INTERACCION SISMICA SUELO-PILOTE-
SUPERESTRUCTURA EN EDIFICIOS ALTOS
DR. GENNER VILLARREAL CASTROPROFESOR PRINCIPAL UPC, USMP y UPAOPREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008
USO DE LA CIMENTACION CON PILOTES
• En Kobe, los daños en las cimentaciones superficiales fueron 1,5 veces mayor que en cimentaciones con pilotes
• Sobretodo se usa para edificios altos
• Se usa cuando los suelos son desfavorables
• El grupo de pilotes permite la disminución de la deformación de la edificación en 3 a más veces, comparándolo con la cimentación superficial
MASAS EN EL CENTROIDE DEL CABEZAL
N
i
N
ioipizrredz mmmm
1 1,,
*,
N
ii
N
ipixrredx mmmm
10,
1,
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N
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N
iihpizrred mhrmrm
1
22
2,0,
1
2,,
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N
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N
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1
2,0,
1
2,,
*,,
COEFICIENTES DE RIGIDEZ
p
INEK b
redx
_3
,
pb
redz
redzredz
ANE
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KK
0*,
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1
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1
2,
,,
N
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N
KK
1
2,
,,
CALCULO DE EDIFICIO DE 16 PISOS, CONSIDERANDO LA INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA
8000 8000
A B C
6000
6000
6000
6000
6000
1
2
3
4
5
6
DIAFRAGMA D1
DIAFRAGMA D2
DIAFRAGMA D1
1 1
500
500
250
32000
2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
400
400
18000
Z
Y
X
o
V
V (t) - ACCION SISMICA
CENTRO DE RIGIDEZ DEL CABEZAL
705-720
689-704
673-688
657-672
641-656
305-320289-304
225-240
241-256
257-272
273-288177-192
209-224
193-20897-112
81-96
65-80
49-64
33-48
17-32
1-16
113-128
161-176
145-160
129-144
449-464 465-480
417-432 433-448
385-400 401-416
353-368 369-384
321-336 337-352
481-496 561-576
497-512 577-592
513-528 721-736
529-544 609-624
545-560 625-640
X
Y c.m. * (P1-P16)
753-768
737-752
COEFICIENTES DE RIGIDEZ
Modelo dinámico Kx
(T/m)Ky
(T/m)Kz
(T/m)Kφx
(T.m)Kφy
(T.m)Kψz
(T.m)
Norma Rusa 1113617 1113617 8570395 728483575 228543867 124353898
Ilichev 172083 171577 3456000 297033316 95433316 -
N Modelo dinámicoPeríodo de vibración por la forma (s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Común 1,791 0,753 0,485 0,471 0,216 0,163 0,131 0,106 0,092 0,074
2 Ilichev 1,866 1,081 0,561 0,506 0,321 0,283 0,193 0,166 0,143 0,126
3 Norma Rusa 1,824 0,937 0,574 0,476 0,221 0,198 0,172 0,136 0,103 0,102
N Modelo dinámicoFrecuencia angular por la forma (rad/s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Común 3,51 8,35 12,96 13,33 29,06 38,67 47,93 59,22 68,07 84,45
2 Ilichev 3,37 5,81 11,21 12,42 19,58 22,19 32,56 37,94 43,94 49,87
3 Norma Rusa 3,45 6,71 10,95 13,21 28,46 31,72 36,64 46,17 60,82 61,36
RESULTADOS DE LA INVESTIGACION NUMERICA
NORMA PERUANA E030-2003 (α=00)
N Modelo dinámico
Desplazamiento máximo (mm)
DIAFRAGMA
Xmáx Ymáx Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 0,13 77,56 170,04 343,31 3110,01 0,12
2 Ilichev 0,19 83,05 177,25 393,73 3299,68 0,14
3 Norma Rusa 0,18 79,36 174,66 358,55 3178,37 0,13
N Modelo dinámico
COLUMNA
Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(т.м)Mt,máx
(т.м)
1 Común 378,07 4,04 7,22 0,01
2 Ilichev 390,94 4,34 7,77 0,01
3 Norma Rusa 380,88 4,06 7,25 0,01
NORMA PERUANA E030-2003 (α=450)
N Modelo dinámico
Desplazamiento máximo (mm)
DIAFRAGMA
Xmáx Ymáx Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 23,70 54,91 126,01 301,14 7370,92 0,56
2 Ilichev 35,72 58,83 120,55 254,28 5288,51 0,40
3 Norma Rusa 29,88 56,22 123,74 273,98 5748,65 0,53
N Modelo dinámico
COLUMNA
Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(т.м)Mt,máx
(т.м)
1 Común 274,86 3,05 5,44 0,06
2 Ilichev 257,04 2,88 5,13 0,04
3 Norma Rusa 269,92 2,97 5,30 0,06
NORMA PERUANA E030-2003 (α=900)
N Modelo dinámico
Desplazamiento máximo (mm)
DIAFRAGMA
Xmáx Ymáx Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 33,60 0,11 0,84 426,46 10443,55 0,76
2 Ilichev 50,62 0,21 0,78 359,46 7484,36 0,53
3 Norma Rusa 42,34 0,20 0,79 388,78 8141,42 0,74
N Modelo dinámico
COLUMNA
Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(т.м)Mt,máx
(т.м)
1 Común 306,84 2,91 5,14 0,08
2 Ilichev 272,74 2,44 4,31 0,06
3 Norma Rusa 296,23 2,62 4,63 0,08
ACELEROGRAMA DE CHIMBOTE (31.05.1970)
N Modelo dinámico
Desplazamiento máximo (mm)
DIAFRAGMA
Xmáx Ymáx Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 0,06 17,47 40,81 183,50 1298,00 0,05
2 Ilichev 0,06 19,82 46,60 214,80 1439,00 0,06
3 Norma Rusa(sin disipación)
0,06 18,47 41,78 199,30 1334,00 0,06
4 Norma Rusa(con disipación)
0,06 18,16 41,12 192,90 1321,00 0,06
N Modelo dinámicoCOLUMNA
Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 114,20 1,58 2,69 0,005
2 Ilichev 125,90 1,94 3,30 0,006
3 Norma Rusa(sin disipación)
118,60 1,70 2,91 0,006
4 Norma Rusa(con disipación)
117,70 1,66 2,83 0,006
ACELEROGRAMA DE LIMA (03.10.1974)
N Modelo dinámico
Desplazamiento máximo (mm)
DIAFRAGMA
Xmáx Ymáx Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 0,20 70,45 150,90 534,00 3638,00 0,15
2 Ilichev 0,22 80,50 171,20 591,60 4056,00 0,18
3 Norma Rusa(sin disipación)
0,22 75,22 166,30 551,20 3719,00 0,18
4 Norma Rusa(con disipación)
0,22 73,09 161,20 547,30 3690,00 0,18
N Modelo dinámicoCOLUMNA
Nmáx
(T)Vmáx
(T)Mmáx
(T.m)Mt,máx
(T.m)
1 Común 345,20 5,50 9,38 0,015
2 Ilichev 446,10 6,52 10,52 0,018
3 Norma Rusa(sin disipación)
392,00 6,07 10,35 0,018
4 Norma Rusa(con disipación)
377,90 6,03 10,28 0,018
PRIMER PERIODO DE VIBRACION ( 4,1% ILICHEV)
CONCLUSIONES
0
0.5
1
1.5
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Formas de vibración
Pe
río
do
s d
e
vib
rac
ión
(s
)
Común Ilichev Norma Rusa
FRECUENCIA DEL PRIMER PERIODO DE VIBRACION ( ↓ 4,1% ILICHEV)
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Formas de vibración
Fre
cu
en
cia
(ra
d/s
)
Común Ilichev Norma Rusa
NORMA PERUANA E030-2003
α Хmáx
(%)Ymáx
(%)Nmáx
(%)Vmáx
(%)Mmáx
(%)Mt,máx
(%)
00 ↑46,2 ↑7,1 ↑3,4 ↑14,7 ↑6,1 ↑16,7
450 ↑50,7 ↑7,1 ↓6,5 ↓15,6 ↓28,3 ↓28,6
900 ↑50,7 ↑90,9 ↓11,1 ↓15,7 ↓28,3 ↓30,3
CALCULO POR ACELEROGRAMAS
α Хmáx
(%)Ymáx
(%)Nmáx
(%)Vmáx
(%)Mmáx
(%)Mt,máx
(%)
00 ↑10,0 ↑14,3 ↑29,2 ↑17,1 ↑11,5 ↑20,0
DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS EN EL 16-vo PISO EN EL EJE OX (NORMA PERUANA E030-2003)
0
10
20
30
40
50
60
0 45 90
Angulo de inclinación del sismo
