Como afecta el costo por diseno sismo resistente  ing. luis-garcia
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podemos deinir el efecto del costo en la construccion considerando el sismo

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Como afecta el costo por diseno sismo resistente ing. luis-garcia Presentation Transcript

  • 1. ¿COMO AFECTA EL COSTO POR DISENO SISMO RESISTENTE? –LA EXPERIENCIA COLOMBIANA Luis E. García Proyectos y Diseños Ltda. (Ingenieros consultores) Profesor de Ingeniería Civil , Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia) Expresidente del American Concrete Institute - ACI
  • 2. ESTUDIOS DE COSTOS REALIZADOS„ Efecto del sistema estructural„ Efecto de la irregularidad de la estructura„ Efecto de la zona de amenaza sísmica„ Efecto del límite de la deriva„ Efecto de los requisitos de detallado„ Efecto de la luz y la relación entre luces„ Efecto de la altura del edificio
  • 3. SISTEMAS ESTRUCTURALES„ Pórtico de concreto reforzado resistente a momentos„ Pórtico y muros de concreto„ Dual + Muros de concreto„ Dual + Muros de mampostería„ Mampostería estructural„ Mampostería confinada
  • 4. 3 4 5 6 1 3.02 2 3.02 .41 2.20 .41 3.02 7 3.02 8 .85A .15 .05 A 1.20 .05 .05 1.20B B 1.40 1.40C C 2.50 2.50D D .60 .60E E 3.10 3.10F .60 F .05 .05 3.02 3.02 .41 2.20 .41 3.02 3.02 1 2 3 4 5 6 7 8 PLANTA ARQUITECTÓNICA
  • 5. PORTICO RESISTENTE A MOMENTO – VIGUETAS ALTERNATIVA A
  • 6. PORTICO RESISTENTE A MOMENTO SISTEMA VIGA Y PLACA
  • 7. DUAL CON MUROS DE CONCRETO O MAMPOSTERIA VIGUETAS
  • 8. MAMPOSTERIA CONFINADAVIGUETERIA PREFABRICADA
  • 9. MAMPOSTERIA ESTRUCTURAL LOSA MACIZA
  • 10. CONCRETO USADO 0.20 Pórtico Alt. A 0.18 Pórtico Alt. B 0.16 Pórtico + Muros 0.14 Concreto 0.12 Dual Muros dem³/m² 0.10 Concreto 0.08 Dual Muros de 0.06 Mampostería 0.04 Mampostería 0.02 Estructural 0 Mampostería Confinada Sistema estructural
  • 11. ACERO DE REFUERZO USADO 25 Pórtico Alt. A Pórtico Alt. B 20 Pórtico + Muros Concreto 15 Dual Muros dekg/m² Concreto Dual Muros de 10 Mampostería Mampostería 5 Estructural Mampostería Confinada 0 Sistema Estructural
  • 12. ¿SON LOSEDIFICIOS DE LA PRÁCTICA ACTUAL DEMASIADO IRREGULARES?
  • 13. WALLwALL WALL 5.00 m EDIFICIO A
  • 14. EDIFICIO B 5.00 m
  • 15. 5.00 mEDIFICIO C
  • 16. MURO MURO 5.00 mEDIFICIO D
  • 17. 5.00 mEDIFICIO E
  • 18. 5.00 mEDIFICIO F
  • 19. WALL WALL 5.00 mEDIFICIO G
  • 20. WALL WALL 5.00 mEDIFICIO H
  • 21. 5.00 mEDIFICIO I
  • 22. 5.00 mEDIFICIO J
  • 23. WALL WALLWALL WALL EDIFICIO K 5.00 m
  • 24. 5.00 mEDIFICIO L
  • 25. REFUERZO UTILIZADO 50 45 40 35 30 COLUMNAS Y MUROSkg/m² 25 VIGAS 20 TOTAL 15 10 5 0 A B C D E F G H I J K L EDIFICIO
  • 26. CONCRETO UTILIZADO 0.50 0.40 COLUMNAS Y 0.30 MUROSm³/m² 0.20 VIGAS TOTAL 0.10 0.00 A C E G I K EDIFICIO
  • 27. COSTO ASOCIADO CON LA ZONIFICACION SISMICA„ 24 edificios estudiados: – 3, 5, 8, 12 pisos – Edificios de apartamentos – Suelo tipo S2 5.00 m 5.00 m 5.00 m 6.00 m 6.00 m 6.00 m 6.00 m
  • 28. INDICE DEL COSTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA 2.40 2.20INDICE DE COSTO 2.00 12 PISOS 1.80 8 PISOS 1.60 5 PISOS 3 PISOS 1.40 1.20 1.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Aa - Av
  • 29. COSTO vs. ALTURA 2.4 2.2 Baja- 0.05INDICE DE COSTO 2 Baja- 0.10 Intermedia - 0.10 1.8 Intermedia - 0.15 1.6 Intermedia - 0.20 Alta - 0.20 1.4 Alta - 0.25 1.2 Alta - 0.30 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 No DE PISOS
