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27/4/2024

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I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O Y DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE M O N T E R R E Y
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO SÍSMICO
ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES DE SALUD EN
MÉXICO MEDIANTE EL USO DE SISTEMAS SIMPLES
DE UN GRADO DE LIBERTAD.
T E S I S
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL
PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
EN INGENIERÍA Y ADMMSTRACTON DE LA
CONSTRUCCIÓN ESPECIALIDAD EN MATERIALES
DE ALTO COMFORT AMIENTO
POR
HÉCTOR RICARDO AGU1LAR GÓMEZ
INGENIERO CIVIL
MONTERREY, N. L MAYO DE 2011
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO SÍSMICO ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES DE
SALUD EN MÉXICO MEDIANTE EL USO DE SISTEMAS SIMPLES DE UN GRADO DE
LIBERTAD.
TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA
OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
EN INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN
ESPECIALIDAD EN MATERIALES DE ALTO COMPORTAMIENTO
POR
HÉCTOR RICARDO AGUÍ LAR GÓMEZ
Ingeniero Civil
Monterrey, N.L., Mayo de 2011
AGRADECIMIENTOS Y DEDICATORIAS
A Dios, por permitirme avanzar en esta vida cada día,
A mis padres y hermanos, por todo el apoyo y amor
incondicional que me han brindado, gracias por
ser parte de mi vida, los amo.
A mis maestros, en especial al Dr. Carlos Reyes Salinas, por su
apoyo y por compartir su conocimiento conmigo.
Al Dr. Amador Terán, por la gran aportación que hizo
posible la realización de esta tesis.
A mis amigos Cristian Almaraz, Rodolfo Gutiérrez
y Sergio García por brindarme su amistad.
Gracias.
iii
Tabla de contenido
CAPÍTULO 1 1
GENERALIDADES 1
1.1 INTRODUCCIÓN 1
1.2 ANTECEDENTES 1
1.3 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 3
1.4 JUSTIFICACIÓN 4
1.5 ALCANCE 5
1.6 OBJETIVOS 5
1.6.1 OBJETIVO GENERAL 5
1.6.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 5
CAPÍTULO II 7
MARCO CONCEPTUAL 7
2.1 VULNERABILIDAD DE LA INFRAESTRUCTURA DE SALUD 7
2.1.1 VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL 8
2.1.2 VULNERABILIDAD NO ESTRUCTURAL 9
2.2 DISEÑO SÍSMICO POR EL MÉTODO DE DESEMPEÑO 11
2.3 NIVELES DE DESEMPEÑO 12
2.3.1 PROPUESTAS DEL COMITÉ VISION 2000 13
2.3.2 PROPUESTAS DEL ATC- 40 14
2.3.2.1 Nivel de desempeño para componentes estructurales 14
2.3.2.2 Nivel de desempeño para componentes no estructurales 15
2.3.2.3 Nivel de desempeño de la edificación 16
2.4 NIVELES DE DEMANDA SÍSMICA 20
2.4.1 SISMOS DE DISEÑO 21
2.4.1.1 Normativa sísmica para la Ciudad de México (NTCDS, 2004) 22
2.5 OBJETIVOS DE DESEMPEÑO ESTRUCTURAL 23
2.5.1 PROPUESTA DEL COMITÉ VISIÓN 2000 24
2.5.2 PROPUESTA DE ATC- 40 24
2.5.3 CONSIDERACIONES PARA EDIFICACIONES ESENCIALES 25
2.6 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS 26
2.6.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN SU DESTINO 27
2.7 FACTOR DE IMPORTANCIA PARA ESTRUCTURAS 28
