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| Cátedra Villarreal Posgrado | Lima, Perú | V. 1 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 |
Comportamiento sísmico de edicaciones con sótanos
en la selva peruana, región Loreto
Seismic behavior of buildings with basements in the peruvian jungle,
Loreto region
Amador Pinedo García
1
Duber Enrique Soto Vasquez
2
Abstract
The aim of this investigation was to determine if the buildings with
basements, aect the seismic behavior, in buildings located in the
Peruvian jungle of the Loreto Region, with emphasis on the variation of eorts
in the main frames, and the seismic response. buildings were analyzed
ve (5) stories high with no basements, and with three dierent levels of basements,
1, 2 and 3, located in the Loreto Region, and its Provinces. according to their
seismic and geotechnical conditions of its territorial area. The buildings were
modeled in the ETABS V2016 computer program. The results
referred to the seismic response showed that the oor shear distribution
in buildings with basements were lower on average 32.94% than
the buildings that did not present basements, the moments of oor turning
in buildings with basements they were lower on average of 23.77%
that the buildings that presented basements and mezzanine drifts in
buildings with basements were lower on average by 6.85% than those
buildings that presented basements. Regarding the main eorts, the
basements decreased the eorts in the buildings, in 43.97% and 43.66%
in the shear stresses and bending moments respectively. The strengths
in the structural elements, the incorporation of basement structures
decreases forces. In buildings with ve oors and three levels of basements,
seismic force increases.
Keywords: Basement structure, seismic behavior, vibration periods, internal
forces, shear force.
Resumen
El objetivo de esta investigación fue determinar si las edicaciones con sótanos,
afectan al comportamiento sísmico, en edicaciones ubicadas en la Selva
Peruana de la Región Loreto, con énfasis en la variación de esfuerzos en los
pórticos principales, y la respuesta sísmica. Se analizó edicios de cinco (5)
pisos de altura sin sótanos, y con tres distintos niveles de sótanos, 1, 2 y 3,
ubicados en la Región Loreto, y sus Provincias. De acuerdo a sus condiciones
sísmicas y geotécnicas de su área territorial. Los edicios fueron modelados en el
programa computacional ETABS V2016. Los resultados referidos a la respuesta
sísmica mostraron que la distribución de corte de piso en las edicaciones con
sótanos fueron menores en promedio del 32.94% que las edicaciones que no
presentaron sótanos, los momentos de volteo de piso en las edicaciones con
sótanos fueron menores en promedio del 23.77% que las edicaciones que
presentaron sótanos y las derivas de entrepiso en las edicaciones con sótanos
fueron menores en promedio del 6.85% que las edicaciones que presentaron
sótanos. Respecto a los esfuerzos principales, los sótanos disminuyeron los
esfuerzos en las edicaciones, en 43.97% y 43.66% en los esfuerzos de corte y
momentos ectores respectivamente. Las fuerzas en los elementos estructurales,
la incorporación de las estructuras de sótanos disminuye las fuerzas. En los
edicios de cinco pisos y tres niveles de sótanos, se incrementa la fuerza sísmica.
Palabras Clave: Estructura de sótanos, edicio aporticado, fuerza sísmica,
periodos de vibración.
ISSN 2955-8476 | e-ISSN 2955-8174
Recibido: 16 de septiembre de 2022 | Revisado: 03 de noviembre de 2022 | Aceptado: 10 de noviembre de 2022
1 Escuela Universitaria de Posgrado – UNFV. Lima, Perú
Correo: amadorpigar@hotmail.com
2 Escuela Universitaria de Posgrado – UNFV. Lima, Perú
Correo: dsoto@unfv.edu.pe
https://orcid.org/0000-0001-5855-7045
https://doi.org/10.24039/rcvp2022121641
Este artículo es de acceso abierto distribuido
bajo los terminos y condiciones de la licencia
Creative Commons Attribution-
NonCommercial- ShareAlike 4.0 International
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Introducción
Uno de los temas actuales más discutidos en la
ingeniería sísmica es respecto sobre el análisis, diseño y
comportamiento sísmico de edicaciones con sótanos,
donde surge la controversia de incorporar o no estos
sótanos en los respectivos análisis y diseños sísmicos,
para poder analizar correctamente los efectos de estos
sótanos en la respuesta sísmica de las estructuras.
Esto ha conllevado en la última década a generar
diversas investigaciones para determinar la incidencia
de estos sótanos en los análisis y diseños sísmicos de
edicaciones y viviendas.
La Ocina Regional para las Américas de
la Organización Mundial de la Salud (OMS), La
Organización Panamericana de la Salud – OPS (2021),
en sus documentos estratégicos de la OPS/OMS
menciona:
Un terremoto puede ser denido como un temblor
en la tierra causado por ondas moviéndose
causando: fallas de la supercie, tremores
vibratorios, licuefacción, derrumbes, temblores
y/o tsunamis. A nivel mundial, más un millón de
sismos ocurren mundialmente, resultando en un
promedio de dos sismos por minuto. Un terremoto
de gran magnitud en una zona urbana es uno de
los peores desastres naturales que pueden ocurrir.
