Comportamiento Sísmico y requisitos de diseño para edificios de gran altura de hormigón

En los últimos años ha habido un resurgimiento de la construcción de rascacielos en las grandes ciudades a lo largo de la costa oeste de los EE.UU. A diferencia de anteriores auges de gran altura, la mayoría de los altos edificios nuevos y propuestos son para uso residencial o mixto en lugar de para oficinas. Construcción de hormigón es a menudo favorecida, y muchos de los nuevos rascacielos utilizar núcleo de hormigón de la pared de la construcción sin marcos momento suplementarios en el sistema de sísmica de la fuerza-resistencia.
Núcleo de hormigón de la pared de la construcción puede ofrecer ventajas de menores costos, mayor rapidez de construcción y la arquitectura más abierta y flexible. El ahorro de costes y el calendario se dio cuenta, porque las paredes del núcleo edificios resistir las fuerzas sísmicas y deformaciones sin los pórticos que se utilizan en el tradicional de gran altura de la construcción. Al eliminar la necesidad de marcos de momento, los miembros más pequeños de encuadre o losas planas se pueden utilizar para los pisos del edificio, y la profundidad de enmarcar plantas se pueden reducir.
En un edificio de pared central, resistencia a las fuerzas sísmicas es proporcionada por un núcleo de hormigón armado que rodea los ascensores. Las escaleras, los baños y mecánicos / servicio de los usos también pueden localizarse en el núcleo. Para edificios de 300 pies o más de altura, el núcleo de hormigón por lo general tiene una dimensión mínima de 30 pies en cada dirección en planta, con paredes que son de 18 a 30 pulgadas de espesor (Figura 1). Aberturas regulares se utilizan en los muros del núcleo, y las vigas de acoplamiento por encima de las aberturas son reforzados y detallados para disipar la energía del terremoto.

Figura 1: Hormigón núcleo pared del edificio en construcción, el Washington Mutual / Seattle Art Museum, Magnusson Klemencic Asociados, Ingenieros Estructurales.

Código de aceptación de no-prescriptivo Designs

En zonas sísmicas de alto, las disposiciones preceptivas de los códigos de construcción de Estados Unidos no permiten que el núcleo del sistema de pared estructural para edificios de más de 240 pies de altura, sin embargo, en la construcción de las disposiciones del código que permiten los sistemas alternativos de construcción, las autoridades han concedido la aprobación a los edificios de la pared del núcleo de más de 240 pies de altura con el proceso de Peer Review sísmica. (Ver recuadro). El ingeniero de registro es necesario para identificar las excepciones que se están tomando a los requisitos preceptivos, y para demostrar a un revisor experto que el edificio ofrece un rendimiento al menos sísmica equivalente a la que implícita o como resultado de las prescripciones normativas del código de construcción .
La tarea del ingeniero de grabación es mostrar que un edificio cumple con los criterios de realización equivalentes definidas en la Sección 104.11 IBC:
104.11 Los materiales alternativos, el diseño y los métodos de construcción y equipamiento. Las disposiciones del presente Código no están previstas para impedir la instalación de cualquier material o de prohibir cualquier diseño o método de construcción que no esté específicamente previsto en el presente Código, siempre que cualquiera de estas alternativas ha sido aprobada. Un material alternativo, el diseño o método de construcción deberán ser aprobados en el funcionario de la construcción se encuentra que el diseño propuesto es satisfactorio y cumple con la intención de las disposiciones de este Código, y que el material, el método o el trabajo que se ofrece es, para los fines previstos , por lo menos el equivalente de la prescrita en el código en la calidad, resistencia, eficacia, resistencia al fuego, durabilidad y seguridad.
Para los que no prescriptivas diseños sísmicos, el desempeño se evalúa con respecto a la fuerza, la eficacia y seguridad. Diseños sísmicos alternativos o no prescriptivo también son aceptados en el código de construcción por la ASCE 7-05, Sección 12.1.1, párrafo 3:
Sísmicas que resisten la fuerza-los sistemas que no están contenidas en la Tabla 12.2-1 se permitirá si los datos analíticos y de ensayo se sostiene que establecer las características dinámicas y demostrar la fuerza de resistencia lateral y capacidad de disipación de la energía son equivalentes a los sistemas estructurales que figuran en la tabla 12.2 -1 para el coeficiente equivalente de modificación de respuesta, R, sistema de coeficiente de sobrerresistencia, Ωo, y factor de amplificación de la desviación, CD, valores.
Aunque la Tabla 12.2-1 de la ASCE 7-05 enumera una serie de tipos de muro de hormigón sísmicos resistentes al fuerza de los sistemas, ninguna de las reglas de diseño de estos sistemas son tan estrictos como los requisitos de diseño de la capacidad general aplicada al diseño de núcleo paredes de edificios altos. Por lo tanto, sobre la base de comportamiento sísmico esperado, la capacidad de diseño y flexión gobernados edificios con paredes de concreto se puede considerar un tipo distinto de sismo-resistente a fuerzas del sistema. Esta distinción existe actualmente en los códigos de construcción fuera de los EE.UU., y ha sido discutido como un posible cambio de los códigos de construcción próximos de Estados Unidos por el American Concrete Institute y el Nacional de Terremotos Peligros Programa de Reducción.