De
sp
laza
mie
nto
en
el e
je
OX
(m
m)
Común Ilichev Norma Rusa
DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS EN EL 16-vo PISO EN EL EJE OY (NORMA PERUANA E030-2003)
0
20
40
60
80
100
0 45 90
Angulo de inclinación del sismo
Des
pla
zam
ien
to e
n e
l ej
e O
Y (
mm
)
Común Ilichev Norma Rusa
DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL CENTRO DE MASAS EN EL 16-vo PISO EN EL EJE OY
0
20
40
60
80
100
Común Ilichev Norma Rusa
Modelo dinámico
De
sp
laza
mie
nto
po
r e
l e
je O
Y (
mm
)
Norma Peruana E030-2003
Acelerograma de Chimbote
Acelerograma de Lima
FUERZA AXIAL MAXIMA (NORMA PERUANA E030-2003)
050
100150200250300350400450
0 45 90
Angulo de inclinación del sismo
Fu
erz
a a
xia
l (T
)
Común Ilichev Norma Rusa
FUERZA AXIAL MAXIMA
0
100
200
300
400
500
Común Ilichev Norma Rusa
Modelo dinámico
N (
T)
Norma Peruana E030-2003
Acelerograma de Chimbote
Acelerograma de Lima
FUERZA CORTANTE MAXIMA (NORMA PERUANA E030-2003)
0
100
200
300
400
500
0 45 90
Angulo de inclinación del sismo
Fu
erz
a c
ort
an
te (
T)
Común Ilichev Norma Rusa
FUERZA CORTANTE MAXIMA
0
200
400
600
800
Común Ilichev Norma Rusa
M odelo dinámico
V (
T)
Norma Peruana E030-2003
Acelerograma de Chimbote
Acelerograma de Lima
MOMENTO FLECTOR MAXIMO (NORMA PERUANA E030-2003)
0
2000
40006000
8000
10000
12000
0 45 90
Angulo de inclinación del sismo
Mo
men
to f
lect
or
(T.m
)
Común Ilichev Norma Rusa
MOMENTO FLECTOR MAXIMO
0500
10001500200025003000350040004500
Común Ilichev Norma Rusa
Modelo dinámico
M (
T.m
)
Norma Peruana E030-2003
Acelerograma de Chimbote
Acelerograma de Lima
DISTRIBUCION DE ENERGIA EN EL EDIFICIO
EFECTO DE DISIPACION DE ENERGIA
Ymáx
(%)Nmáx
(%)Vmáx
(%)Mmáx
(%)
↓2,8 ↓3,6 ↓3,2 ↓1,0
AMORTIGUADOR EN EL CENTROIDE DEL CABEZAL
CENTROIDE DEL CABEZAL
Modelo dinámico
ACELEROGRAMA DE CHIMBOTE ACELEROGRAMA DE LIMA
uy
(mm)vy
(m/s)ay
(m/s2)uy
(mm)vy
(m/s)ay
(m/s2)
Norma Rusa(sin disipación)
0,51 0,023 1,382 0,96 0,033 1,850
Norma Rusa(con disipación)
0,48 0,021 1,231 0,87 0,031 1,695
ALABEO EN LA LOSA DEL 16-vo PISO
17 221
102 306
X
Y
DESPLAZAMIENTOS VERTICALES DE LA LOSA DEL 16vo PISO (mm)
Nudo Formas de vibración
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
102 -1,22 12,01 11,00 -1,67 -0,37 41,66 -10,82 -0,54 29,01 -0,11
306 -0,95 -12,04 -11,22 0,36 -4,34 -41,49 10,73 1,63 -29,02 0,14
17 1,21 9,43 -16,39 1,73 0,84 3,83 48,64 1,23 19,41 -0,69
221 0,96 -9,41 16,61 -0,30 3,14 -4,00 -48,55 -2,32 -19,39 0,94
• El mayor efecto de flexibilidad de la base de fundación se da en el modelo ILICHEV* El menor efecto de flexibilidad de la base de fundación se da por el modelo NORMA RUSA con disipación de energía en la base (amortiguador en el centroide del cabezal)* El efecto de flexibilidad de la base de fundación será muy notorio en edificios rígidos con suelo blando
ASPECTOS A MEJORAR EN LA NORMA PERUANA DE ESTRUCTURAS
• Insuficiente consideración de los procesos ondulatorios
• Inexacta determinación de la influencia de los suelos en las cargas sísmicas
• Inexacta consideración del componente vertical• Falta de conocimientos de los métodos
modernos de aislamiento sísmico
• Insuficiente consideración de los métodos de la teoría de seguridad
¡MUCHAS [email protected]