Durante las últimas cuatro décadas (1970-2017),
los terremotos han causado más de un millón de
fatalidades a nivel mundial en Armenia, China,
Ecuador, Guatemala, Haití, Irán, India, Indonesia,
Japón, México, Pakistán, Perú y Turquía. La
desmesurada urbanización en diversas partes
sísmicamente activas del mundo, da resultado
a mega ciudades con densidades poblacionales
de 20 000 a 60 000 hab/km2. Dichas ciudades
son altamente vulnerables a los efectos negativos
de los terremotos, tales como la alta tasa de
letalidad causada por trauma, asxia, hipotermia
e insuciencia respiratoria aguda, además de
las lesiones y/o fracturas por destrucción de
infraestructura. (Sección Terremotos)
En comunicado de prensa, el Perú refuerza su
capacidad de respuesta ante los desastres naturales con
apoyo del BID (2013):
Debido a su ubicación geográca y a diversos
factores sociales, económicos y demográcos, el
Perú se halla sumamente expuesto a numerosas
amenazas de desastres naturales, como terremotos
con alto potencial de daños. De hecho, el Perú
ha sido calicado como uno de los países más
vulnerable del hemisferio frente a las múltiples
amenazas naturales y ocupa el vigésimo lugar
entre los países económicamente más activos del
mundo en lo atinente a la vulnerabilidad frente a
tres o más sucesos naturales adversos.
El Secretario General Adjunto de la OEA,
Méndez (2021), manifestó:
Ayer tuvimos la oportunidad de recibir la
disertación del Presidente Ejecutivo del Instituto
Geofísico del Perú, Doctor Hernando Tavera, para
dar sustento cientíco al escenario planteado en
este ejercicio, que es un sismo de gran magnitud.
Se habló de la potencialidad sísmica de la Costa
Oeste de las Américas, es decir que este supuesto
escenario para el ejercicio no solo sería para Perú,
sino que puede suceder en cualquier país que se
encuentra en esta parte de la Costa Oeste de las
Américas, para lo cual debemos estar preparados.
Las Américas es una región especialmente
expuesta a terremotos por su ubicación cercana
a placas tectónicas en movimiento y ha sufrido el
efecto de grandes sismos a lo largo de su historia.
Tenemos el terremoto de mayor magnitud
registrado en el mundo que tuvo lugar en la
cuidad de Valdivia en Chile en 1960, dejando a
más de 2 000 muertos y dos millones de personas
damnicadas. También recordamos con mucha
tristeza el sismo que sacudió a Haití en enero del
2010, que dejo más de 300 000 muertos. (párr.
13)
Acedo (2012) realizó un análisis y diseño
sísmico estructural de un edicio destinado a ocinas de
07 pisos y 02 sótanos ubicado en el distrito de Miraores
el cual encontró sobre un terreno de perl tipo S1. El
sistema de techos estuvo conformado por losas macizas
en dos direcciones para los sótanos. Se obtuvieron las
siguientes conclusiones: Las columnas que reciben más
carga axial se acortan más en comparación a las que
reciben menos carga. Durante el proceso constructivo
el acortamiento diferencial se va corrigiendo en cada
operación de vaciado de techo. Para simular esta
corrección producto del proceso constructivo fue
necesario emplear un factor de área para las columnas
con el n de hacerlas más rígidas axialmente. Para
iniciar el análisis sísmico se debió asumir un valor de
factor de reducción R=6, por tener una edicación en
cuyo sistema estructural predominan los muros de
corte en ambas direcciones; además de considerarla
regular. Luego de realizar el análisis correspondiente se
corroboraron ambas suposiciones, el edicio posee una
conguración estructural regular tanto en planta como
en altura y los muros de corte tomaron más del 80%
de la fuerza lateral de sismo. Se utilizó el proveniente
del análisis dinámico, pero se escalaron sus valores
para lograr el 90 % del cortante estático. En cuanto al
diseño por corte de las vigas, en la mayoría de los casos,
el espaciamiento de los estribos está gobernado por las
reglas de connamiento para vigas sismo resistente.
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| Cátedra Villarreal Posgrado | Lima, Perú | V. 1 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 |
Tafur (2012) realizó un estudio acerca del
análisis sísmico de una edicación de seis pisos y un
sótano, para comprobar que el sistema sismo resistente
del edicio cumpla con los requisitos especicados
en la Norma E.030 del RNE. El sistema estructural
del edicio estuvo conformado por placas (muros de
corte), columnas y vigas. Para los techos se usaron
losas aligeradas armadas en un sentido y losas macizas
armadas en dos sentidos, las cuales además funcionan
como diafragmas rígidos en cada piso del edicio.
Dicho estudio llego a las siguientes conclusiones:
es importante vericar que el valor asumido para el
coeciente de reducción “R”, sea consecuente con los
porcentajes de fuerza cortante que se llevan los muros
de corte. Es importante señalar que el empuje del suelo
en el diseño de muros de sótano y calzaduras debe ser
estimado con mucho criterio, ya que este parámetro es
muy variable, y la teoría de Rankine estudiada en este
trabajo es aplicable sólo a suelo granulares y secos.