Figura 2: La acción típica no lineal para una pared en voladizo (izquierda) es una bisagra de flexión de plástico en la base de la pared. Para una pared acoplado (derecha) acciones no lineales son flexión rendimiento vigas de acoplamiento y una bisagra de flexión de plástico en la base de la pared.

Capacidad de Diseño

El enfoque de la capacidad de diseño para el diseño sísmico requiere que el ingeniero estructural:
1) Seleccionar un mecanismo conveniente de no-lineal deformación lateral de la estructura, que identifica los elementos estructurales y las acciones que se van a someter respuesta no lineal. El mecanismo no debe conducir a deformaciones concentradas no lineales tales como ocurre, por ejemplo, con un mecanismo de historia.
2) Asegúrese de que el detalle de los elementos designados no lineal proporciona la capacidad de ductilidad adecuada, es decir, permite que los elementos de deformar mucho más allá del rendimiento, sin degradación de la resistencia significativa.
3) Diseñar todos los demás elementos y acciones de la estructura de elástico, o la respuesta, casi elástica.
Para un núcleo de hormigón de la pared edificio en el desplazamiento lateral terremoto, el mecanismo deseado consta de bisagra de plástico a la flexión cerca de la base de la pared del núcleo y la flexión de las vigas de acoplamiento produciendo, como se muestra en la Figura 2.Algunos edificios de pared núcleo-han acoplamiento vigas sólo en la dirección del plan, con paredes en la dirección de otro plan de calidad de las paredes en voladizo, como se muestra en la Figura 2.El muro en voladizo está diseñado para desarrollar una rótula plástica única en su base. En cada dirección del plan, rebordes de la pared, por lo general incluyendo todo el núcleo de la sección de la pared, contribuir a la capacidad de momento global.
Los elementos no lineales de la estructura de vigas de acoplamiento – y la bisagra de la base de plástico – se detallan para la respuesta dúctil. Otros elementos y acciones de la estructura, tales como muros de cortante, momento en la pared fuera de la zona de bisagra de piso, techo y los diafragmas, y las fundaciones – se les da la fuerza suficiente para que su comportamiento será esencialmente elástico. La tabla 1 recoge los elementos estructurales y las acciones de un edificio central de la pared que suelen estar diseñados para un comportamiento no lineal y los que están diseñados para elástica “, la capacidad de protección” de comportamiento.

Figura 3: Muro de hormigón en su defecto en el corte en el terremoto de Kobe en 1995. Capacidad de diseño tiene como objetivo proteger en contra de tal modo de falla.

Flexión-Gobernados Diseño

Una consideración importante en el diseño del sistema de pared de hormigón es proteger contra la falta de cizallamiento en la pared. Una pared gobernada por flexión rendimiento mantendrá su lateral fuerza de resistencia a través de grandes desplazamientos y se deforma de un modo que distribuye la deformación sobre la altura del edificio. Un fallo de cizallamiento, por el contrario, conduce a una degradación de la fuerza y ​​puede causar una concentración de la deformación y el daño sobre una altura limitada (Figura 3). Flexión-gobernados respuesta proporciona una mayor seguridad contra el colapso en un terremoto severo.
El proceso de diseño sísmico para la pared de hormigón del núcleo de edificios se basa en métodos que se establecieron en la Nueva Zelanda y los códigos de construcción en Canadá a partir de la década de 1970. Un gran número de núcleos de pared rascacielos se construyeron en Vancouver antes de que la metodología se ha aplicado, con revisión por pares sísmica, los edificios de gran altura en el área de Seattle y otros lugares en los EE.UU.

