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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE NICARAGUAUNAN-MANAGUA
RECINTO UNIVERSITARIO RUBÉN DARÍOFACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN
Asignatura: Ingeniería sismo-resistente.
Análisis de sitio en el campus de la UNAN, Managua a través de espectros elásticosde respuesta generados por datos de 5 terremotos utilizando el software “DEEPSOILVersión 6.0.6.1”.
Elaborado por: No. Carnet:
Joel Enrique Santana Peña 11-04159-1 Greybin Josué Borge Castro 11- 04726-7
Carrera: Ingeniería Civil.
Docente: Dr. Ing. Edwin Antonio Obando.
Fecha de entrega: Jueves, 10 de septiembre de 2015
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................... 3
2. OBJETIVOS .............................................................................................................................. 4
3.1- Objetivo General. .............................................................................................................. 4
3.2- Objetivos específicos: ........................................................................................................ 4
3. DESARROLLO ......................................................................................................................... 5
4.1- Espectro elástico de respuesta. ......................................................................................... 5
4.2- Aplicación del espectro elástico de respuesta.................................................................. 6
4.3- Espectros para diseño sísmico. ......................................................................................... 7
4.4.1- Datos de entrada. ................................................................................................... 7
4.4.2- Calcular el espectro elástico de respuesta para los sismos deMammoth Lake, Nahanni, Northridge 1, Northridge 2 y Whittier Narrows.............. 9
4.4.3- Comparar formas y amplitudes espectrales de los sismos antesmencionados, respecto al reglamento nacional de la construcción (RNC-07). .. 13
4.4.4- Representar las funciones de amplificación de los sismos antesmencionados. ........................................................................................................................ 14
4. COMENTARIOS FINALES .................................................................................................. 17
5. REFERENCIAS ...................................................................................................................... 18
6. ANEXOS .................................................................................................................................. 19
1. INTRODUCCIÓN
El presente informe se realizó en base a los conocimientos enseñados en laasignatura de ingeniería sismo-resistente y la bibliografía respecto al tema, con lafinalidad de realizar un análisis dinámico de suelo, desde el punto de vista ingenieril.Este análisis, está relacionado con el comportamiento del suelo cuando este essometido a excitaciones causadas por un evento sísmico (terremoto de Managuaen 1972 y varios de los terremotos de Estados Unidos, tales como Mammoth Lakey Nahanni).
Para poder analizar este comportamiento es necesario tomar una estratigrafía desuelo delimitada en sus propiedades físicas tales como: La profundidad de laestratigrafía, así como la altura de cada capa del suelo, además de las velocidadesde corte y los pesos específicos de cada capa y su factor de amortiguamiento. Estainformación estratigráfica se presenta en el desarrollo, el basamento que seconsidera infinito, también se toma en cuenta.
Para poder realizar un análisis de este tipo es necesario utilizar un software llamado“DEEPSOIL Versión 6.0.6.1”, el cual fue creado por la universidad de Illinois deEstados Unidos, cuya función es analizar la respuesta dinámica del suelo cuandoeste es sometido a excitaciones dinámicas.
La importancia de realizar este análisis radica en poder tener una comprensión dela respuesta del suelo ante los sismos bajo condiciones específicas de cada áreade suelo, de este modo se puede conocer los puntos críticos de cada suelo y enqué aspectos se puede mejorar las condiciones del mismo, ya que proporcionainformación valiosa como las aceleraciones que experimenta el suelo, lasfrecuencias, amplitudes y espectros de respuestas que sirven de parámetros parael diseño eficientes de las estructuras verticales. Además de hacer comparacionesde un evento sísmico respecto a otro, de modo que se presentará las formas yamplitudes de los espectros elásticos de respuesta de varios sismos, junto con elfactor de amplificación.
2. OBJETIVOS
3.1- Objetivo General.
Realizar un análisis de sitio en el campus de la UNAN, Managua a través deespectros elásticos de respuesta generados por datos de 5 terremotosutilizando el software “DEEPSOIL Versión 6.0.6.1”.
3.2- Objetivos específicos:
Calcular el espectro elástico de respuesta para los sismos de MammothLake, Nahanni, Northridge 1, Northridge 2 y Whittier Narrows.
Comparar formas y amplitudes espectrales de los sismos antesmencionados, respecto al reglamento nacional de la construcción (RNC-07).
Representar las funciones de amplificación de los sismos antesmencionados.
3. DESARROLLO
4.1- Espectro elástico de respuesta.
Es un medio gráfico para caracterizar los movimientos del terreno y sus efectossobre las estructuras, según (Housner, 1931), también proporciona un medioconveniente para resumir la respuesta máxima de todos los posibles sistemaslineales de un grado de libertad a un componente del movimiento del terreno.
Los tipos de espectros de respuesta según la reacción que se quiera comparar:Espectro de respuesta de velocidad, espectro de respuesta de deformación y el máshabitual, es el espectro elástico de respuesta, que relaciona la aceleración. Sedenomina ‘de respuesta’ ya que mide la respuesta de la estructura frente a lasacciones, excitaciones o movimientos que se le inducen por fuerzas externas.
Cantidades de respuesta.
Es conocer la deformación del sistema o el desplazamiento relativo de la masa alterreno en movimiento causado por fuerzas externas, es decir, se debe calcular lasmayores fuerzas internas, momentos flexionantes, cortantes en vigas y columnas;esto para conocer la suficiente separación entre edificios para evitar colisiones entreellos, además de evitar el daño de equipos frágiles en su interior.
Características del espectro elástico de respuesta.
Cuando la base de un edificio entra en vibración, ésta se trasmite a su estructura,que también comienza a vibrar. En un sistema completamente rígido, la vibracióndel edificio sería exactamente la misma de la de su base. Sin embargo, como lasestructuras tienen siempre cierta elasticidad, la vibración no es la misma y tanto elperiodo de vibración como las aceleraciones de base y estructura son diferentes.
El espectro muestra la aceleración máxima absoluta de la vibración de la estructura.Tiene, por lo tanto, unidades de aceleración. Diversos estudios han mostrado queel espectro depende esencialmente de dos factores:
La aceleración de la vibración a la que se somete la base. Aunque lavibración de base y estructura sean diferentes, no son independientes, sinoque el aumento de una implica el aumento de la otra. Esto hace que a vecesel espectro no sea mostrado como aceleración, sino como el cociente entreel espectro de respuesta en sí y la aceleración de la base.
El periodo de oscilación de la estructura. Un periodo corto indica unaestructura rígida, por lo que en periodos muy cortos el espectro es parecidoa la vibración de la base. En periodos largos, la vibración es más lenta quela del suelo, por lo que la estructura se independiza y el espectro es reducido.
4.2- Aplicación del espectro elástico de respuesta.
Cuando se realizan cálculos sísmicos es necesario establecer cuál es el espectroelástico de respuesta de la estructura estudiada. La mayoría de normativas sísmicasobligan una formulación concreta para este cálculo. Por ejemplo, en el caso delRNC-07 de Nicaragua, el espectro para suelos buenos en la zona B, con un periodode oscilación entre 0.1 y 0.6 segundos es ( = ∙ = 2.7 ∙ ). Esto implica que siun temblor tiene una aceleración sísmica de 1 ⁄ , el espectro es de 2.7 ⁄ .Sabiendo la aceleración de la vibración se pueden hallar las fuerzas estáticasequivalentes que soporta la estructura multiplicando la aceleración por la masa quesoporta la estructura. Por modelo, una aceleración de 30 ⁄ significa que en unsegundo la velocidad se incrementó 30 ⁄ más rápido. La aceleración máxima delsuelo (PGA) está relacionada con la fuerza de un terremoto en un sitiodeterminado. A mayor valor, mayor es el daño que puede causar un sismo.
El valor de PGA es variable de un lugar a otro y por medio de ella podríamosidentificar la mayor o menor fuerza del movimiento sísmico al observar sudistribución geográfica, y así conocer áreas vulnerables para posiblesconstrucciones. En general, las aceleraciones más grandes suceden cerca delepicentro donde se concentran los daños, pero factores como el tipo de suelo queexiste bajo una ciudad o la forma en que la energía sísmica es liberada por una falla,pueden alterar este comportamiento.
Movimiento del suelo.
Las vibraciones del suelo producidos por movimientos sísmicos en un sitioespecífico dependen de la proximidad de éste a la fuente de origen, del punto dereferencia (basamento o afloramiento), características del sitio y la atenuación de laaceleración pico. La amplitud, frecuencia y el tiempo de duración son requeridospara clasificar el movimiento, y estos parámetros se obtienen a partir deacelerogramas registrados en diferentes puntos. Estos registros son utilizados parademarcar áreas o zonas con similar potencial de riesgo sísmico, tomando en cuentala frecuencia de ocurrencia, la predicción de la magnitud máxima del sismo, laprobabilidad de excedencia de esta magnitud, la distancia al origen, la localizaciónde la falla de origen y los detalles geológicos del área. Estas demarcaciones sonpresentadas como mapas de riesgo sísmico que contienen zonas correspondientesa aceleraciones pico del suelo.
