizaron y cuantificaron factores de amplificación espectral para zonas localizadas detrás de las crestas de la ladera. Estas investigaciones estaban limitadas a la caracterización bidimensional de cerros conformados en su totalidad por suelos estratificados en capas horizontales subyacidos por roca también en una capa horizontal, por lo cual se consideró que no reflejaban las condiciones de las laderas de Medellín donde la mayoría de las veces se encuentran espesores de depósito o de suelos residuales dispuestos de manera paralela a la inclinación de la ladera, efecto que se modelo esta investigación y que reflejo como resultado que las mayores amplificaciones de las aceleraciones no se encontraron localizadas detrás de las crestas de las laderas, lo cual ha venido siendo una creencia generalizada sobre los efectos topográficos, sino a media ladera y cerca de la cresta de esta. Los resultados obtenidos en esta investigación constituyen un punto de partida para futuras investigaciones que deben seguirse desarrollando encaminadas a comprender mejor el comportamiento dinámico de las estructuras construidas en laderas con el claro objetivo de lograr diseños de edificaciones más seguras.
Con base en los resultados obtenidos del desplazamiento en el techo de los edificios se puede determinar que los efectos de IDSE son más desfavorables a medida que aumenta la inclinación de las laderas y disminuye las rigidez de los perfiles de suelos.
Los resultados de la IDSE de edificaciones construidas en laderas reflejaron que las edificaciones de 5 niveles y 10 niveles desplantadas en laderas con inclinaciones de 10 grados no presentaron variaciones significativas para ninguna de las dos variables
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respuesta, a diferencia de las edificaciones de 15 niveles que en laderas con 10° de inclinación ya empezaban a presentar incrementos en los desplazamientos en el techo del orden del doble de los obtenidos en condiciones topográficas planas.