Influence of a Rocky Soil on the Seismic Performance Level of a Steel Structure Considering the National Construction Code and the Seismic Design Code for the City of Managua
https://doi.org/10.62407/rciya.v3i3.155
Saúl Pérez 1
Recibido: julio 2023
Aceptado: septiembre 2023
ORCID: https://orcid.org/0009-0002-8967-6818
Abigahil Sequeira 2
ORCID: https://orcid.org/0009-0006-0667-8607
El presente artículo es el resultado de una investigación realizada a título personal, con el apoyo de la Universidad Americana para su publicación.
El propósito de este estudio es determinar el nivel de desempeño sísmico de un marco de acero de dos niveles tomando en cuenta la definición de suelo rocoso que sugieren el Reglamento Nacional de Construcción y la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua. Es utilizado el Método del Espectro de Capacidad con el fin de determinar el desempeño sísmico. Este método, el cual se basa en parámetros espectrales como desplazamiento y aceleración, superpone la curva de capacidad de la estructura y la demanda sísmica. La construcción de la curva de capacidad se hace a partir de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados y de las secciones transversales de los elementos de la estructura. Por otro lado, la construcción de la demanda sísmica se realiza a partir del Reglamento Nacional de Construcción (RNC-
07) y la Norma Sismorresistencia para la ciudad de Managua (NSCM) tomando en cuenta datos como la aceleración del terreno y el tipo de suelo. La influencia de este último es el objetivo de este estudio yaque la NSCM propone factores de ajuste espectral en función del tipo de suelo, es decir que la amplitud de la región que corresponde a aceleraciones espectrales constantes disminuye a medida que aumenta la rigidez del suelo. Este ajuste no existía en el RNC-07 y la amplitud de
dicha región se mantenía constante entre 0.1 s y 0.6 s. Finalmente, se determina el nivel de desempeño sísmico considerando los límites establecidos en el Vision 2000 A Framework for Performance Based Structural Engineering (SEAOC, 1995).
Suelo rígido, nivel de desempeño sísmico, método del espectro de capacidad.
The purpose of this study is to determine the seismic performance level of a two-story steel frame, taking into account the definition of rocky soil suggested by the National Construction Code and the Seismic Design Code for the city of Managua. The Capacity Spectrum Method is used to determine seismic performance. This method, which is based on spectral parameters such as displacement and acceleration, overlays the capacity curve of the structure and the seismic demand. The construction of the capacity curve is based on the mechanical properties of the materials used and the cross-sectional areas of the structural elements. On the other hand, the seismic demand curve is constructed using the National Construction Code (RNC-
and the Seismic Design Code for the city
1 Máster en Ingeniería Estructural con mención en Sismorresistencia por la Universidad Americana. Ingeniero Civil por la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI). Managua, Nicaragua.
2 Ingeniera civil por la Universidad Americana de Nicaragua.
of Managua (NSCM), considering data such as ground acceleration and soil type. The influence of the latter is the focus of this study, as the NSCM proposes spectral adjustment factors based on soil type, meaning that the amplitude of the region corresponding to constant spectral accelerations decreases as soil stiffness increases. This adjustment did not exist in the RNC-07, where the amplitude of this region remained constant between 0.1 s and 0.6 s. Finally, the seismic performance level is determined considering the limits established in Vision 2000: A Framework for Performance-Based Structural Engineering (SEAOC, 1995).
El Reglamento de Construcción que Regirá en el Territorio Nacional (1983) fue el primer documento encargado de regir los procesos de análisis y diseño estructural en Nicaragua. Dicho documento fue elaborado por un comité técnico bajo la supervisión del Ministerio de Vivienda y Asentamientos Humanos del Gobierno de Reconstrucción Nacional de la República de Nicaragua.
El mapa de zonificación sísmica, ilustrado en la figura 1, derivó de una propuesta realizada por un Estudio de Riesgo Sísmico para Nicaragua dirigido por el Centro de Terremotos John Blume de la Universidad de Stanford, California en 1975.
Laszonassísmicaspropuestasenel Reglamento de Construcción que Regirá en el Territorio Nacional (MVAH, 1983) están asociadas a aceleraciones que aumentan a medida que aumenta el identificador de la zona sísmica. Estos indicadores, los cuales son números del 1 al 6, caracterizan la susceptibilidad del suelo a transmitir vibraciones como las generadas por la actividad sísmica.