Además, el aporte de la cohesión aparente del suelo
también deberá ser tomado con cuidado, ya que su valor
depende mucho de las condiciones reales del suelo. Por
ello, es importante que en obra se tome las medidas del
caso ante cualquier hecho imprevisto. En los últimos
años, en la ciudad de Lima se ha visto muchos casos
donde este tipo de accidentes han cobrado gran cantidad
de vidas humanas.
Singh y Mala (2016) realizaron una
investigación acerca del efecto de los sótanos en la
respuesta sísmica de un edico considerando el efecto
de la interacción suelo estructura. Para realizar el
estudio se analizó un edicio de 9 pisos, fue modelado
en SAP2000 V14 con dos condiciones de base
diferentes, es decir, modelo de base ja convencional
y modelo de base exible considerando la interacción
suelo-estructura. El edicio de base ja se consideró a
nivel del suelo, mientras que la construcción de base
exible estaba conformada por múltiples sótanos. En
la investigación se concluyó que tanto para el suelo de
arena bien gradada (SW) como para el suelo arenoso con
grava (ML), el cortante en planta disminuye en el piso
superior y medio, y aumenta en los pisos de fondo. Con
el aumento del número de sótanos, el desplazamiento de
los pisos aumentó en cada nivel comparado con el de la
construcción sin sótanos. El período natural de vibración
aumentó al considerar la exibilidad del suelo lo que
resulta en un aumento de la exibilidad del edicio. Se
incrementó la deriva entre pisos en el edicio de base
exible en cada piso comparado con el edicio de base
ja. Los desplazamientos del techo también aumentaron
al considerar la interacción de la estructura del suelo
que a veces causa un efecto adverso sobre la estructura
en términos de un gran desplazamiento de los pisos
superiores que causa molestias a los ocupantes.
Navya y Karuna (2016) manifestaron que la
respuesta sísmica de un edicio con sótanos que incluye
la interacción de la estructura del suelo. La estructura
fue modelada con diferentes tipos de suelo. Para el
propósito del análisis, se adoptó el método del espectro
de respuesta. El software utilizado para el estudio fue
SAP2000. Los diferentes modelos considerados son
modelo de base ja, Winkler y modelo FEM. En el
modelo FEM, el suelo se supuso como continuo elástico
lineal, con una profundidad igual a 1,5 veces la base
del edicio. Estos autores concluyeron que la fuerza
de cizallamiento o corte y el momento de exión son
máximos para el edicio que descansa sobre el suelo
blando y mínimo para el edicio que descansa sobre
el suelo duro. Cuando se considera los parámetros de
desplazamiento y la deriva entrepisos, se observa que
el desplazamiento y la deriva entrepisos son máximos
para el suelo blando y mínimos para el suelo duro. La
magnitud del cizallamiento o cortante de la base se
encuentra como mínimo para el modelo FEM y como
máximo para el edicio que descansa sobre suelos
blandos. Se observó que el periodo de tiempo es máximo
para el modelo FEM y máximo para el edicio que
descansa en suelo blando.
Parekh et al. (2016) realizaron un análisis a
diversas investigaciones enfocadas en el estudio del
comportamiento sísmico de edicios con sótanos bajo
carga sísmica, concluyendo que se observa la variación
de las propiedades dinámicas tales como el período de
tiempo natural, el coeciente de aceleración sísmica,
el cizallamiento o cortante de la base y el momento
de exión. La cizalladura o cortante de la base de la
estructura aumenta debido al efecto de la interacción
suelo estructura. Para suelos blandos el efecto es más
en comparación con el suelo duro. Las variaciones
porcentuales son menores para el edicio de baja altura
y aumenta con el aumento de la altura de los sótanos.
El aumento en la exibilidad del suelo y la altura de los
sótanos amplica el aumento de la cizalla o corte en la
tasa más alta. A medida que aumenta el número de pisos
en el edicio, la cizalladura o cortante de la base y el
desplazamiento aumentan. El método FEM es útil para
estudiar el efecto de la estructura del suelo interacción.
Katarmal y Shah (2016) investigaron la respuesta
sísmica de edicios irregular con sótanos considerando
la interacción suelo-estructura. Los edicios son
modelados en SAP2000, se utilizan tres tipos de suelo,
es decir, suelo duro, medio duro y blando. El suelo es
modelado como modelo de resorte o continuo Elástico
(FEM) y el modelo de Winkler (modelo de resorte), el
análisis se ha realizado para dos casos diferentes uno con
base ja sin considerar la interacción suelo-estructura y
otro con base exible considerando la interacción suelo-
estructura. Estos autores concluyeron que durante el
análisis de la estructura en la base ja en la fundación
se sustituye por el resorte o si se modela el suelo como
un FEM la respuesta de los cambios de estructura en el
caso de suelos blandos la cizalladura o cortante de la
base aumenta aprox. 9-30% comparado con el modelo
Winkler y FEM. En el caso de suelos blandos, el efecto
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del suelo es predominante, por lo que se debe considerar
la interacción de la estructura del suelo en caso de suelos
blandos en las zonas de terremotos. Se observó que el
porcentaje de desplazamiento en la dirección X e Y se
incrementa con el aumento de la exibilidad del suelo.