¡V
2.7.1 INTENSIDADES DE DISEÑO POR CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS 28
2.8 FACTOR DE DUCTILIDAD 28
2.9 MODELO DE UN GRADO DE LIBERTAD 31
2.10 DISTORSIONES DE ENTREPISO 32
2.10.1 DISTORSIONES MÁXIMAS DE ENTREPISO COMITÉ VISION 2000 32
2.10.2 DISTORSIONES MÁXIMAS DE ENTREPISO (REYES, 2000) 33
2.10.3 DISTORSIONES PERMISIBLES DE ENTREPISO SEGÚN N. T. C. D. S 34
CAPÍTULO III 36
CASOS DE ESTUDIO 36
3.1 DESCRIPCIÓN 36
3.2 DESEMPEÑO DE SISTEMAS HOSPITALARIOS 36
3.3 RESISTENCIA SÍSMICA APLICADA 37
3.4 REGISTROS DE MOVIMIENTOS DEL TERRENO 42
3.5 DETERMINACIÓN DE LA DISTORSIÓN ELÁSTICA DE ENTREPISO 44
CAPÍTULO IV. 47
RESULTADOS 47
4.1 DEMANDAS DE DISTORSIÓN 47
4.1.1 DEMANDAS DE DISTORSIÓN PARA MOVIMIENTOS CON Ts =1 48
4.1.2 DEMANDAS DE DISTORSIÓN PARA MOVIMIENTOS CON Ts =2 51
4.1.3 DEMANDAS DE DISTORSIÓN PARA MOVIMIENTOS CON Ts =4 57
4.2 RESISTENCIAS REQUERIDAS PARA SISTEMAS HOSPITALARIOS 60
4.2.1 RESISTENCIAS REQUERIDAS PARA PERIODOS TS=1 60
4.2.2 RESISTENCIAS REQUERIDAS PARA PERIODOS TS=2 62
4.2.3 RESISTENCIAS REQUERIDAS PARA PERIODOS TS=4 64
CAPÍTULO V. 67
CONCLUSIONES Y COMENTARIOS 67

V
LISTA DE FIGURAS
CAPÍTULO I
FIGURA 1-1. PÉRDIDAS PROVOCADAS POR EL SISMO DE TECOMÁN, COLIMA 2003. (CENAPRED) 2
CAPÍTULO II
FIGURA II - 1. NIVELES Y RANGOS DE NIVELES DE DESEMPEÑO. (FEMA-356, 2000) 19
FIGURA II - 2. ESPECTRO DE DISEÑO ELÁSTICO, CIUDAD DE MÉXICO (5% DE AMORTIGUAMIENTO
CRÍTICO) 23
FIGURA II - 3. DEFINICIÓN DEL COEFICIENTE SÍSMICO A PARTIR DE LA CURVA CAPACIDAD 32
FIGURA II - 4. EVOLUCIÓN DEL DAÑO ESTRUCTURAL EN UN MURO DE MAMPOSTERÍA EN FUNCIÓN D
SU DISTORSIÓN LATERAL (TORRES 2007) 33
CAPÍTULO III
FIGURA III - 1. ESPECTRO ELÁSTICO PARA OCUPACIÓN ESTÁNDAR PARA TS = 1 SEG 39
FIGURA III - 2. ESPECTRO ELÁSTICO PARA ESTRUCTURAS ESENCIALES PARA TS = 1 SEG 39
FIGURA III - 3. ESPECTRO ELÁSTICO PARA OCUPACIÓN ESTÁNDAR PARATS = 2 SEG 40
FIGURA III - 4. ESPECTRO ELÁSTICO PARA ESTRUCTURAS ESENCIALES PARA TS = 2 SEG 40
FIGURA III - 5. ESPECTRO ELÁSTICO PARA OCUPACIÓN ESTÁNDAR PARATS = 4 SEG 41
FIGURA III -6. ESPECTRO ELÁSTICO PARA ESTRUCTURAS ESENCIALES PARATS = 1 SEG 41
CAPÍTULO IV
FIGURA IV - 1. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 1; Q =2:
A ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, B ) HOSPITALES 48
FIGURA IV - 2. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 1; O =3:
C ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, D ) HOSPITALES 49
FIGURA IV - 3. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 1; O =4:
E ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, F ) HOSPITALES 50
FIGURA IV - 4. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 2; Q =2:
A) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, B ) HOSPITALES 52
FIGURA IV - 5. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 2; Q =3:
C ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, D ) HOSPITALES 53
FIGURA IV - 6. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 2; Q =4:
E ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, F ) HOSPITALES 54
