El análisis sísmico es un subconjunto del análisis estructural y es el cálculo de la respuesta de una estructura edificable (o no edificable ) a los terremotos . Es parte del proceso de diseño estructural , ingeniería sísmica o evaluación y modernización estructural (ver ingeniería estructural ) en regiones donde los terremotos son frecuentes.
Como se ve en la figura, un edificio tiene el potencial de "agitarse" 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 elevados, que se activan únicamente durante los terremotos. La figura solo muestra el segundo modo, pero hay modos de "vibración anormal" más altos. Sin embargo, el primer y 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 fue adoptado en el apéndice del Código Uniforme de Construcción (UBC) de 1927, que se utilizó en la costa oeste de los Estados Unidos. Más tarde quedó claro 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 según el número de niveles del piso (basado en una investigación realizada en Caltech en colaboración con la Universidad de Stanford y el Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos , 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 inversa 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 por computadora, dirigida por el profesor Ray Clough (quien acuñó el término elemento finito . [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 ahora utilizan 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.
Este enfoque define una serie de fuerzas que actúan sobre un edificio para representar el efecto del movimiento del suelo sísmico , típicamente definido por un espectro de respuesta de diseño sísmico . Se 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 (ya sea calculada o definida por el código de construcción ). La aplicabilidad de este método se amplía en muchos códigos de construcción mediante la aplicación de factores para tener en cuenta edificios más altos con algunos modos más altos y 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 fuerzas).
Este enfoque permite tener en cuenta los múltiples modos de respuesta de un edificio (en el dominio de la frecuencia ). Esto es requerido en muchos códigos de construcción para todos excepto para estructuras 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 ". Se puede utilizar el análisis por computadora para determinar estos modos para una estructura. Para cada modo, se lee una respuesta del espectro de diseño, basada en 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 combinados incluyen los siguientes:
El resultado de un análisis del espectro de respuesta que utiliza el espectro de respuesta de un movimiento del suelo suele ser diferente del que se calcularía directamente a partir de un análisis dinámico lineal utilizando ese movimiento del suelo directamente, ya que la información de fase se pierde en el proceso de generar el espectro de respuesta.
En los casos en que las estructuras son demasiado irregulares, demasiado altas o de importancia para una comunidad en la respuesta a desastres, 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.
Los procedimientos estáticos son apropiados cuando los efectos de modo superior no son significativos. Esto suele ser cierto para edificios cortos y regulares. Por 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 amortiguación viscosa equivalente.
La entrada sísmica se modela mediante análisis espectral modal o análisis de historia temporal, pero en ambos casos, las fuerzas internas y desplazamientos correspondientes se determinan mediante análisis elástico lineal. La ventaja de estos procedimientos dinámicos lineales con respecto a los procedimientos estáticos lineales es que se pueden considerar modos superiores. Sin embargo, se basan en una respuesta elástica lineal y, por tanto, la aplicabilidad disminuye al aumentar el 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 suelo se calcula en el dominio del tiempo y, por lo tanto, se mantiene toda la información de fase . Sólo se suponen propiedades lineales. El método analítico puede utilizar la descomposición modal como medio para reducir los grados de libertad en el análisis.
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 los criterios de aceptabilidad para evitar un desempeño no deseado. Por lo tanto, los procedimientos que incorporan análisis inelásticos pueden reducir la incertidumbre y el conservadurismo.
Este enfoque también se conoce como análisis "fácil de convencer". Se aplica un patrón de fuerzas a un modelo estructural que incluye propiedades no lineales (como la fluencia del acero) y la fuerza total se traza frente a un desplazamiento de referencia para definir una curva de capacidad. Luego, esto se puede combinar con una curva de demanda (normalmente en forma de espectro de respuesta de aceleración-desplazamiento (ADRS)). Básicamente, esto reduce 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 derivas de la historia y las acciones de los componentes se relacionan posteriormente con el parámetro de demanda global mediante las curvas de capacidad o pushover que son la base de los procedimientos estáticos no lineales.
El análisis dinámico no lineal utiliza la combinación de registros del 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 del 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 suma de cuadrados de raíces cuadradas.
En el análisis dinámico no lineal, las propiedades no lineales de la estructura se consideran parte de un análisis en el 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 temblor sísmico, una evaluación integral requiere numerosos análisis dinámicos no lineales en varios niveles de intensidad para representar diferentes escenarios posibles de terremotos. Esto ha llevado al surgimiento de métodos como el análisis dinámico incremental . [4]
Otras fuentes: