ANÁLISIS DE ACCIONES SÍSMICAS Y PROPUESTAS PARA SU DISEÑO PFC. Ingeniería de Edificación AUTORA: GLORIA LÓPEZ LÓPEZ. DIRECTOR: Dr. CARLOS PARRA C OSTA. 2013 AGRADECIMIENTOS A todos mis profesores por haberme enseñado tanto durante estos cuatro años, en especial al director de este proyecto fin de carrera, el profesor Carlos Parra Costa, por la ayuda recibida para la realización del mismo. A mi familia y amigos por su apoyo y comprensión. RESUMEN Este Proyecto Final de Carrera es el trabajo realizado para la finalización de los estudios como graduado en Ingeniería de Edificación por la Universidad Politécnica de Cartagena dentro de la Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación. La realización de este proyecto surgió a raíz del terremoto ocurrido el pasado 11 de Mayo de 2.011 en Lorca, el cual ocasionó 9 víctimas mortales y más de 300 heridos, la situación geográfica en la que se encuentra la Región de Murcia (zona de peligrosidad sísmica elevada) y mi interés por las estructuras. Estos factores han sido por los que elegí realizar este Proyecto Específico. El trabajo consiste en análisis de las acciones sísmicas y una serie de propuestas para el diseño de las mismas, siempre con referencia al terremoto de Lorca. También incluye un cálculo de dimensionamiento de una estructura sencilla situada en zona sísmica mediante un programa informático de cálculo estructural llamado “Cype”. ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN………………………………1 2. COMPORTAMIENTO DEL SUELO (GEODINÁMICA). 2.1. Geofísica…………………...…….4 2.2. Acción sísmica…………………...5 2.3. Dinámica y ondas…………...…..35 2.4. El terreno como medio de propagación (geotécnia)……………………….42 2.5. Características de un terremoto. Magnitud e intensidad…………...45 3. COMPORTAMIENTO DINÁMICO Y SÍSMICO. 3.1. Análisis dinámico……………….54 3.2. Vibración del suelo……………..56 3.3. Acciones dinámicas……………..60 3.4. Ecuaciones de movimiento……...61 3.5. Estructuras complejas. Cálculo matricial para estructuras de “n” grados de libertad (gdl)………….65 3.6. Factores estructurales que influyen en la respuesta estructural………….71 3.7. Análisis modal…………………..81 3.8. Espectros de respuesta……….....88 4. PELIGROSIDAD SÍSMICA Y VULNERABILIDAD EN EDIFICACIÓN…............................................99 5. CRITERIOS DE DISEÑO SISMORRESISTENTE. 5.1. Simplicidad y simetría………….148 5.2. Altura……………………………151 5.3. Resistencia y ductilidad………...152 5.4. Reducir cambios bruscos de rigidez y masas, tanto en planta como en altura…………………………....158 5.5. Hiperasticidad y monolitismo.....161 5.6. Existencia de losas que permiten considerar a la estructura como una unidad…………………………...161 5.7. Elementos no estructurales.......…162 5.8. Cimentación. Evitar la resonancia entre suelo y estructura………….168 5.9. Compatibilidad entre los diferentes sistemas estructurales…………...172 5.10. Separar adecuadamente los edificios adyacentes para evitar impacto…173 5.11. Interacción suelo-estructura….…174 5.12. Escala…..…………………….…176 5.13. Planta libre……………….…..…176 5.14. NCSE-02……………………..…177 5.15. Aisladores y disipadores de energía……………………….….178 6. ANÁLISIS SISMORRESISTENTE. 6.1. Introducción…………………….185 6.2. Cálculo mediante CYPE……….186 6.3. Análisis numérico……………....194 7. CONCLUSIONES………………………………..204 1. INTRODUCCIÓN. Universidad Politécnica de Cartagena PFC Para la mente humana, todo aquello que existe posee una estructura; para los sentidos, todo lo perceptible tiene forma. Estructura y forma son productos de la constante comunicación entre el ser y el universo; son conocimiento e información particulares de los componentes, relaciones, contornos, masa, proporción y cualidades de los cuerpos existentes; son el ordenamiento mental y material de elementos significativos dentro de la experiencia humana. Aquello que carece de estructura definida es un fenómeno perceptual o imaginario que sólo posee forma tangible o posible. Aquello que carece de forma, no existe para el ser humano; puede estar dentro de lo desconocido, lo imperceptible; la nada. No está ni dentro de lo habitual ni dentro de lo posible. Es la anti-forma. La estructura del universo es producto de la capacidad humana para discernir relaciones significativas y ordenar los fenómenos que percibe o imagina; capacidad de aprehender el universo, relacionar sus