A pesar de que la costa del pacífico de Nicaragua es la más próxima a la zona de subducción de la placa de Cocos bajo la placa del Caribe, ilustrada en la figura 2, el mapa de zonificación sísmica presenta las mayores aceleraciones en
la ciudad de Managua y sus alrededores más próximos.
Figura 1. Mapa de zonificación sísmica, obtenido del Reglamento de Construcción que Regirá en el Territorio Nacional (MVAH, 1983)
Figura 2. Zona de subducción, obtenido de Velásquez, et al. (2015)
Las aceleraciones máximas definidas en este reglamento están en el rango de 0.026 g y 0.452 g. Por otro lado, los suelos fueron clasificados en tipo duro, mediano y suave. La
descripción de cada tipo de suelo, de acuerdo con el Reglamento de Construcción que Regirá en el Territorio Nacional (MVAH, 1983), se presenta en la tabla 1.
Tabla 1. Descripción de tipos de suelo, adecuado del Reglamento de Construcción que Regirá en el Territorio Nacional (MVAH, 1983)
Además del método simplificado y el método estático equivalente, el método dinámico modal espectral también estaba estipulado. La amplitud de la región con aceleración constante variaba para suelos blandos y para suelos medios y duros.
En el caso de los suelos blandos, la amplitud de la región con aceleración constante se mantenía entre 0.1 s y 0.8 s. En cambio, existía una reducción de esta amplitud, pasando a estar entre 0.1 s y 0.5 s, para los suelos medios y duros.
El Ministerio de Transporte e Infraestructura (2007) anuncia, en la Gaceta Diario Oficial No. 45 del año 2007, la entrada en vigor del Reglamento Nacional de Construcción con capacidad para regir el análisis y el diseño estructural en Nicaragua desde el momento de su publicación.
Sepresenta,enlafigura3,elmapadezonificación sísmica propuesto en el Reglamento Nacional de Construcción (RNC-07). Cabe destacar que las mayores aceleraciones se presentan en la costa pacífica, y aumentan a medida que están más próximas a la zona de subducción.
Figura 3. Mapa de zonificación sísmica, obtenido del Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007)
Las aceleraciones máximas definidas en este reglamento están en el rango de 0.1 g y 0.32 g.
El Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007) clasifica los suelos como afloramiento rocoso, suelo firme, suelo moderadamente blando y suelo muy blando. Esta clasificación, descrita en la tabla 2, fue realizada a partir de
Tabla 2. Tipos de suelo según la velocidad promedio de ondas de cortante a una profundidad no menor de 10 m, adecuado del Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007)
la velocidad promedio de ondas de cortante (Vs) calculada a una profundidad no menor de 10 m.
Además del método simplificado y el método estático equivalente, el método dinámico modal espectral está estipulado. La amplitud de la región con aceleración constante, ilustrada en la figura 4, se estipula entre 0.1 s y 0.6 s.
Figura 4. Definición del espectro elástico, obtenido del Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007)
Tabla 3. Ecuaciones para la construcción del espectro elástico, adecuado del Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007)
Las ecuaciones correspondientes para la construcción del espectro elástico se estipulan en la tabla 3.
La Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022) rige el análisis y el
diseño estructural en Managua al momento de la redacción de este estudio. A dicha Norma se hará referencia como NSCM en este estudio.
Se presenta, en la figura 5, el mapa de zonificación sísmica propuesto en la NSCM. Cabe destacar que las mayores aceleraciones se presentan en la costa pacífica, asociada con la zona sísmica 4, próxima a la zona
Figura 5. Mapa de zonificación sísmica, obtenido de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022)
Tabla 4. Descripción de tipos de suelo, adecuado de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022)
Figura 6. Espectro elástico normalizado para distintos tipos de suelo, obtenido de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022)(MTI, 2007)
Tabla 5. Factores de ajuste espectral, adecuado de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022)
Tabla 6. Ecuaciones para la construcción del espectro elástico, adecuado de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022)
de subducción. Las aceleraciones máximas definidas en este reglamento están en el rango de 0.113379 g y 0.407450 g.