4.3- Espectros para diseño sísmico.
Espectros aplicables a los análisis estático y dinámico.
Cuando se apliquen el análisis estático que se define en el capítulo 11 del RNC-07o el dinámico modal del capítulo 12, se adoptará como ordenada del espectro deaceleraciones para diseño sísmico, ( ), expresada como fracción de la aceleraciónde la gravedad, la que se estipula a continuación:
Ilustración 1. Espectros aplicables a los análisis estático y dinámico.
Fuente: Reglamento nacional de construcción (RNC-07).
4.4- Desarrollo del trabajo a realizar en DEEPSOIL 6.0.1.4.4.1- Datos de entrada.
Tabla 1. Datos de entrada para el análisis dinámico del suelo.
Fuente: Elaboración propia (2015).
Suelo( = 3 %) Altura ( ) Vs ( / ) Densidad( ⁄ )Arcilloso 5 200 16.8
Arena media 17 350 17
Arena gruesa 26 570 17
Arena gruesa ∞ 1,000 17.8
Ilustración 2. Ejemplo de espectro de diseño del reglamento nacional de construcción (RNC-07).
Fuente: Reglamento nacional de construcción (RNC-07).
4.4.2- Calcular el espectro elástico de respuesta para los sismos de MammothLake, Nahanni, Northridge 1, Northridge 2 y Whittier Narrows.
Gráfica 3. Espectro elástico de respuesta Mammoth Lake.
Gráfica 4. Espectro elástico de respuesta Nahanni.
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2
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Periodo (sec)
Espectro elástico de respuesta Mammoth Lake
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Periodo (sec)
Espectro elástico de respuesta Nahanni
Gráfica 5. Espectro elástico de respuesta Northridge.
Gráfica 6. Espectro elástico de respuesta Northridge 2.
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Periodo (sec)
Espectro elástico de respuesta Northridge
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ctra
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(g)
Periodo (sec)
Espectro elástico de respuesta Northridge2
Espectro elástico de respuestaNorthridge2
Gráfica 7. Espectro elástico de respuesta Whittier Narrows.
Análisis de las gráficas.
Los espectros elásticos de respuestas presentados en las gráficas 3 a 7.Representan parámetros de respuesta máxima para cada uno de los terremotosdeterminados están consideradas para un factor de amortiguamiento de 5 %. Através de cada uno de los resultados presentados en las gráficas se pueden estudiarlas características del terremoto y su efecto sobre las estructuras que puedan serdiseñadas en el área de la universidad. Las curvas de los espectros de respuestapresentan variaciones bruscas, con numerosos picos y valles, que resultan de lacomplejidad del registro de aceleraciones del terremoto.
La observación de la Grafica 3 muestra también que, en cierto rango de periodos,se produce una amplificación del movimiento del suelo. Para el terremoto deMammoth Lake, los valores máximos de movimiento del suelo fueron: aceleraciónespectral = 2.224 g para un periodo de 0.443 s. Es decir que la estructura vibra yexperimenta aceleraciones que pueden ser significativamente mayores que loscorrespondientes al movimiento del suelo. Si analizamos, por ejemplo, como se estáestudiando, el espectro de aceleraciones vemos que una estructura con unamortiguamiento del 5 % y un periodo de vibración de 0.443 s experimentarán unaaceleración máxima de 2.224 g si fuera sometida al terremoto Mammoth Lake.Ahora podemos analizar una estructura similar, pero con un periodo de 5 s serásometido una aceleración máxima de 0.021 g, un valor significativamente menor.
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0 0.5 1 1.5 2 2.5
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(g)
Periodo (sec)
Espectro elástico de respuesta Whittiernarrows
Espectro elástico de respuestaWhittiernarrows
Esto indica claramente que la acción sísmica sobre la construcción depende no solode las características del terremoto sino también de las propiedades estructurales.
Estos aspectos se ponen en evidencia, por ejemplo, en el caso de edificios conaisladores sísmicos, con los cuales se logra aumentar significativamente el periodode vibración de la construcción, “alejando” a la misma de la zona de aceleracionesespectrales elevadas.
Según cada uno de los gráficos podemos obtener la Tabla 2, que nos da lasaceleraciones máximas para los respectivos periodos de diseño.
Terremoto Periodo (seg) Max Aceleración Espectral (g)
Mammoth Lake 0.443 2.224
Nahanni 0.0687 0.893605
Northridge 0.174392 1.968150
Northridge 2 0.443 0.944546
Whittier Narrows 0.163884 1.852120
Tabla 2. Máximas Aceleraciones espectrales para los diferentes terremotos en estudio.