Capacidad de diseño no lineal con la historia de respuesta-análisis

El enfoque de diseño de la capacidad se ha desarrollado y promovido principalmente por los investigadores y los ingenieros en Nueva Zelanda, en un momento en el análisis de capacidad de la computadora eran limitadas. No lineal de la historia de respuesta (NLRH) los análisis se realizaron sólo es factible en los equipos universitarios de gran tamaño utilizando modelos bidimensionales de estructuras simplificadas. Los investigadores utilizaron este tipo de análisis para obtener los requisitos detallados para el diseño de capacidades que podrían aplicarse a simple análisis estático y lineal y prácticas de diseño.
Estos detalles de diseño de creación de requisitos, tales como factores de amplificación dinámica de corte, siguen siendo útiles, sobre todo para estructuras regulares de menos de 20 historias y para el diseño preliminar de las estructuras más altas. Hoy en día, gracias a los avances recientes y la disponibilidad de software de análisis estructural, la capacidad de enfoque de diseño se pueden combinar con análisis específicos NLRH creación de capacidad para diseñar edificios de gran altura y verificar el desempeño sísmico aceptable.

Tabla 1: típicos elementos no lineales y capacidad protegido para un edificio de núcleo de pared de hormigón con losas planas.

Dos etapas del proceso de diseño

Núcleo de paredes de edificios altos puede ser diseñado de acuerdo a un proceso de dos etapas que sigue el enfoque de capacidades de diseño y evalúa el desempeño sísmico bajo fuertes movimientos sísmicos terrestres.
La primera etapa del proceso consiste en diseñar el edificio que se cumplen todas las disposiciones del código (salvo excepciones identificadas, tales como el límite de altura). Esto significa que los elementos designados rendimiento del edificio, a saber, el diseño a la flexión de la zona de bisagra de núcleo de pared y las vigas de acoplamiento, están diseñados para las demandas a nivel de código, incluyendo el factor R código. En los edificios altos, con largos períodos de tiempo, esta demanda a nivel de código normalmente se rige por los requisitos mínimos de cortante en la base (Figura 4).
La segunda etapa es analizar la estructura mediante un análisis NLRH en el máximo terremoto Considerado (EMC) el nivel de movimiento del suelo. El nivel MCE se define actualmente en la construcción de los códigos que corresponden a un período de retorno 975-años en California y alrededor de un período de retorno 2500-año en otra parte. El propósito de este análisis es:
1) Verificar que el comportamiento esperado sísmica de la estructura se rige por el mecanismo previsto, con un comportamiento no lineal que ocurre sólo en los elementos estructurales designados.
2) Verifique que todos los otros mecanismos potenciales y las acciones siguen siendo esencialmente elástico. Al evaluar las acciones destinadas a permanecer elástica, el diseño debe considerar la dispersión de los resultados NLRH, y no sólo el promedio de respuesta.
Correctamente aplicada, el análisis NLRH toma el lugar de aplicar el código prescrito sobre-fuerza factor, W0, para acciones destinadas a permanecer elástica.

Figura 4: ecuaciones mínimas de base de cizallamiento para los códigos de construcción recientes, como una función de los parámetros S1 suelo de movimiento.

Semi-Basada en la Performance de diseño

El enfoque de diseño podría ser considerado un “semi-basado en el rendimiento”. La evaluación a nivel de código aspira a que el diseño cumple todos los requisitos de códigos normativos con los que es lógico que el diseño cumple, sin evaluar el desempeño sísmico. La evaluación de nivel MCE explícitamente considera que el rendimiento de la estructura a un nivel en el cual la estructura no debería colapsar. Esta evaluación utiliza el estado de la técnica de los métodos de análisis, y la fuerza estructural y la capacidad de deformación sobre la base de espera en lugar de los valores nominales. Historia de las limitaciones de deriva se puede comprobar a nivel de código, y también en el nivel de EMC, por ejemplo, utilizando el promedio de las carreras de historia de respuesta y tomando la deriva aceptable como 1.5 veces mayor que en el código de construcción.
Una evaluación basada en el desempeño de la capacidad de servicio en caso de terremotos moderados en tierra también se pueden añadir a la aproximación de diseño. Para los edificios de pared núcleo-la evaluación de servicio podría incluir una evaluación explícita del nivel de movimiento del suelo para que el daño acoplamiento viga afecta a la ocupación post-terremoto del edificio. La determinación acerca de la importancia de los diversos niveles de daños en el acoplamiento del haz, con base en resultados de investigación, sería necesario para dicha evaluación.