Los suelos fueron clasificados como roca rígida, roca, suelo muy denso y roca blanda, suelo rígido y suelo blando. Esta clasificación, extendida en la tabla 4, fue realizada a partir de la velocidad de ondas de corte (Vs) calculada a una profundidad de 30 m.
Además del método de la fuerza lateral equivalente, el método dinámico modal espectral está estipulado. La amplitud de la región con aceleración constante, tal y como se ilustra en la figura 6, disminuye a medida que la velocidad de ondas de corte aumenta. Esto es posible gracias a los factores de ajuste espectral evidenciados en la tabla 5. Las ecuaciones correspondientes para la construcción del espectro elástico se estipulan en la tabla 6.
En función del objetivo de este estudio, se ha implementado una metodología de enfoque cuantitativo. Esto debido a que, según Sampieri
et al. (2010), este enfoque conlleva un esquema deductivo y lógico mediante el cuestionamiento y la validación de hipótesis.
Ya que este estudio se enfoca en la influencia de un suelo rígido en el desempeño sísmico de una estructura, es necesario utilizar la técnica observacional ya que permite ser objetivo al utilizar información cuantificable.
El estudio presentado constó de cuatro fases de ejecución. La primera fase, en que se invirtieron tres semanas, se enfocó en el estudio del comportamiento inelástico del acero estructural.
La segunda fase, en que se invirtieron dos semanas, se enfocó en el análisis y obtención de resultados a partir de la estructura en estudio.
La tercera fase, en que se invirtieron una semana, se enfocó en la redacción final. Este proceso fue desarrollado durante el periodo comprendido entre julio y agosto del 2023.
Las rótulas plásticas utilizadas fueron implementadas consultando en el Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings 41- 17 (ASCE, 2017).
Los espectros elásticos utilizados fueron construidos con las ecuaciones dispuestas en el Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007) y la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022).
La determinación del nivel de desempeño sísmico fue obtenida de Vision 2000 A Framework for Performance Based Structural Engineering (SEAOC, 1995).
Estructuras, sometidas a cargas verticales y horizontales, ubicadas en zonas de alta peligrosidad sísmica.
Marco de acero estructural de dos niveles sometido a cargas verticales y horizontales en una zona de alta peligrosidad sísmica y en la que es aplicable el Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007) y la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022).
Figura 7. Proceso del análisis estático no lineal incremental, obtenido de Cagua et al. (2022)
Debido a la implementación de esta metodología, es posible identificar el proceso en que los elementos estructurales entran en cedencia, luego en agrietamiento y luego fallan. Aguevar et al. (2006) indican que el cortante de la estructura, los estados límite de servicio y colapso y el historial de deformación puede ser identificado en la curva de capacidad, la cual es el resultado de la gráfica de cortante y desplazamiento en cada paso.
Una rótula plástica puede definirse, según Choque & Luque (2019), como un dispositivo mediante el cual puede disiparse energía. Este dispositivo permite la rotación de la sección del elemento en que se aplica y mantiene constante el momento plástico. Cabe mencionar que, mediante la aplicación de rótulas plásticas, un modelo elástico de una estructura se vuelve un modelo no lineal.
Las rótulas implementadas en este trabajo son las dispuestas en el Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings 41-17 (ASCE, 2017).
El FEMA 440 Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures (FEMA, 2005) presentó una modificación del método del espectro capacidad del ATC-40 Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings (ATC, 1996). Dicha modificación, nombrada como Linealización Equivalente Mejorada, tiene como objetivo determinar la respuesta máxima de desplazamiento inelástico a través de un sistema elástico equivalente.
Tres metodologías son expuestas para determinar el punto de desempeño según el FEMA 440 (FEMA, 2005). A continuación, se presenta el procedimiento de la tercera metodología: Búsqueda de posible punto de desempeño.
1. Construir un espectro elástico
correspondiente al sitio en estudio y con un amortiguamiento inicial del 5%.
Construir, a partir del espectro elástico, un espectro en formato ADRS (acceleration displacement response spectrum) que representa la demanda inicial.
Convertir, a formato ADRS, la curva de capacidad de la estructura obtenida a partir de
Figura 8. Espectros de capacidad y demanda en formato ADRS, obtenido del FEMA 440 (2005)
un análisis estático no lineal incremental. Este paso se ilustra en la figura 8.