  • 30. CONCRETO COLUMNAS 0.07 0.06 /m2 ) 0.05CONCRETO (m3 12 PISOS 0.04 8 PISOS 0.03 5 PISOS 3 PISOS 0.02 0.01 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Aa - Av
  • 31. REFUERZO COLUMNAS 20 18 16ACERO (kg/m) 2 14 12 PISOS 12 8 PISOS 10 5 PISOS 8 3 PISOS 6 4 2 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Aa - Av
  • 32. CONCRETO LOSA Y VIGAS 0.14 0.14CONCRETO (m /m2 ) 0.13 3 0.13 12 PISOS 0.12 8 PISOS 5 PISOS 0.12 3 PISOS 0.11 0.11 0.10 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Aa - Av
  • 33. REFUERZO LOSA Y VIGAS 14 13ACERO (kg/m) 2 12 12 PISOS 8 PISOS 11 5 PISOS 10 3 PISOS 9 8 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Aa - Av
  • 34. ALGUNOS CASOSDISEÑADOS CUMPLIENDO CON LA MICROZONIFICACIÓNSÍSMICA DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ
  • 35. Bogota, Colombia
  • 36. ESPECTROS MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA DE BOGOTÁ 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 Zona 1 - Cerros 0.50 Zona 2 - Piedemonte 0.45Sa Zona 3 - Lacustre A(g) 0.40 Zona 4 - Lacustre B 0.35 Zona 5 - Terrazas y Conos 0.30 NSR-98 S4 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 T (s)
  • 37. LOS CASOS„ 26 edificios que en total suman un área de 243 000 m2 –19 edificios de apartamentos –5 edificios de oficinas –2 edificios de aulas„ Alturas de 7 a 20 pisos –12 pisos en promedio„ Áreas de 1 200 a 50 000 m2 –9 400 m2 en promedio
  • 38. Localización de los edificios„ 6 Edificios N en Zona 1 Zona 4„ 4 Edificios Zona 1 0 2 4 6 8 10 km en la Zona 2 Escala transición entre Zonas 1y2 Zona 1 - Cerros Zona 3 Zona 2 - Piedemonte Zona 3 - Lacustre A„ 2 Edificios Zona 4 - Lacustre B en Zona 2 Zona 5A - Terrazas y Conos Zona 5B Zona 5B - Terrazas y Conos Zona 5A Potencialmente Licuables„ 12 Edificios en Zona 3„ 2 Edificios en Zona 4
  • 39. AHORA MIREMOS LOS SIGUIENTES PARÁMETROS„ Período de vibración fundamental calculado por el método de Rayleigh„ Estimativo del período fundamental con base en el número de pisos„ Deflexión horizontal al nivel de cubierta„ Área de muros estructurales en función del número de pisos„ Corte basal resistente obtenido por medio de mecanismos de colapso„ Relación capacidad/demanda para fuerzas horizontales sísmica
  • 40. Período de vibración T (s) 1.50 1.25Período Dirección y (s) 1.00 Zona 1 Trans 1-2 0.75 Zona 2 Zona 3 Zona 4 0.50 0.25 0.00 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 Período Dirección x (s)
  • 41. Estimativo del Período Fundamental 30 25 20 Zona 1 Media = 16 # pisos/Ty Trans 1-2 15 Zona 2 Zona 3 Zona 4 10SEAOCT=N/10 5 M Media = 14 0 0 5 10 15 15 20 25 30 # pisos/Tx
  • 42. Deflexión Cubierta Gn como % de hn 1.0 = 1.55 (promedio) 0.8Deflexión Cubierta Y (%hn) 0.6 Zona 1 Trans 1-2 Media = 0.47% Zona 2 Deriva de piso máxima a Zona 3 0.4 Zona 4 Deriva promedio 0.2 Media = 0.63% 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 6 0.8 1.0 Deflexión Cubierta X (%hn)
  • 43. p = Área de muros estructurales / Área piso 5.0 Media = 0.72%Área muros direcc. Y/Área del piso 4.0 Zona 1 3.0 Trans 1-2 Zona 2 Zona 3 2.0 Zona 4 Media = 1.23% 1.0 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Área muros direcc. X/Área del piso
  • 44. Corte Basal ResistenteMECANISMO DE PISO MECANISMO DE VIGAS MECANISMO DE PISOS INTERM.