A partir del estudio, se observó que el porcentaje de
desplazamiento en la dirección X e Y para FEM es más
comparado con los modelos de base ja. A medida que
aumenta el número de pisos en el edicio, la cortante
de la base y el desplazamiento aumentan. En el caso de
suelos blandos, se ha recomendado la interacción de la
estructura del suelo a medida que aumenta la altura del
edicio. El método FEM es un método útil para estudiar
el efecto de la interacción de la estructura del suelo.
La Sismología, es una rama de la geofísica que
se encarga del estudio de terremotos y la propagación
de las ondas elásticas (sísmicas) que se generan en el
interior y la supercie de la Tierra, asimismo que de las
placas tectónicas. Estudiar la propagación de las ondas
sísmicas incluye la determinación del hipocentro (o
foco), la localización del sismo y el tiempo que este haya
durado. Un fenómeno que también es de interés es el
proceso de ruptura de rocas, ya que este es causante de
la liberación de ondas sísmicas.
La sismología incluye, entre otros fenómenos,
el estudio de maremotos y marejadas asociadas
(tsunamis) y vibraciones previas a erupciones
volcánicas. En general los terremotos se originan en
los límites de placas tectónicas y son producto de la
acumulación de tensiones por interacciones entre dos
o más placas. Las placas tectónicas (placas litosféricas)
son una unidad estructural rígida, con un espesor de 100
km aproximadamente, que constituye la capa esférica
supercial de la tierra, según la teoría de la tectónica de
placas (esta teoría explica la particularísima distribución,
en zonas alargadas y estrechas, de terremotos, volcanes y
cordilleras; así mismo, la causa de la deriva continental).
Los sismos, terremotos o temblores de tierra,
son vibraciones de la corteza terrestre, generadas por
distintos fenómenos, como la actividad volcánica, la
caída de techos de cavernas subterráneas y hasta por
explosiones. Sin embargo, los sismos más severos
y los más importantes desde el punto de vista de la
ingeniería, son los de origen tectónico, que se deben a
desplazamientos bruscos de las grandes placas en que
está subdividida dicha corteza. Esta vibración de la
corteza terrestre la que pone en peligro las edicaciones
que sobre ella se desplantan, al ser éstas solicitadas por el
movimiento de su base. Por los movimientos vibratorios
de las masas de los edicios, se generan fuerzas de inercia
que inducen esfuerzos importantes en los elementos de
la estructura y que pueden conducirla a las principales
características del movimiento de placas y generación de
sismos. Mecanismos de subducción. El sismo se genera
por el corrimiento de cierta área de contacto entre placas.
Se identica un punto, generalmente subterráneo, que
se denomina foco o hipocentro, donde se considera se
inició el movimiento; a su proyección sobre la supercie
de la tierra se le llama epicentro (Bazán y Meli, 2005).
Resulta importante vericar el cumplimiento
de los principios, teorías y paradigmas fundamentales en
el buen comportamiento sísmico de las edicaciones con
sótanos en la Selva Peruana, de la Región Loreto, del
Perú. Pues ante el mal desempeño sísmico de estructuras
sismo resistentes modernas durante eventos sísmicos
recientes ha puesto en evidencia que la conabilidad
del análisis y diseño sísmico presenta grandes
inconsistencias en estas estructuras que presentan este
sistema estructural, lo cual ha enfatizado la necesidad
de replantear las metodologías actuales de análisis y
diseño sísmico, es por ello que se trató de solucionar
estas inconsistencias realizando esta investigación
para obtener resultados conables y aproximados a la
realidad, para lograr diseños que no sólo cumplan con
las disposiciones mínimas reglamentarias, sino que
adicionalmente satisfagan las demandas del cliente en
cuanto a tiempo de elaboración del proyecto estructural
con suciente claridad y cantidad de detalles, costo
de obra dentro de las expectativas presupuestarias del
inversionista, facilidad constructiva para el contratista
general, etc.
El objetivo de esta investigación fue determinar
el efecto de los sótanos en el comportamiento
sísmico de los edicios aporticados para vivienda y
edicaciones en la Selva Peruana de la Región Loreto,
con énfasis en la variación de esfuerzos en los pórticos
principales, y la respuesta sísmica, debido a la carencia
de especicaciones o recomendaciones en la Norma
Peruana de Diseño Sismorresistente E.030 – 2019, sobre
cómo se debe considerar la inclusión de los sótanos en
el análisis sísmico, del sistema estructural aporticado,
para obtener un análisis más preciso acerca del
comportamiento sísmico de edicaciones con sótanos.
Materiales y métodos
Se analizó edicios de cinco (5) pisos de altura
sin sótanos, y con tres distintos niveles de sótanos, 1,
2 y 3, ubicados en la Región Loreto, y sus Provincias.
De acuerdo a sus condiciones sísmicas y geotécnicas de
su área territorial. Los edicios fueron modelados en el
programa computacional ETABS V2016.
Para el cálculo del comportamiento sísmico
se usó el sistema convencional empleando el método
analítico teórico fundamentado en diversas teorías,
teoremas y leyes de cálculo estructural. Se usó el método
automatizado que se expresa en unas hojas de resultados
obtenidas del programa computacional ETABS V2016.