Elegir un punto de desempeño inicial de prueba.
Bilinealizar el espectro de capacidad, cuyo punto final debe ser el punto de desempeño inicial de prueba.
Figura 9. Bilinealización del espectro de capacidad, obtenido del FEMA 440 (2005)
Esta representación se ilustra en la figura 9.
Calcular la ductilidad μ, el periodo efectivo Teff y el amortiguamiento efectivo βeff del sistema.
Ajustar la demanda inicial en función del amortiguamiento efectivo.
Con el fin de crear el espectro de respuesta modificado MADRS, es necesario multiplicar los valores de aceleración de la demanda por el factor de modificación (M=a_máx⁄a_eff ).
Mediante la intersección del periodo secante Tsec con el espectro de respuesta modificada MADRS se determina un posible punto de desempeño.
Ya que el punto de desempeño real será el que cruce el espectro de capacidad, se debe aumentar o reducir el punto de desempeño
Figura 10. Serie de posibles puntos de desempeño, obtenido del FEMA 440 (2005)
inicial de prueba para generar una serie de puntos. Esto se ilustra en la figura 10.
Un nivel de desempeño sísmico corresponde a un estado de la estructura en que tiene determinadosdaños. Existendistintosnivelesde desempeño y distintos límites. La metodología que se siguió en este estudio fue la propuesta por Vision 2000 A Framework for Performance Based Structural Engineering (SEAOC, 1995).
El comité Vision 2000 describió los daños que pueden ser registrados en una estructura en función del nivel de desempeño.
Tabla 7. Niveles de desempeño, adecuado de Vision 2000 A Framework for Performance Based Structural Engineering (SEAOC, 1995)
En la tabla 7 se presenta, de forma resumida, las principales características de cada nivel de desempeño.
Se modeló y analizó una estructura de dos niveles de acero estructural. Se modeló mediante elementos Frame con rótulas concentradas generadas de forma automática por el software CSi Etabs.
La estructura en estudio consta de cuatro columnas y tres vigas en cada nivel. La sección transversal de las columnas centrales corresponde a las W 30x173, las columnas exteriores son secciones W 14x193.
Figura 11. Disposiciones de elementos y geometría del marco en estudio, elaboración propia
Las vigas, en todos los casos, corresponden a la sección W 30x99. La disposición y longitud de los elementos se ilustra en la figura 11.
En la figura 12 se ilustra la rótula automática utilizada para los elementos Frame.
Estas rótulas plásticas fueron aplicadas a cada
Figura 12. Definición de rótula plástica, obtenido de CSi Etabs
elemento en el modelo realizado, con el fin de poder llevar a cabo un análisis estático no lineal incremental.
El software utilizado calcula la capacidad elástica a momento tomando en cuenta las propiedades mecánicas y geométricas definidas. El punto de máxima capacidad a momento fue considerado como el 2 % de la capacidad elástica a momento. Las rótulas implementadas en este trabajo son las dispuestas en el Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings 41-17 (ASCE, 2017).
Ya que el objetivo de este estudio es el de estudiar la influencia del suelo rocoso, para la construcción del espectro elástico mediante el RNC-07 se consideró un suelo tipo I. La estructura se ubicó en Managua con una importancia normal. Por otro lado, para el espectro elástico mediante la NSCM se utilizaron los suelos tipo A y B.
Con el fin de hacer referencia de mejor forma, la estructura analizada con el RNC-07 con un suelo tipo I se nombra como RNC-SI. Por otro lado, las estructuras analizadas con la NSCM con un suelo tipo A y B se nombran como NSCM-SA y NSCM-SB.
La curva de capacidad de la estructura se presenta en la figura 13. Se observa una línea recta ascendente, asociada al comportamiento lineal del marco en estudio.
Posterior a esto, la estructura experimenta
Figura 13. Curva de capacidad de la estructura en estudio, adecuado de CSi Etabs
una sobrerresistencia que la hace llegar a su capacidad máxima a cortante. Finalmente, la capacidad para resistir dicha fuerza disminuye drásticamente, experimentando desplazamientos elevados.