Interacción con el sistema de gravedad

En la práctica habitual de diseño sísmico, el ingeniero estructural designa ciertos elementos para formar parte del Sistema Sísmico resistente a fuerzas. Para los edificios de hormigón, es decir, normalmente las paredes estructurales y los marcos de momento. Enmarcar la gravedad no suele incluirse en el análisis lateral para la resistencia a los terremotos, sino que es evaluado por su capacidad para mantener las deformaciones sísmicas impuestas. En realidad, los sistemas de la gravedad de encuadre contribuir a un cierto grado de resistencia lateral de la fuerza, y esta contribución debe ser considerada en el diseño de edificios de gran altura, sobre todo en la evaluación a nivel de MCE.
Para los edificios de la pared del núcleo de hormigón con losa plana de plantas, el sistema de gravedad estructural se compone de los forjados y columnas de apoyo. El desplazamiento lateral de la pared central y las columnas del edificio induce momentos y esfuerzos cortantes en las losas de piso, que actúan como estabilizadores “no intencionales” que aumentan la resistencia lateral del edificio. A menudo, el desplazamiento lateral en MCE de nivel los movimientos de tierra es suficiente para causar la flexión produciendo en las losas. Cediendo de los forjados es típicamente aceptable, mientras que otros modos de fallo como punzonamiento de las deformaciones inducidas debe prevenirse (Tabla 1).
Otros dos aspectos de este efecto de losa estabilizadores son importantes para los ingenieros a evaluar. La primera es que la cizalladura en la pared central se incrementa, y la segunda es que las fuerzas sísmicas axiales se generan en la “gravedad” columnas. Estas demandas deben ser incluidos en el diseño de cizallamiento de la pared del núcleo y en el diseño de las columnas.

Tabla 2: Diferencias entre revisión por pares sísmica y de revisión de planos estructurales

Definición de Comportamiento Sísmico Equivalente

El criterio de equivalencia IBC requiere que el desempeño sísmico del edificio como “al menos el equivalente a la establecida en este código.” En la evaluación de desempeño sísmico, el Ingeniero de grabación y Revisor debe tener en cuenta tanto las intenciones del código de construcción, y el rendimiento que resulta de un diseño de código prescriptivo con comportamiento sísmico buena.
Una cuestión problemática es que el código de construcción está previsto comportamiento sísmico se define sólo en términos generales (Sección SEAOC Libro Azul C101.1), y puede ser imposible para cada vez más define específicamente la intención de comportamiento sísmico de los códigos de construcción. Parte de la razón es que las actuales normas de diseño para los distintos sistemas sísmicos en el código de construcción puede resultar en niveles muy diferentes de comportamiento sísmico de un sistema a otro. Otra parte de la razón es que los supuestos utilizados en el intento de definir el desempeño sísmico – movimiento de tierra, el suelo y las propiedades de la estructura, no lineales, las demandas, la capacidad de deformación, etc todos incluyen una incertidumbre significativa. Esta incertidumbre se relaciona tanto con la variabilidad inherente de terremotos y los fenómenos materiales, y las limitaciones en nuestro conocimiento de los mejores métodos y supuestos para su uso en todos los pasos de predicción de comportamiento sísmico.
Por las razones mencionadas anteriormente, la predicción de comportamiento sísmico es complejo e incierto, y por lo tanto las intenciones de código se define sólo en términos generales.Por lo tanto, si uno sólo tiene en cuenta las intenciones de código, de juzgar si el comportamiento sísmico de un diseño no-prescriptivo es “equivalente al código” puede ser difícil. En consecuencia, puede ser útil si se tiene en cuenta, además de las intenciones de código, el comportamiento sísmico que se espera que el resultado de la concepción de código normativo de un edificio similar al diseño del trabajo no-prescriptivo que se trate.
Esta consideración puede ser útil en la evaluación del rendimiento equivalente a las partes de un diseño estructural que no están estrechamente relacionados con las excepciones preceptivas que se están tomando con métodos alternativos de diseño. Un punto a recordar aquí es que, debido a los códigos de construcción no son perfectos, es posible diseñar un edificio de gran altura que cumpla con todos los requisitos de los códigos prescriptivos, y sin embargo sigue dando lugar a un desempeño inadecuado en un terremoto. (Por ejemplo, una falla de corte en una pared junto con una concentración de deformación no lineal en sólo unas cuantas historias.) Un punto de referencia no sería aceptado como un rendimiento equivalente, porque no se ajusta a la intención del código.No es aceptable para otorgar equivalencia a un bajo rendimiento, sin embargo, compatible con el código de construcción. ▪