  • 45. Corte Basal Resistente Vn (%W) 60 50Corte Basal Resistente Y (%W) 40 Zona 1 Trans 1-2 Zona 2 30 Zona 3 Media = 21% Zona 4 20 10 Media = 20% 0 0 10 20 0 30 40 50 60 Corte Basal Resistente X (%W)
  • 46. Capacidad/Demanda 8 7 6 Media = 2.0 a 0 5 Zona 1Vny/(SayW) Trans 1-2 4 Zona 2 Zona 3 Zona 4 3 Media Media = 2.2 e 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Vnx/(SaxW)
  • 47. CONTROLDE LA DERIVA
  • 48. DERIVA!
  • 49. Deriva 5 f5h5 4 f4h4 3 f3h3 2 f2h2 1 f1h1
  • 50. ¡12 km del epicentro!
  • 51. Metodología del estudio„ Definición de la planta del edificio„ Producción de grupos de dimensiones razonables para diferentes números de pisos„ Análisis estructural de todas las soluciones„ Diseño de vigas y columnas incluyendo todos los detalles de las armaduras, siguiendo los requisitos del grado de capacidad de disipación de energía apropiado para la zona de amenaza sísmica„ Estudio de las diferentes soluciones con respecto al cumplimiento de los requisitos de deriva, nuevos y viejos„ Evaluación del costo en todas las soluciones„ Estudio de las variaciones entre costo y los parámetros relevantes de diseño
  • 52. Metodología El procedimiento empleado puede describirse como:1 - dejar que la estructura responda ante las fuerzas sísmicas que le corresponda, obteniendo la deriva que resulte de las dimensiones y las fuerzas sísmicas impuestas2 - determinar el costo comparativo con otras soluciones con diferentes dimensiones de los elementos3 - calcular las implicaciones de restringir la deriva a valores menores
  • 53. Edificio de apartamentos estudiado„ Pórtico resistente a momentos de concreto reforzado„ 4, 8, 12, y 20 pisos„ Zonas de amenaza sísmica intermedia y alta Z A S Intermedia (Aa = 0.20) Z A S Alta (Aa = 0.25)„ Perfil de suelo S1 (roca)„ Columnas cuadradas con la misma dimensión en toda la altura del edificio
  • 54. Planta del Edificio Estudiado 7.5N 7.5 22.5 7.5 9.0 9.0 9.0 9.0 36.0 all dimensions inen m dimensiones meters
  • 55. Un caso en detalle„ Edificio de 8 pisos„ Zona de Amenaza Sísmica Intermedia (Aa=0.20)„ Perfil de suelo S1 (Roca)„ Columnas cuadradas de 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 m„ Vigas de b=0.4 m x h=0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 m„ En total 20 combinaciones de dimensiones de columnas y vigas
  • 56. Refuerzo vigas 18 18 16 16 14 14 columnas de 1.0 m columnas de 1.0 m 12 12 columnas de 0.8 m columnas de 0.8 m columnas de 0.6 m acero 10 acero 10 columnas de 0.6 m columnas de 0.4 m columnas de 0.4 m(kg/m²) (kg/m²) 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
  • 57. Refuerzo columnas 18 18 16 16 columnas de 1.0 m 14 14 columnas de 1.0 m 12 12 columnas de 0.8 m columnas de 0.8 m columnas de 0.6 m acero 10 acero 10 columnas de 0.6 m columnas de 0.4 m columnas de 0.4 m(kg/m²) (kg/m²) 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0
