Análisis sísmico
El análisis sísmico es un subconjunto del análisis estructural y consiste en el cálculo de la respuesta de una estructura de un edificio (o de otro tipo ) a los terremotos . Forma parte del proceso de diseño estructural , ingeniería sísmica o evaluación y reacondicionamiento estructural (véase ingeniería estructural ) en regiones donde los terremotos son frecuentes.
Como se ve en la figura, un edificio tiene el potencial de "oscilar" de un lado a otro durante un terremoto (o incluso una fuerte tormenta de viento ). Esto se denomina " modo fundamental " y es la frecuencia más baja de respuesta del edificio. Sin embargo, la mayoría de los edificios tienen modos de respuesta más altos, que se activan únicamente durante los terremotos. La figura solo muestra el segundo modo, pero hay modos de "vibración anormal" más altos. No obstante, el primer y el segundo modo tienden a causar el mayor daño en la mayoría de los casos.
Las primeras disposiciones para la resistencia sísmica fueron el requisito de diseñar para una fuerza lateral igual a una proporción del peso del edificio (aplicada en cada nivel de piso). Este enfoque se adoptó en el apéndice del Código de Construcción Uniforme (UBC) de 1927, que se utilizó en la costa oeste de los Estados Unidos. Más tarde se hizo evidente que las propiedades dinámicas de la estructura afectaban las cargas generadas durante un terremoto. En el Código de Construcción del Condado de Los Ángeles de 1943 se adoptó una disposición para variar la carga en función del número de niveles de piso (basado en la investigación realizada en Caltech en colaboración con la Universidad de Stanford y el United States Coast and Geodetic Survey , que comenzó en 1937). El concepto de "espectros de respuesta" se desarrolló en la década de 1930, pero no fue hasta 1952 que un comité conjunto de la Sección de San Francisco de la ASCE y la Asociación de Ingenieros Estructurales del Norte de California (SEAONC) propuso utilizar el período de construcción (el inverso de la frecuencia) para determinar las fuerzas laterales. [1]
La Universidad de California, Berkeley, fue una de las primeras bases para el análisis sísmico de estructuras basado en computadora, dirigida por el profesor Ray Clough (quien acuñó el término de elementos finitos ). [2] Entre los estudiantes se encontraba Ed Wilson , quien luego escribió el programa SAP en 1970, uno de los primeros programas de " análisis de elementos finitos ". [3]
La ingeniería sísmica se ha desarrollado mucho desde sus inicios y algunos de los diseños más complejos utilizan ahora elementos especiales de protección contra terremotos, ya sea solo en los cimientos ( aislamiento de la base ) o distribuidos por toda la estructura . El análisis de este tipo de estructuras requiere un código informático de elementos finitos explícito y especializado, que divide el tiempo en porciones muy pequeñas y modela la física real , de forma muy similar a como los videojuegos comunes suelen tener "motores de física". De esta manera se pueden modelar edificios muy grandes y complejos (como el Centro Internacional de Convenciones de Osaka).
Los métodos de análisis estructural se pueden dividir en las siguientes cinco categorías.
Análisis estático equivalente
Este enfoque define una serie de fuerzas que actúan sobre un edificio para representar el efecto del movimiento del suelo ante un terremoto , generalmente definido por un espectro de respuesta de diseño sísmico . Supone que el edificio responde en su modo fundamental . Para que esto sea cierto, el edificio debe ser de poca altura y no debe torcerse significativamente cuando el suelo se mueve. La respuesta se lee a partir de un espectro de respuesta de diseño , dada la frecuencia natural del edificio (calculada o definida por el código de construcción ). La aplicabilidad de este método se extiende en muchos códigos de construcción al aplicar factores para tener en cuenta los edificios más altos con algunos modos más altos y para niveles bajos de torsión. Para tener en cuenta los efectos debidos a la "fluencia" de la estructura, muchos códigos aplican factores de modificación que reducen las fuerzas de diseño (por ejemplo, factores de reducción de fuerza).
Análisis del espectro de respuesta
Este enfoque permite tener en cuenta los múltiples modos de respuesta de un edificio (en el dominio de la frecuencia ). Esto es un requisito en muchos códigos de construcción para todas las estructuras, excepto las muy simples o muy complejas. La respuesta de una estructura se puede definir como una combinación de muchas formas especiales ( modos ) que en una cuerda vibrante corresponden a los " armónicos ". El análisis informático se puede utilizar para determinar estos modos para una estructura. Para cada modo, se lee una respuesta del espectro de diseño, en función de la frecuencia modal y la masa modal, y luego se combinan para proporcionar una estimación de la respuesta total de la estructura. En esto, tenemos que calcular la magnitud de las fuerzas en todas las direcciones, es decir, X, Y y Z, y luego ver los efectos en el edificio. Los métodos de combinación incluyen lo siguiente:
- absoluto – los valores pico se suman
- raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (SRSS)
- Combinación cuadrática completa (CQC): un método que es una mejora de SRSS para modos muy espaciados
El resultado de un análisis del espectro de respuesta que utiliza el espectro de respuesta de un movimiento de tierra suele ser diferente del que se calcularía directamente a partir de un análisis dinámico lineal que utiliza ese movimiento de tierra directamente, ya que la información de fase se pierde en el proceso de generación del espectro de respuesta.
En los casos en que las estructuras son demasiado irregulares, demasiado altas o de importancia para una comunidad en respuesta a un desastre, el enfoque del espectro de respuesta ya no es apropiado y a menudo se requiere un análisis más complejo, como un análisis estático no lineal o un análisis dinámico.