Peer Review sísmica frente de revisión de planos estructurales

Por tanto Peer Review sísmica y de revisión de planos estructurales, el trabajo del ingeniero de registro se somete a un examen independiente y objetivo por otro ingeniero con licencia. Mientras revisión de planos estructurales han sido durante mucho tiempo parte del proceso de permisos para la mayoría de los edificios, el paso adicional de Peer Review sísmica se ha vuelto más común en la última década debido a una mayor realización que el desempeño sísmico buena puede depender más de la conformidad con la creación de código de recetas. Las diferencias entre los Peer Review sísmica y de revisión de planos estructurales se resumen en la Tabla 2. El Colegio de Ingenieros Estructurales de California, ha escrito guías de práctica profesional en la revisión por pares.
Ni una Peer Review sísmica ni de revisión de planos estructurales alivia el ingeniero a cargo de ser totalmente responsable del diseño estructural. Tanto la revisión por pares sísmica y de revisión de planos estructurales deben llevarse a cabo con el objetivo de proporcionar una revisión imparcial e independiente del Ingeniero de la obra de Record.
Peer Review sísmica debe comenzar durante las primeras fases de un proyecto e incluir un examen de los conceptos básicos de diseño, objetivos, criterios y propuestas para el proyecto. Las decisiones importantes que afectan al diseño sísmico se revisan en todo el proyecto con la consideración del comportamiento sísmico esperado. Por lo general los comentarios del revisor Peer están documentadas en un registro de observación, junto con el Ingeniero de la respuesta del Registro, las referencias a asociados seguimiento de los comentarios, y una indicación de si cada comentario se ha resuelto.
Peer Review sísmica puede ser un proceso voluntario que un propietario decide emplear, puede ser solicitada por una autoridad de construcción, o puede ser requerido por el código de construcción. El Código Internacional de Construcción 2006 requiere Peer Review Sísmica (llamado Design Review) cuando la respuesta no lineal de la historia-método de análisis estructural se utiliza, o cuando ciertas soluciones de diseño, como base de aislamiento o de dispositivos de disipación de energía, se utilizan. Autoridades de la construcción suelen requerir una revisión por pares sísmica cuando una alternativa (es decir, no prescriptivo) el método de diseño sísmico que se propone.
Revisión de planos estructurales se centra en determinar si un conjunto de documentos de construcción se ajusta a los requisitos estructurales del código de edificación de gobierno. Revisión de planos estructurales difiere de Peer Review sísmica en lo que cubre la revisión del diseño estructural de la gravedad, el viento y otras cargas, además de los efectos sísmicos. Revisión de planos estructurales es típicamente una revisión de los documentos finales o casi final, y no se centra en la evaluación de desempeño sísmico, sino que en la revisión de un diseño completo para el cumplimiento del código.
Una autoridad de construcción se puede utilizar de revisión de planos estructurales para aprobar o rechazar una solicitud de permiso de construcción. Por el contrario, un revisor sísmico no directamente tienen la autoridad para aprobar o rechazar un diseño. La responsabilidad del Revisor es ofrecer su opinión profesional, por lo general en una carta de conclusiones, a la parte que solicita la revisión por pares.
Revisión de planos estructurales se suelen pagar por la construcción de las cuotas de permisos, mientras que Peer Review sísmica es normalmente un costo adicional para el propietario. En el caso de que solicite la autoridad competente de un edificio una revisión por pares, el revisor a menudo los contratos con la jurisdicción, lo que pasa en el costo para el propietario del edificio.