  • 58. Consumo total de concreto y acero (columnas y vigas únicamente) concreto 30 0.16 0.14 25 0.12 20 0.10 acero 15 0.08 concreto(kg/m²) (m³/m²) 0.06 10 columnas de 1.0 m acero columnas de 0.8 m 0.04 5 columnas de 0.6 m 0.02 columnas de 0.4 m 0 0.0 0.00 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 altura viga (m)
  • 59. Deriva (edificio 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia) 0.4x0.4 0.4x0.4Deriva = 3.0%hDeriva = 3.0%hDeriva = 2.5%hDeriva = 2.5%hDeriva = 2.0%hDeriva = 2.0%h 0.4x0.5 0.4x0.5 3.00 --3.50Deriva = 1.5%h 3.00 3.50Deriva = 1.5%h 2.50 --3.00 2.50 3.00Deriva = 1.0%hDeriva = 1.0%h sección sección 2.00 --2.50 0.4x0.6 0.4x0.6 vigas 2.00 2.50 vigas (m) (m) 1.50 --2.00 1.50 2.00 1.00 --1.50 1.00 1.50 0.4x0.7 0.4x0.7 0.50 --1.00 0.50 1.00
  • 60. Procedimiento para reducir la deriva 0.4x0.4 Deriva = 3.0%h Deriva = 2.5%h Deriva = 2.0%h 0.4x0.5 Deriva = 1.5%h Deriva = 1.0%h sección 0.4x0.6 vigas (m) 0.4x0.7 Deriva = 0.5%h 0.4x0.8 0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0 sección columnas (m)
  • 61. Índice de costos (edificio de 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)ic = 1.0 ic = 1.3 ic = 1.4 0.4x0.4 ic = 1.5 1.70 - 1.80 0.4x0.5 1.60 - 1.70 1.50 - 1.60ic = 1.1 sección 1.40 - 1.50 0.4x0.6 vigas 1.30 - 1.40 (m) 1.20 - 1.30 ic = 1.6 1.10 - 1.20ic = 1.2 0.4x0.7 1.00 - 1.10 ic = 1.7 índice costos (ic) 0.4x0.8 0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0 sección columnas (m)
  • 62. Índice costo vs. deriva (edificio 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia) ic = 1.0 ic = 1.1 ic = 1.2 ic = 1.3 ic = 1.4 ic = 1.5 0.4x0.4Deriva = 3.0%hDeriva = 2.5%h 1.70 - 1.80Deriva = 2.0%h 0.4x0.5 1.60 - 1.70Deriva = 1.5%h ic = 1.6 1.50 - 1.60Deriva = 1.0%h sección 0.4x0.6 vigas 1.40 - 1.50 (m) 1.30 - 1.40 1.20 - 1.30 0.4x0.7 1.10 - 1.20 ic = 1.7Deriva = 0.5%h 1.00 - 1.10 0.4x0.8 índice costos (ci) 0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0 sección columnas (m)
  • 63. Índice de costo vs. deriva (amenaza sísmica intermedia) 4.0 dimensiones columnas constantes 3.5 20 pisos 3.0índicecosto 2.5 dimensiones vigas constantes 12 pisos 2.0 1.5 4 pisos 8 pisos 1.0 0 1 2 3 4 5 ic = 1.0 deriva (%h)
  • 64. Índice costo vs. deriva (amenaza sísmica alta) 5.0 4.5 dimensiones columna constantes 4.0 20 pisos 3.5índice 3.0costo dimensiones vigas constantes 2.5 12 pisos 2.0 1.5 8 pisos ic = 1.0 4 pisos 1.0 0 1 2 3 4 5 deriva (%h)
  • 65. Pórticos„ El índice de costo mínimo (ic = 1.0) es el de la solución de menor costo para el edificio de 4 pisos, la cual corresponde a la de dimensiones mínimas„ Pueden obtenerse reducciones importantes de la deriva con aumentos de costo marginales. Por lo tanto, reducciones de la deriva del 1.5%h al 1.0%h, como exigen las NSR-98 son ampliamente factibles desde el punto de vista económico.„ Reducciones aún mayores de la deriva tienen un impacto económico proporcionalmente mayor debido al aumento de pendiente de las dimensiones constantes de columna al reducir la deriva, lo cual significa proporcionalmente un mayor costo.