partes, delimitar esferas de desempeño y calificar sus comportamientos. Es al mismo tiempo, resultado de la necesidad humana de rehacer constantemente el universo en nuevas relaciones, nuevas partes, nuevos significados. La forma es el límite espacio-temporal de cuerpos y conceptos. Desde el mínimo elemento o partícula hasta el máximo universo, la forma define límites y establece contornos; otorga identidad y comunicabilidad a cuerpos y conceptos. La forma es producto de la capacidad para percibir el universo y elaborar imágenes significativas, es el resultado de las necesidades de rehacer el universo mediante transformaciones que generan nuevos cuerpos y conceptos, con un desempeño asignado del propósito o la finalidad, con un significado particular y una apariencia definida. 1 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN. Universidad Politécnica de Cartagena PFC La verdadera innovación es aquella que afecta tanto a la estructura como a la forma de la vida. Lo que afecta sólo a la forma es insustancial, lo que afecta sólo la estructura es trascendental, pero incompleto. Estructura y forma son producto de fases importantes del comportamiento humano: análisis conocimiento comprensión; invención y producción. El ingeniero o arquitecto muchas veces se dirige hacia la estructura a través de la forma; pero el creativo se dirige hacia la forma a través de la estructura, no con carácter exclusivo sino como un alternar de estados de relación. En el proyecto sismorresistente de edificios, tan importante es un correcto análisis de la estructura como una buena concepción inicial de ésta, siguiendo unos criterios de diseño que se han comprobado eficaces ante diferentes acontecimientos sísmicos. Este trabajo, ha sido objeto del análisis de acciones sísmicas, desde el origen de las mismas hasta el cálculo de las acciones (de acuerdo siempre a la norma sismorresistente NCSE-02, así como otras normativas de obligado cumplimiento como la EHE-08 y el CTE) y los efectos que provocan, y una serie de propuestas para el diseño de las estructuras sismorresistentes, tanto lo que hay que hacer para lograr que una estructura se comporte bien ante un determinado sismo como lo que hay que evitar para evitar que la estructura llegue al colapso. En el segundo capítulo se desarrolla el tema del comportamiento del suelo. En la determinación de la acción sísmica intervienen una gran cantidad de variables relacionadas con el terreno, por ejemplo, los tipos de estratos que lo componen, sus espesores y distribución, etc. Además, las condiciones regionales del terreno pueden filtrar o por el contrario amplificar determinadas ondas sísmicas, de pendiendo de los accidentes geográficos y la regularidad del relieve de la zona. 2 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN. Universidad Politécnica de Cartagena PFC En el tercer capítulo, se habla del comportamiento dinámico y sísmico. La determinación de la acción sísmica se caracteriza por ser un problema de gran complejidad, por este motivo, las normativas sismorresistentes utilizan métodos simplificados. A continuación, el cuarto capítulo nos habla de la peligrosidad sísmica y vulnerabilidad en edificación, es decir, tanto las formas de estimar la probabilidad de ocurrencia de un terremoto, como los factores que influyen en su determinación. También aparece el concepto de vulnerabilidad y su cuantificación, influencia de la ductilidad y las normativas de diseño sísmico. Por último, se recogen los daños ocurridos en las edificaciones lorquinas tras el terremoto del pasado 11 de Mayo de 2.011. El capítulo cinco está dedicado a recoger los aspectos más importantes que deben considerarse en el diseño conceptual de la estructura, como por ejemplo, proporcionar simplicidad y simetría a la estructura, tanto en planta como en altura. Así como evitar cambios bruscos de rigidez en masa, etc. También aparece el concepto de ductilidad y los factores que influyen en la misma. En el sexto capítulo se realiza un pequeño ejemplo de análisis sísmico tanto numéricamente como el dimensionamiento mediante el programa informático CYPE. Por último, en el séptimo capítulo se recogen una serie de conclusiones a raíz del trabajo realizado. 3 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN. 2. COMPORTAMIENTO DEL SUELO (GEODINÁMICA).