FIGURA IV - 7. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 4; O =2:
A ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, B ) HOSPITALES 57
FIGURA IV - 8. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 4; Q =3:
C ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, D ) HOSPITALES 58
FIGURA IV - 9. GRÁFICA PERIODO-DISTORSIÓN PARA TS = 4; O =4:
E ) OCUPACIÓN ESTÁNDAR, F ) HOSPITALES 59
FIGURA IV- 10. RESISTENCIAS REOUERIDAS PARA MANTENER LOS SISTEMAS HOSPITALARIOS EN
OPERACIÓN INMEDIATA Y RESPECTIVAS DEMANDAS DE DUCTILIDAD Y DISTORSIÓN DE ENTREPISO,
PARA MOVIMIENTOS RELACIONADOS CON TS=1 61
FIGURA IV - 11. RESISTENCIAS REQUERIDAS PARA MANTENER LOS SISTEMAS HOSPITALARIOS EN
OPERACIÓN INMEDIATA Y RESPECTIVAS DEMANDAS DE DUCTILIDAD Y DISTORSIÓN DE ENTREPISO,
PARA MOVIMIENTOS RELACIONADOS CON TS=2 63
vi
FIGURA I V - 12. RESISTENCIAS REQUERIDAS PARA MANTENER LOS SISTEMAS HOSPITALARIOS EN
OPERACIÓN INMEDIATA Y RESPECTIVAS DEMANDAS DE DUCTILIDAD Y DISTORSIÓN DE ENTREPISO
PARA MOVIMIENTOS RELACIONADOS CON TS=4 '65
LISTA DE TABLAS
v¡¡
CAPÍTULO II
TABLA 11-1. ESTADOS DE DAÑO Y NIVELES DE DESEMPEÑO (SEAOC, 1995) 14
TABLA II - 2. NIVELES DE DESEMPEÑO DE LA EDIFICACIÓN (ATC- 40, 1996), (FEMA-356, 2000) 17
TABLA II - 3. NIVELES DE DESEMPEÑO Y DAÑO ESTRUCTURAL PARA ELEMENTOS VERTICALES Y
HORIZONTALES. (FEMA-356, 2000) 20
TABLA II - 4 . OBJETIVOS DE DESEMPEÑO SÍSMICO RECOMENDADOS. VISION 2000 (SEAOC, 1995) 24
TABLA II - 5. OBJETIVOS DE DESEMPEÑO PARA EL CRITERIO DE SEGURIDAD
BÁSICA (ATC- 40, 1996) 25
TABLA II - 6 . NIVELES DE DESEMPEÑO ESPERADO PARA EDIFICACIONES ESENCIALES. (AGUIAR
FALCONÍ, 2003) 26
TABLA II - 7. DISTORSIONES DE PISO MÁXIMAS REFERENCIALES, RECOMENDADAS POR COMITÉ
VISION 2000 33
TABLA II - 8. DISTORSIÓN DE ENTREPISO QUE CAUSA DAÑO EN SISTEMAS ESTRUCTURALES DE
ACERO Y CONCRETO REFORZADO (REYES, 2000) 34
TABLA II - 9. DISTORSIONES PERMISIBLES DE ENTREPISO (N. T. C. D. S. 2004) 35
CAPÍTULO III
TABLA líl - 1. TABLA CON DATOS PARA LA ELABORACIÓN DE LOS ESPECTROS DE DISEÑO 37
TABLA III - 2. MOVIMIENTOS DEL TERRENO ASOCIADOS A TS= 2 42
TABLA III - 3. MOVIMIENTOS DEL TERRENO ASOCIADOS A TS= 1 43
TABLA III - 4. MOVIMIENTOS DEL TERRENO ASOCIADOS A TS= 4 44
TABLA III - 5.VALORES DE A PARA MARCOS MOMENTO- RESISTENTES REGULARES 45
TABLA III - 6. VALORESDE COD PARA MARCOS MOMENTO-RESISTENTES REGULARES 46
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 INTRODUCCIÓN
El deficiente desempeño estructural mostrado por la infraestructura de salud de México durante
eventos sísmicos recientes, ha originado daños no previstos por los códigos de construcción y
diseño por sismo de nuestro país. El proyecto de investigación consiste en evaluar los
procedimientos de diseño vigentes en México, en particular las disposiciones para sismo
contenidas en el Manual de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad versión 1993 y
2008, así como las Normas Técnicas Complementarías para Diseño por Sismo del Reglamento
de Construcciones del Distrito Federal versiones 1987 y 2004.