  • 66. Definición del índice de área de muros H área aferente al muro h t D D área sección del muro p= área del piso aferente al muro
  • 67. Relación teórica entre p y la deriva (Amenaza sísmica intermedia) 2.0 1.8 H/D = 7 1.6 H/D = 6 1.4 H/D = 5 1.2 H/D = 4deriva 1.0 H/D = 3(%h) H/D = 2 0.8 H/D = 1 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 p = área total de muros / área del piso (%)
  • 68. Esquema de muros con una luz 7.5N 7.5 22.5 7.5 9.0 9.0 9.0 9.0 36.0 dimensiones en metros
  • 69. Esquema de muros con dos luces 7.5N 7.5 22.5 7.5 9.0 9.0 9.0 9.0 36.0 dimensiones en metros
  • 70. Cantidades totales de concreto y acero (columnas, muros y vigas solamente) 18 0.14 16 acero 0.12 14 0.10 12 H/D=1.42 concreto 0.08 concreto 8 acero 10 1 (m³/m²) (m³/m²) ³ ²(kg/m²)(kg/m²)(kg/m²) 8 k ² H/D=1.71 0.06 6 H/D=2.84 0.04 4 H/D=3.41 2 0.02 0 0.00 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 45 45 espesor muro (m)
  • 71. Deriva - Edificios con muros (Amenaza sísmica intermedia) 0.35 0.30 0.25 H/D=3.41deriva 0.20 H/D=2.84 (%h) 0.15 H/D=1.71 0.10 H/D=1.42 0.05 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 p (%)
  • 72. Índice de costo (edificio de 8 pisos - amenaza sísmica intermedia) 1.4 - 1.5 1.5 1.3 - 1.4 1.4 1.2 - 1.3 1.1 - 1.2 1.3índice costo 1.0 - 1.1 1.2 índice de costo 1.1 1.0 t=0.45 H/D=3.41 t=0.30 H/D=2.84 espesor H/D=1.71 t=0.15 del muro H/D=1.42 (m) relación de esbeltez del muro
  • 73. Índice de costo vs. Deriva (edificio 8 pisos - zona de amenaza sísmica intermedia) Deriva=0.15%h Deriva=0.10%h Deriva=0.05%h t=0.45Deriva=0.20%h espesor del muro 1.4 - 1.5 (m) 1.3 - 1.4 t=0.30 1.2 - 1.3 1.1 - 1.2 1.0 - 1.1Deriva=0.25%h índice costo t=0.15 H/D=3.41 H/D=2.84 H/D=1.71 H/D=1.42 relación de esbeltez del muro
  • 74. Índice de costo vs. Deriva (edificio 8 pisos - amenaza sísmica alta) Deriva=0.20%h Deriva=0.15%h Deriva=0.10%h Deriva=0.05%h t=0.45 1.4 - 1.5 espesor 1.3 - 1.4 del muro 1.2 - 1.3 (m) t=0.30 1.1 - 1.2 1.0 - 1.1Deriva=0.25%h índice costo t=0.15 H/D=3.41 H/D=2.84 H/D=1.71 H/D=1.42 relación de esbeltez del muro
  • 75. Muros vs. Pórtico„ Para zonas de amenaza sísmica intermedia: –El pórtico más económico, sin muros, emplea 14 kg/m2 of acero, y 0.07 m3/m2 de concreto, y reporta una deriva máxima de 2.4%h. –Usando muros la deriva se puede reducir a 0.05%h con un incremento de costo de menos de 10%.„ Para zonas de amenaza sísmica alta: –Las derivas son mayores y los incrementos de costo también, pero las tendencias generales se mantienen.
  • 76. Conclusiones„ Reducciones del límite de deriva hasta valores del orden de 0.75%h, empleando pórticos es factible económicamente.„ Definir las dimensiones de la sección de la columna antes de las de la viga, permite encontrar más rápidamente una estructura que cumpla con un límite de deriva preestablecido.„ Para límites de deriva menores de 0.75%h, debe investigarse el uso de muros estructurales.
  • 77. Comentarios finalesEste es solo un ejemplo del tipo de estudios que deben llevarse a cabo cuando se desea investigar la relación entre las diferentes variables que intervienen en el costo y comportamiento de las estructuras de edificios.Debe tenerse cuidado con las numerosas variables que no se estudiaron a pesar de la cantidad de casos empleados, especialmente las variaciones locales.El dilema de comportamiento óptimo contra el menor costo real solo puede resolverse empleando el mejor criterio y la mayor experiencia por parte de los diseñadores.