En el sitio se pueden analizar para que cada terremoto se deberían diseñarestructuras diferentes, considerando el espectro inelástico de respuesta delterremoto Mammoth Lake por que presenta mayores aceleraciones del suelo enconsideración a los demás terremotos. Además, se puede observar que lasaceleraciones espectrales para el terremoto Nahanni presentan una variaciónespectral con altos rangos, mostrándose por los picos en la Grafica 4.
4.4.3- Comparar formas y amplitudes espectrales de los sismos antesmencionados, respecto al reglamento nacional de la construcción(RNC-07).
Gráfica 8. Espectros elásticos de sitio comparados con el espectro de diseño del RNC-07.
La grafica 8 muestra los espectros elásticos resultantes para cada uno de losterremotos y se compara con el espectro del Reglamento Nacional de laConstrucción, donde se pueden valorar cada uno de los espectros y analizar laposibilidad de construir estructuras sismo resistentes que permitan la seguridad enel sitio de estudio.
Vemos que para el terremoto Nahanni se registran las aceleraciones espectralesmás bajas y le siguen las aceleraciones del terremoto Northridge 2, para ambosterremotos las aceleraciones espectrales que se obtienen están por debajo delespectro de diseño sugeridos por el RNC-07 para el diseño de las estructuras quese piensen construir en el sitio. En cambio para los terremotos: Mammoth Lake,Northridge y Whittier Narrows los espectros elásticos de respuesta en sitiosobrepasan la meseta que se propone en el espectro de diseño según el RNC-07.
Se puede decir que hay que mejoras las características de diseño en caso que sedesee construir en el sitio de estudio para los últimos tres terremotos mencionados.Cuando las aceleraciones espectrales están cobre el máximo permisible para un
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Acel
erac
ion
espe
ctra
l a/
g
Periodo estructural T (s)
Espectros elasticos de sitio comparados con el Espectro De DiseñoRNC-07 Espectro de diseño
del RNC-07mammothlake
nahanni
northridge
northridge2
whittiernarrows
espectro de diseño, deben de rediseñarse los espectros de manera que de lasmejores condiciones para que las estructuras puedan resistir a un evento sísmicosemejante.
4.4.4- Representar las funciones de amplificación de los sismos antesmencionados.
Gráfica 9. Factor de amplificación de terremoto Mammoth Lake.
Gráfica 10. Factor de amplificación de terremoto Nahanni.
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Periodo (sec)
Factor de Amplificacion de terremoto Mammotholake
Superficie Basamento Fac. Amplitud
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Periodo (sec)
Factor de amplificacion de terremoto Nahanni
Superficie
Basamento
Fac. Amplitud
Gráfica 11. Factor de amplificación de terremoto Northridge.
Gráfica 12. Factor de amplificación de terremoto Northridge 2.
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0.5
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0 0.5 1 1.5 2 2.5
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Periodo (Sec)
Factor de Amplificacion de terremoto Northrige
Superficie Basamento Fac. Amplitud
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0 0.5 1 1.5 2 2.5
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Periodo (Sec)
Factor de Amplificacion de terremoto Northridge 2
Superficie Basamento Fac. Amplitud
Gráfica 13. Factor de amplificación de terremoto Whittier Narrows.
Los factores de amplitud que se obtuvieron en la relación de la variación de laaceleración el estrato de la superficie en y en el basamento mostrados en lasgráficas 9,10,11,12 y 13. Son una clara noción de la cantidad de energía que essuministrada en un terremoto después de atravesar la capa de roca y entrar encontacto con los estrados más sueltos del suelo. Podemos ver como la amplitud vaen aumento a medida que las ondas espectrales atraviesan cada estrato, de maneraque un terremoto con mayor magnitud puede necesitar de factores de amplitud másbajos dependiendo de las condiciones del terreno en estudio.
Se pudo ver que los factores de amplitud más altos fueron para el terremoto WhittierNarrows, cuya máxima amplitud es de 2.7 y no se observaron amplitudes inferioresa 1.
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0 0.5 1 1.5 2 2.5
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Periodo (Sec)
Factor de Amplificacion de terremoto Whittiernarrows
Superficie Basamento Fac. Amplitud
4. COMENTARIOS FINALES
Como resultado del análisis de los datos hemos podido constatar de que el lascondiciones actuales del suelo de estudio en relación con la información delterremoto de 1972 en Managua, se encuentra dentro del rango de diseñoestablecido por el RNC, esta situación hace suponer que la decisión de construir unedificio de tanta importancia económica e investigativa en este punto radica en quecumple satisfactoriamente para dos de los cinco terremotos en estudio: WhittierNarrows y Nahanni, pero no para los otros tres terremotos: Mammoth Lake,Northridge y Whittier Narrows ya que estos sobrepasan los límites de aceleracionesespectrales propuestos por en el espectro de diseño del reglamento.