Análisis dinámico lineal
Los procedimientos estáticos son apropiados cuando los efectos de modos superiores no son significativos. Esto es generalmente cierto para edificios bajos y regulares. Por lo tanto, para edificios altos, edificios con irregularidades torsionales o sistemas no ortogonales, se requiere un procedimiento dinámico. En el procedimiento dinámico lineal, el edificio se modela como un sistema de múltiples grados de libertad (MDOF) con una matriz de rigidez elástica lineal y una matriz de amortiguamiento viscoso equivalente.
La entrada sísmica se modela utilizando análisis espectral modal o análisis de historial temporal, pero en ambos casos, las fuerzas internas y los desplazamientos correspondientes se determinan utilizando análisis elástico lineal. La ventaja de estos procedimientos dinámicos lineales con respecto a los procedimientos estáticos lineales es que se pueden considerar modos más altos. Sin embargo, se basan en la respuesta elástica lineal y, por lo tanto, la aplicabilidad disminuye con el aumento del comportamiento no lineal, que se aproxima mediante factores de reducción de fuerza global.
En el análisis dinámico lineal, la respuesta de la estructura al movimiento del terreno se calcula en el dominio del tiempo y, por lo tanto, se conserva toda la información de fase . Solo se suponen propiedades lineales. El método analítico puede utilizar la descomposición modal como un medio para reducir los grados de libertad en el análisis.
Análisis estático no lineal
En general, los procedimientos lineales son aplicables cuando se espera que la estructura permanezca casi elástica para el nivel de movimiento del suelo o cuando el diseño da como resultado una distribución casi uniforme de la respuesta no lineal en toda la estructura. Como el objetivo de desempeño de la estructura implica mayores demandas inelásticas, la incertidumbre con los procedimientos lineales aumenta hasta un punto que requiere un alto nivel de conservadurismo en los supuestos de demanda y criterios de aceptabilidad para evitar un desempeño no deseado. Por lo tanto, los procedimientos que incorporan análisis inelástico pueden reducir la incertidumbre y el conservadurismo.
Este enfoque también se conoce como análisis "pushover". Se aplica un patrón de fuerzas a un modelo estructural que incluye propiedades no lineales (como la fluencia del acero) y se representa gráficamente la fuerza total frente a un desplazamiento de referencia para definir una curva de capacidad. Esto se puede combinar luego con una curva de demanda (normalmente en forma de espectro de respuesta de aceleración-desplazamiento [ADRS]). Esto reduce esencialmente el problema a un sistema de un solo grado de libertad (SDOF).
Los procedimientos estáticos no lineales utilizan modelos estructurales SDOF equivalentes y representan el movimiento sísmico del suelo con espectros de respuesta. Las desviaciones de los pisos y las acciones de los componentes se relacionan posteriormente con el parámetro de demanda global mediante las curvas de capacidad o de empuje que son la base de los procedimientos estáticos no lineales.
Análisis dinámico no lineal
El análisis dinámico no lineal utiliza la combinación de registros de movimiento del suelo con un modelo estructural detallado, por lo que es capaz de producir resultados con una incertidumbre relativamente baja. En los análisis dinámicos no lineales, el modelo estructural detallado sometido a un registro de movimiento del suelo produce estimaciones de las deformaciones de los componentes para cada grado de libertad en el modelo y las respuestas modales se combinan utilizando esquemas como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados.
En el análisis dinámico no lineal, las propiedades no lineales de la estructura se consideran como parte de un análisis del dominio del tiempo . Este enfoque es el más riguroso y lo exigen algunos códigos de construcción para edificios de configuración inusual o de especial importancia. Sin embargo, la respuesta calculada puede ser muy sensible a las características del movimiento del suelo individual utilizado como entrada sísmica; por lo tanto, se requieren varios análisis utilizando diferentes registros de movimiento del suelo para lograr una estimación confiable de la distribución probabilística de la respuesta estructural. Dado que las propiedades de la respuesta sísmica dependen de la intensidad o severidad del movimiento sísmico, una evaluación integral requiere numerosos análisis dinámicos no lineales a varios niveles de intensidad para representar diferentes escenarios posibles de terremotos. Esto ha llevado al surgimiento de métodos como el análisis dinámico incremental . [4]
Véase también
- Método de elementos aplicados
- Simulación de terremoto
- Cargas extremas para estructuras : software de análisis sísmico
- Análisis modal mediante FEM
- OpenSees – software de análisis
- Dinámica estructural
- Control de vibraciones
Referencias
- ^ Bozorgnia, Y, Bertero, V, "Ingeniería sísmica: de la ingeniería sismológica a la ingeniería basada en el rendimiento", CRC Press, 2004.
- ^ "Investigación temprana sobre elementos finitos en Berkeley", Wilson, E. y Clough R., presentado en la Quinta Conferencia Nacional de Estados Unidos sobre Mecánica Computacional, 4-6 de agosto de 1999
- ^ "Desarrollos históricos en la evolución de la ingeniería sísmica", ensayos ilustrados de Robert Reitherman, CUREE, 1997, p12.
- ^ Vamvatsikos D., Cornell CA (2002). Análisis dinámico incremental. Ingeniería sísmica y dinámica estructural, 31(3): 491–514.
Otras fuentes:
- ^ ASCE. (2000). Norma preliminar y comentario para la rehabilitación sísmica de edificios (FEMA-356) (informe n.º FEMA 356). Reston, VA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, preparado para la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias.
- ^ ATC. (1985). Datos de evaluación de daños por terremotos en California (ATC-13) (informe). Redwood, CA: Applied Technology Council.