Características del edicio: Es una
edicación destinada a uso de tiendas comerciales.
Se han desarrollado 48 modelos estructurales, en
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| Cátedra Villarreal Posgrado | Lima, Perú | V. 1 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 |
concordancia con la muestra del estudio, en la que se
consideró la zonicación, el tipo de suelo, la altura de la
superestructura, y los niveles de la estructura de sótanos.
La superestructura de la edicación tuvo una altura
de entre piso de 300 metros y un área de 324 m
2
. La
estructura del sótano, tuvo una altura de entrepiso de 3.5
metros y un área de 626 m
2
.
a. Materiales utilizados
Las características y propiedades mecánicas
de los materiales que se utilizaron se detallan a
continuación:
a.1. Concreto Armado
Resistencia a la Compresión Simple: F´c = 280
kg/cm2
Deformación Unitaria Máxima: ε_cu = 0.003
Módulo de Elasticidad: E = 250998. 01 kg/cm
2
Módulo de Poisson: ν = 0.20
Módulo de Corte: G=E/(2(1+υ))
a.2. Acero de Refuerzo Grado 60
Esfuerzo de Fluencia F´y = 4200 kg/cm
2
Módulo de Elasticidad E_s = 2 x 106 kg/cm
Deformación Unitaria de Fluencia = 0.002
b. Estructuración del edicio
La estructuración consiste en distribuir los
elementos estructurales siguiendo una serie de criterios
y tomando como base los planos de arquitectura. Es
el primer paso que se sigue para diseñar un edicio y
uno de los más importantes, ya que de la estructuración
dependerá la variabilidad de los resultados del análisis
estructural respecto de las fuerzas reales, y también si la
predicción del comportamiento de la estructura durante
un sismo se acerca a la realidad, por lo que es importante
tener una estructuración tan simple como sea posible. Al
encontrarnos en un país sísmico, la estructuración de un
edicio debe satisfacer dos solicitaciones importantes:
las cargas de gravedad y las fuerzas de sismo. Esta debe
garantizar la seguridad de las personas que se encuentren
dentro de la misma permitiendo un adecuado desempeño
durante toda su vida útil.
b.1. Criterios de estructuración y diseño
Mientras más compleja sea la estructura, es
más difícil predecir su comportamiento sísmico; por
esta razón, es recomendable que la estructura sea lo más
simple posible de manera que el análisis sísmico que se
realice sea lo más cercano a la realidad (Blasco 1994).
Blanco (1994), señala los principales criterios
a tener en cuenta para estructurar un edicio, a
continuación, se muestran los más importantes:
Simplicidad y simetría
Se buscó que la edicación sea simple y
simetría en su estructuración porque esto ayuda a que
tenga un buen desempeño sísmico. Esto es debido a dos
motivos principales:
• Los modelos realizados para obtener las
solicitaciones en los elementos de un edicio
son más precisos en estructuras simples. Cuando
se analizan estructuras complejas nos veremos
obligados a hacer simplicaciones que nos
pueden llevar a resultados que no se adecuan con
la realidad.
• La predicción del comportamiento sísmico de
una estructura es mucho más cercana a la realidad
en edicios simples y simétricos. Un edicio no
simétrico generalmente presenta problemas de
torsión debido a la excentricidad entre sus centros
de masa y rigidez, los cuales son difíciles de
cuanticar y pueden aumentar considerablemente
los esfuerzos durante un sismo.
Resistencia y Ductilidad
Se vericó que el sistema de resistencia sísmica
en por lo menos dos direcciones ortogonales de la
estructura, a n de garantizar su estabilidad.
Uniformidad y Continuidad
Se consideró evitar cambios bruscos en las
rigideces de los elementos, tanto en planta como en
elevación. Generalmente un cambio en la continuidad
genera un comportamiento no deseado, los esfuerzos se
concentran en las zonas cuyas dimensiones se reducen
causando daños en la estructura.
Rigidez Lateral
Se consideró proveer al edicio de elementos
estructurales que aporten rigidez lateral en sus
direcciones principales, ya que éstos ayudan a controlar
los desplazamientos durante un sismo, y así evitar los
daños a las estructuras y elementos no estructurales.
Existencia de diafragmas rígidos
Se consideró la existencia de una losa rígida
en su plano, de tal manera que permita considerar a
la estructura como una unidad con desplazamientos
compatibles entre sí. Como consecuencia de esto se
puede distribuir las fuerzas horizontales aplicadas entre
los pórticos y placas de acuerdo a su rigidez lateral.
b.2. Estructuración
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La estructuración del edicio estuvo compuesta
por los elementos estructurales: losas macizas, losas
aligeradas, vigas, columnas y muros de concreto armado
para la estructura de los sótanos. Así mismo, se consideró
dos direcciones principales: una dirección longitudinal
X (ejes numéricos) y la otra perpendicular denominada
dirección transversal Y (ejes alfabéticos).
Losas
De acuerdo a la longitud de cada paño se optó
por el sistema de losa maciza en los pisos de la estructura
del sótano; y por una losa aligerada unidireccional en
los pisos de la superestructura, al tratarse de un sistema
comúnmente usado en el país por presentar menor peso
que otro tipo de sistema de losa y además de facilitar las
instalaciones eléctricas y sanitarias.