Finalizamos mencionando que debido a este análisis sabemos y exponemos deforma acertada que la reacción de la estructura construida sobre este suelo ante lavibración ocasionada por un terremoto de estas características (tiempo, intensidad,magnitud, etc.), sería altamente eficiente para los primeros dos casos: WhittierNarrows y Nahanni y que en teoría el edificio no tendría dificultad en resistir unmovimiento telúrico de esta índole, en cambio esto no sería aplicable para laconstrucción de edificios en este sitio de estudio para características sísmicas delos terremotos: : Mammoth Lake, Northridge y Whittier Narrows.
5. REFERENCIAS
Reglamento nacional de la construcción vigente de Nicaragua (RNC-2007).
K. Chopra, Anil. (2014). Dinámicas de estructuras (4 edición). México: PEARSONEDUCACIÓN, 752 p.
Escorcia, Kevin; Ochoa, Armando. (2013). Análisis de respuesta sísmica de sitio ysu efecto en el comportamiento dinámico de estructuras en el área urbana de laciudad de Managua. UNAN Managua, 135 p.
Kramer, Steven L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering. Upper SaddleRiver, New Jersey: Prentice Hall, 672 p.
Universidad de Illinois, U.S.A. (5 de septiembre de 2015). En línea. Recuperado de:http://deepsoil.cee.illinois.edu/Support.aspx?v=6.0.6.1
6. ANEXOS
Tabla 3. Resultados de espectros para los 6 terremotos estudiados.
Fuente: Software DEEPSOIL V 6.0.6.1
Resultados – MammothLake
Resultados - Nahanni Resultados -Northridge
T a T a T a(seg) g (seg) g (seg) g
0.01 0.661628 0.01 0.240973 0.01 0.4753240.0106412 0.661835 0.0106412 0.24105 0.0106412 0.4753210.0113235 0.66207 0.0113235 0.241454 0.0113235 0.4754460.0120495 0.662336 0.0120495 0.241776 0.0120495 0.4756740.0128221 0.662636 0.0128221 0.242326 0.0128221 0.4757140.0136442 0.662976 0.0136442 0.242192 0.0136442 0.47515
0.014519 0.663361 0.014519 0.241491 0.014519 0.4761250.01545 0.663794 0.01545 0.242018 0.01545 0.476262
0.0164406 0.664273 0.0164406 0.244354 0.0164406 0.4754480.0174947 0.664809 0.0174947 0.250143 0.0174947 0.4759020.0186165 0.665474 0.0186165 0.262617 0.0186165 0.475490.0198101 0.666277 0.0198101 0.261011 0.0198101 0.4775810.0210803 0.66697 0.0210803 0.277508 0.0210803 0.4768410.0224319 0.668643 0.0224319 0.290764 0.0224319 0.4757310.0238702 0.668682 0.0238702 0.294343 0.0238702 0.4784060.0254007 0.67226 0.0254007 0.315178 0.0254007 0.4772190.0270293 0.67067 0.0270293 0.322962 0.0270293 0.4781310.0287624 0.678565 0.0287624 0.315255 0.0287624 0.4806810.0306066 0.67079 0.0306066 0.317508 0.0306066 0.480196
0.032569 0.684442 0.032569 0.352523 0.032569 0.4769640.0346572 0.690609 0.0346572 0.345264 0.0346572 0.4794410.0368794 0.672756 0.0368794 0.388434 0.0368794 0.483579
0.039244 0.705194 0.039244 0.506269 0.039244 0.4773870.0417603 0.70877 0.0417603 0.446778 0.0417603 0.4833090.0444378 0.669476 0.0444378 0.453817 0.0444378 0.4741470.0472871 0.71985 0.0472871 0.488044 0.0472871 0.476867
Resultados –Northridge 2
Resultados –WhittierNarrows
Resultados -Managua 1,972
T a T a T a(seg) g (seg) g (seg) g
0.01 0.200636 0.01 0.39151 0.01 0.4382020.0106412 0.200548 0.0106412 0.392749 0.0106412 0.4330510.0113235 0.200545 0.0113235 0.393139 0.0113235 0.447050.0120495 0.200707 0.0120495 0.391807 0.0120495 0.445020.0128221 0.200701 0.0128221 0.392014 0.0128221 0.4463170.0136442 0.200686 0.0136442 0.392441 0.0136442 0.446529
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