La figura 14 ilustra una superposición de los tres espectros elásticos utilizados para
Figura 14. Espectros elásticos utilizados, elaboración propia
la determinación del desempeño sísmico. Considerando el periodo T = 0.515 s del marco en estudio, se espera que el espectro elástico elaborado con el RNC-07 sea el que genere la mayor demanda.
Lamesetadelosespectroselásticosconstruidos con la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua presenta aceleraciones máximas para un rango pequeño de períodos cuando el suelo es Tipo A. Dicho rango aumenta a medida que el suelo presenta una menor velocidad promedio de ondas de cortante. Por otro lado, la meseta del espectro construido con el Reglamento Nacional de Construcción presenta un rango fijo, independientemente del tipo de suelo. Una vez obtenida la curva de capacidad, y aplicando la metodología MADRS, es posible estimar el punto de desempeño del mismo. Por consiguiente, y tomando de referencia la tabla 7 de este estudio, se determina el nivel de desempeño sísmico de las estructuras RNC-SI,
NSCM-SA y NSCM-SB.
En las tablas 8 a 10 se presenta la información acerca del nivel de desempeño de cada estructura. Tal y como se comentó anteriormente en este trabajo, la estructura RNC-SI es la que está expuesta a un nivel de demanda mayor. Este nivel de demanda se asocia a desplazamientos, aceleraciones y
Tabla 8. Punto de desempeño de la estructura RNC-SI, obtenido de CSi Etabs
derivas mayores.
En la figura 8 se ilustra que la estructura RNC-SI incursiona en el rango inelástico. Debido a esto, es entendible que su desempeño llegue a ser el de una estructura que asegura la vida de sus ocupantes. El desplazamiento obtenido en el punto de desempeño es de 6.35 cm, asociado
Tabla 9. Punto de desempeño de la estructura NSCM-SA, obtenido de CSi Etabs
a una aceleración de 0.70 g.
En la figura 9 se ilustra que la estructura NSCM- SA tiene un comportamiento elástico. Debido a esto, es entendible que su desempeño llegue a ser el de una estructura operacional. El desplazamiento obtenido en el punto de desempeño es de 2.91 cm, asociado a una
Tabla 10. Punto de desempeño de la estructura NSCM-
SB obtenido de CSi Etabs
aceleración de 0.40 g.
En la figura 10 se ilustra que la estructura NSCM-SB tiene un comportamiento elástico. Debido a esto, es entendible que su desempeño llegue a ser el de una estructura operacional. El desplazamiento obtenido en el punto de desempeño es de 4.21 cm, asociado a una aceleración de 0.58 g.
Tanto el análisis estático no lineal incremental como la determinación del nivel de desempeño fueron llevados a cabo de forma exitosa. Por ende, fue posible obtener la curva de capacidad de la estructura y la familia de puntos de desempeño mediante la metodología MADRS. El rango de periodos en que la aceleración del espectro construido a partir del Reglamento Nacional de Construcción (MTI, 2007) es constante, esto hace que un suelo con una alta velocidad de onda de corte no modifique mucho la respuesta de la estructura. Incluso, podría estar sobrestimando la respuesta estructural. El hecho de que el rango de periodos en que la
aceleración es constante disminuye a medida que la rigidez del suelo aumentas, hace que la propuesta de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022) sea más realista. Esto se debe a que, si se considera el suelo rígido, las vibraciones que pudieran llegar a la estructura son menores.
Debido a la sobrestimación del espectro del Reglamento Nacional de Construcción (MTI. 2007), el desplazamiento lateral fue de 6.35 cm. Esto, en términos de nivel de desempeño, corresponde a Seguridad de Vida. Tal y como se ilustra en la figura 14, existió una incursión en el rango inelástico por parte de la estructura.
Por otro lado, el desplazamiento lateral considerando suelos tipo A y B de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022) corresponde a un nivel de desempeño operacional. En las figuras 15 y 16 se observa que el comportamiento de las estructuras NSCM-SA y NSCM-SB se mantuvo completamente elástico. Los autores toman a bien la modificación de la Norma Sismorresistente para la ciudad de Managua (MTI, 2022) en cuanto a los factores de ajuste espectral ya que generan espectros que representan el sitio en estudio de mejor manera.
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