Las losas aligeradas se armaron en la dirección
longitudinal “X”, teniendo en consideración el sentido
de menor longitud del ambiente y tratando de darle
continuidad a las mismas. Se utilizó un peralte de 20 cm
de acuerdo con la siguiente expresión:
Vigas
Son elementos que reciben la carga de las
losas, y las transmiten hacia otras vigas o directamente
hacia las columnas o muros. Junto a las columnas
forman lo que se denominan los pórticos. Las vigas se
ubicaron de tal manera que unan las columnas entre sí
formando pórticos. Debido a que la planta de los pisos
típicos y subterráneos es de forma cuadrada se tiene un
comportamiento sísmico igual en ambas direcciones de
análisis. Se consideró que las vigas peraltadas tengan
las mismas dimensiones en las dos direcciones “X” y
“Y” para mantener el diseño arquitectónico del edicio
y proporcionar una mayor resistencia al corte y rigidez
lateral en ambas direcciones del edicio. El peralte de
las vigas de la edicación es de 50 cm y se determinó en
función de la luz libre de apoyo utilizando la siguiente
expresión:
Columnas
Las columnas forman junto con las vigas
peraltadas forman pórticos que proporcionan rigidez
lateral al edicio. Las columnas están ubicadas y
distanciadas de tal manera de formar pórticos y
respetando el requerimiento arquitectónico del edicio.
Se consideró columnas cuadradas, ya que la simetría de
la edicación lo requiere. Se consideró que las columnas
de la sub estructura y de la súper estructura tengan la
misma dimensión logrando así la continuidad requerida.
Las columnas tuvieron un ancho de 60 cm y un peralte
de 60 cm.
Muros de concreto armado en sótanos
Son paredes de concreto armado que, dada su
mayor dimensión en una dirección, muy superior a su
ancho, proporcionan mayor rigidez lateral y resistencia
en esa dirección (Blasco, 1994). Las placas perimetrales
distribuidas para los pisos de los sótanos son de 0.25
m de espesor para contrarrestar así las cargas laterales
transversales a su plano proveniente del empuje del
terreno, cabe recordar que en el análisis sísmico a
realizar no se considerara el efecto de la interacción
suelo-estructura, por lo que estas placas estas destinadas
a soportar cargas gravitacionales y de sismo en ambas
direcciones.
Pre dimensionamiento de vigas
Las vigas peraltadas tienen una altura mayor al
de la losa. La viga peraltada sirve de apoyo a las losas y
transmiten las cargas de estas. En caso de sismo, las vigas
peraltadas al formar pórticos colaboran en absorber los
esfuerzos inducidos por el movimiento telúrico.
a) Vigas peraltadas
Para pre dimensionar estas vigas, por lo
general, se considera como regla práctica usar un del
orden de 1/10 ó 1/12 de la luz libre entre apoyos, el cual
incluye el espesor de la losa. Para el ancho o base de la
viga se debe considerar una longitud mayor que 0,3 del
peralte, sin que llegue a ser menor de 25 cm. Teniendo
en consideración los criterios anteriores se obtuvo el
siguiente pre dimensionamiento de vigas peraltadas, El
pre dimensionamiento se realizó en función del tramo de
mayor longitud libre de las vigas, según la estructuración
propuesta, en las direcciones “X” y “Y”, tanto en la sub
estructura y súper estructura.
Finalmente, uniformizando las dimensiones de
las vigas peraltadas en ambas direcciones se optó por
utilizar vigas de 0,30 m x 0,60 m para toda la edicación.
Pre dimensionamiento de Columnas
Las columnas al estar sometidas a carga axial
y momento ector, tienen que ser dimensionadas para
resistir ambos efectos simultáneamente. Para el pre
dimensionamiento se utilizó las siguientes expresiones:
Las expresiones anteriores según el autor tienen validez
para columnas cargadas con más de 200 ton, en el caso
de no cumplir dicho requisito las áreas de las columnas
deben uctuar entre 1 000 y 2 000 cm
2
.
Modelamiento de los edicios
Se realizó el modelamiento de cuarenta y ocho
91
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(48) casos de edicios para realizar el análisis modal
espectral según la normativa peruana. Los modelos
computacionales de los edicios fueron realizados
en el Software ETABS Versión 2016. Las columnas,
vigas y losas aligeradas se modelaron con elementos
rectangulares tipo Shell y las vigas y columnas con
elementos tipo Frame. En los modelos se asumió que
todos los elementos presentan un comportamiento lineal
elástico.
Resultados
Periodo Fundamental de Vibración
Se muestra a continuación los periodos de
vibración de los edicios de tres y cinco niveles. Se
presentan los doce periodos de vibración. En relación
al edicio de tres niveles los resultados muestran que la
incorporación de la estructura de sótanos en la edicación
de tres niveles disminuye el periodo de vibración.
La estructura de tres niveles sin estructura de sótanos
tiene un periodo de 0,330 segundos, mientras que las
estructuras con un sótano, dos sótanos y tres sótanos,
tienen periodos de 0,297, 0,299 y 0,302 segundos, los
cuales representan el 90%, 91% y 92% del periodo
del edicio de tres niveles sin estructura de sótanos,
Tabla 1
Fuerza cortante en la base para los modelos computacionales del edicio de tres niveles
Nota. Resultados de las fuerzas sísmicas del edicio de tres niveles.
respectivamente. Se observa también que al incrementar
la cantidad de sótanos en el modelo estructural el
periodo fundamental se va incrementando ligeramente,
pero sigue siendo menor al periodo fundamental de la
estructura sin sótanos.
En relación al edicio de cinco niveles los
resultados muestran que la incorporación de la estructura
de sótanos en la edicación de tres niveles disminuye el
periodo de vibración. La estructura de cinco niveles sin
estructura de sótanos tiene un periodo de 0,546 segundos,
mientras que las estructuras con un sótano, dos sótanos
y tres sótanos, tienen periodos de 0,514, 0,517 y 0,522
segundos, los cuales representan el 94%, 95% y 96% del
periodo del edicio de cinco sin estructura de sótanos,
respectivamente.
Fuerza Sísmica
En relación a la respuesta de la fuerza sísmica,
se determinó la fuerza cortante según la norma de diseño
sismo resistente E.030. La Tabla 1 y Tabla 2 muestran
los resultados de la determinación de la fuerza sísmica
(fuerza de corte basal o fuerza cortante) para cada
modelo computacional. Los resultados son mostrados.
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Tabla 2
Fuerza cortante en la base para los modelos computacionales del edicio de cinco niveles
Nota. Resultados de las fuerzas sísmicas del edicio de cinco niveles.
El desempeño sísmico insatisfactorio de
algunas estructuras diseñadas conforme a reglamentos
modernos ha preocupado al medio de la ingeniería
estructural. Esto ha cobrado importancia a partir de las
grandes pérdidas materiales y económicas consecuencia
de eventos sísmicos recientes. Cada edicio que
se construye debe satisfacer múltiples y complejas
necesidades socioeconómicas; lo que implica que el
daño en sus elementos estructurales y no estructurales,
así como en sus contenidos, debe ser cuidadosamente
controlado.
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Discusión
1. Respecto a la Fuerza Sísmica
La incorporación de las estructuras de sótano
genera un incremento de las fuerzas sísmicas de cortante
en las edicaciones. Dichas fuerzas sísmicas son
asumidas por las estructuras de sótano. Las estructuras
de sótanos incrementan considerablemente el peso de la
edicación, generando que las fuerzas sísmicas en cada
piso se incrementen, a esto se suma que el tipo de suelo
y la peligrosidad sísmica establecida en la norma E.030
también inuyen en la magnitud de la fuerza sísmica,
es decir, las fuerzas sísmicas se incrementan con la
disminución de la calidad del suelo y se incrementan en
lugares con mayor riesgo sísmico (Bazán y Meli, 2005).
En la investigación, los resultados muestran
que la fuerza de corte basal va incrementando según los
parámetros sísmicos.
2. Periodos de Vibración de la incorporación de las
estructuras
La incorporación de las estructuras de sótano
genera la disminución de los periodos de vibración de los
edicios de tres y cinco niveles con respecto al edicio
sin sótanos. Sin embargo, es preciso indicar que, si bien
los periodos de las estructuras con sótanos son menores
a las estructuras sin sótanos, el periodo de la estructura
con un sótano es ligeramente menor que el periodo de
Figura 1
Fuerza cortante en la base para los modelos computacionales del edicio de cinco niveles
Nota. Resultados de la determinación de la fuerza sísmica, para cada modelo computacional, los resultados de la fuerza de corte basal van incrementando
según los parámetros sísmicos.
la estructura con 2 niveles de sótano y este a la vez es
también ligeramente menor al periodo de la estructura
con tres sótanos. Esta exibilidad que se observa es
debido al incremento de la altura de la edicación
conforme se incrementa los niveles de sótanos en la
edicación (Becerra, 2014).
3. Fuerzas en los elementos estructurales
Con respecto a los elementos estructurales tipo
columna, la incorporación de las estructuras de sótanos
incrementa las fuerzas axiales en los edicios de tres y
cinco niveles. Respecto a las fuerzas de corte, se observó
incrementos de las fuerzas con la incorporación de los
niveles de los sótanos, esto último debido al incremento
de la fuerza sísmica que se distribuye en todos los
elementos resistentes a la carga sísmica. Con respecto a
los momentos ectores se observa que la incorporación
de las estructuras de sótanos incrementa los momentos
ectores en los elementos estructurales tipo columna.
Los incrementos de la respuesta de las fuerzas axiales,
de corte y momento ector, se asocian al incremento de
la carga sísmica a la que está sometida la edicación
(Borda y Pastor, 2007).
Con respecto a los elementos estructurales tipo
viga, la incorporación de estructuras de sótanos en los
edicios de tres y cinco niveles, incrementa los momentos
ectores en las vigas. Este efecto está relacionado con el
incremento de la fuerza sísmica aplicada a la edicación
(Molero, 2016).
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En la investigación, la incorporación de las
estructuras de sótanos incrementa las fuerzas de corte y
los momentos ectores en las columnas. Con respecto a
las fuerzas en las vigas, la incorporación de las estructuras
de sótanos disminuye los momentos ector
es.
4. Desplazamientos del piso
Con respecto a los desplazamientos de piso, la
incorporación de las estructuras de sótano en los edicios
de tres y cinco niveles disminuye los desplazamientos
de piso y por ende los desplazamientos de entre piso.
La estructura de sótano presenta elementos altamente
rígidos como son los muros de concreto que rigidizan el
edicio, restringiendo así los desplazamientos. Por otro
lado, si bien se ha incrementado la fuerza sísmica los
muros de concreto de los sótanos permiten controlar los
desplazamientos de los niveles de la superestructura.
En la investigación, las estructuras de sótano
proporcionan mayor rigidez disminuyendo la respuesta
de desplazamiento de piso y de entre piso.
Conclusiones
En la investigación se analizó el comportamiento
sísmico de edicaciones de tres y cinco niveles, con
la incorporación de estructuras de sótanos de uno,
dos y tres niveles, ubicadas en la Región Loreto de la
Selva Peruana. En tal sentido se tienen las siguientes
conclusiones:
1. La incorporación de estructuras de sótanos en
los edicios de tres y cinco niveles incrementa
la fuerza sísmica. El incremento del peso de las
edicaciones con la incorporación de estructuras
de sótanos, genera el incremento del peso sísmico
de las edicaciones y por ende se observa el
incremento de las fuerzas sísmicas aplicadas
al edicio. A mayor número de estructuras de
sótanos el peso sísmico se ve incrementado.
2. La incorporación de estructuras de sótanos en los
edicios de tres y cinco niveles disminuye los
periodos de vibración de las edicaciones. Las
edicaciones con estructuras de sótanos de uno,
dos y tres niveles presentan periodos de vibración
menores a la estructura sin incorporación de
sótanos.
3. Con respecto a las fuerzas en los elementos
estructurales, la incorporación de las estructuras
de sótanos disminuye las fuerzas axiales en las
columnas de la superestructura, sin embargo,
incrementa las fuerzas axiales en las estructuras
de sótanos debido al incremento del peso sísmico.
Por otro lado, la incorporación de las estructuras
de sótanos incrementa las fuerzas de corte y los
momentos ectores en las columnas. Con respecto
a las fuerzas en las vigas, la incorporación de las
estructuras de sótanos disminuye los momentos
ectores.
4. La incorporación de estructuras de sótanos en los
edicios de tres y cinco niveles disminuye los
desplazamientos de piso y desplazamientos de
entre de los edicios. Las estructuras de sótano
proporcionan mayor rigidez disminuyendo la
respuesta de desplazamiento de piso y de entre
piso.
5. En la Resolución Ministerial N°
043-2019-Vivienda, del 11 de febrero del 2019.
La Norma Técnica Peruana E.030 - Diseño
Sismorresistente, no incluye el análisis, del
comportamiento sísmico de edicaciones
con sótanos en la Selva Peruana de la Región
Loreto y no especica los tipos de suelos que
existen en la toda la Región Loreto, por lo que
esta investigación puede contribuir como una
referencia para futuras investigaciones.
6. En la investigación se consideró estructuras
de sótanos que se encuentran por debajo del
nivel del terreno natural, sin embargo, no se
ha considerado el efecto de interacción suelo–
estructura explícitamente en la modelación
estructural.
Recomendaciones
1. La presencia de niveles freáticos elevados genera
disminución de la capacidad portante del suelo,
por lo que sería recomendable estudiar tipologías
de cimentación para edicios con estructuras
de sótanos y evaluar la cantidad de niveles de
sótano máximos a considerar en los proyectos de
ingeniería.
2. Estudiar los posibles cambios en las secciones
de los elementos estructurales con las
incorporaciones de las estructuras de sótano para
así disminuir el peso sísmico.
3. Con respecto a las fuerzas en los elementos
estructurales, la incorporación de las estructuras
de sótanos disminuye las fuerzas axiales en las
columnas de la superestructura, sin embargo,
incrementa las fuerzas axiales en las estructuras
de sótanos debido al incremento del peso sísmico.
Por otro lado, la incorporación de las estructuras
de sótanos incrementa las fuerzas de corte y los
momentos ectores en las columnas. Con respecto
a las fuerzas en las vigas, la incorporación de las
estructuras de sótanos disminuye los momentos
ectores.
4. La incorporación de estructuras de sótanos en los
edicios de tres y cinco niveles disminuye los
desplazamientos de piso y desplazamientos de
entre de los edicios. Las estructuras de sótano
proporcionan mayor rigidez disminuyendo la
respuesta de desplazamiento de piso y de entre
piso
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5. Establecer parámetros de diseño para los suelos
excepcionales que se puedan encontrar en el
territorio de la Selva Peruana y así estudiar el
comportamiento de las estructuras en estos tipos
de suelos
6. Evaluar las edicaciones incorporando
interacción suelo – estructura para considerar
tipos de suelos excepcionales presentes en la
Selva Peruana.
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