La evaluación se llevará empleando metodologías simples como el uso de sistemas de un grado
de libertad, que modelen de manera aproximada la respuesta de sistemas estructurales de varios
grados de libertad. Los parámetros de diseño sísmico que se considerarán en la evaluación son,
por ejemplo: la distorsión de entrepiso, la máxima demanda de rotación en los elementos
estructurales, las velocidades y aceleraciones de piso, asimismo se considerarán dos niveles de
desempeño, uno que considera los sismos de ocurrencia frecuente y baja a mediana intensidad y
un segundo que considera los sismos de muy rara ocurrencia y alta intensidad.
1.2 A N T E C E D E N T E S
En nuestro país un alto porcentaje de la infraestructura de salud está expuesta a la acción de
múltiples peligros naturales (Bitran D. 2000), dentro de los que están los sismos. Una instalación
de salud es un sistema altamente complejo que requiere de un sistema estructural sólido,
sistemas no estructurales que no sufran daño y contenidos que puedan permanecer operables
durante y después de la ocurrencia del sismo. El diseño de este tipo de estructuras requiere
tomar en cuenta cuidadosamente el desempeño de todos los subsistemas que la forman.
2
En términos de la experiencia mexicana, se ha observado extenso daño estructural y no
estructural y en los contenidos de las instalaciones de salud, durante varios eventos sísmicos
ocurridos en décadas recientes. Por ejemplo, durante los sismos de Michoacán de 1985, en la
ciudad de México hubo colapsos de hospitales que provocaron la muerte de decenas de
personas.
Más recientemente los sismos de Tehuacán y Oaxaca en 1999, originaron pérdidas semejantes a
las que se derivaron del sismo de Tecomán, Colima en 2003. Las pérdidas generadas por este
último sismo en hospitales y otros rubros se muestran en la Figura 1-1.
La interrupción y el daño a las instalaciones de salud generan pérdidas no sólo directas sino
también indirectas (Figura 1-1), ambas son de gran importancia para la sociedad civil.
Es importante entender, que más allá de las pérdidas económicas están las sociales debidas a la
pérdida de operación, y la posibilidad del cierre definitivo de la instalación de salud.
Los daños históricos en la infraestructura hospitalaria muestran que, aun con las modificaciones y
actualizaciones de las normas de diseño sísmico mexicanas, no ha sido posible lograr un mejor
desempeño símico de este tipo de construcciones.
Figura 1 - 1 . Pérdidas provocadas por el sismo de Tecomán, Colima 2003. (CENAPRED)
3
1.3 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Los daños históricos que ha presentado la infraestructura hospitalaria en México evidencia que
los parámetros de desempeño que aseguren un adecuado comportamiento de los hospitales ante
un sismo no son suficientes. El control de daño en los diferentes subsistemas de un hospital
requiere de criterios de desempeño específicos para cada uno de ellos. Mientras que se requiere
controlar el desplazamiento lateral en la estructura para un adecuado desempeño estructural y no
estructural, el control de la velocidad y aceleración es necesario para garantizar un desempeño
adecuado de los contenidos.
Un control racional del daño asociado a los diferentes objetivos de diseño o estados límite
requiere de la formulación de metodologías de diseño por desempeño, la integración y
armonización de las acciones de diseño en los sistemas estructurales y mecánicos, y el control
de la respuesta a través de la implantación de sistemas estructurales innovadores. Más adelante
en la sección relacionada con el marco teórico se tratan a detalle los conceptos relacionados con
el diseño por desempeño.
En México y en general para las zonas sísmicas, las filosofías de diseño por sismo, establecen
que un hospital debe seguir funcionando después de ocurrido un sismo, sin importar la intensidad
del mismo.
En particular para México, en la normatividad vigente y versiones anteriores, se ha incorporado el
uso de un factor de importancia para mejorar los niveles de seguridad estructural de los
hospitales, sin embargo no se han planteado medidas específicas para mejorar el desempeño no
estructural y de los contenidos.
Por ejemplo, el factor de importancia, al que se hace referencia, se obtiene con base en modelo
costo-beneficio (MOC-2008) que no tiene en cuenta el desempeño de la estructura ante sismos
de diferentes intensidades, tampoco se cuenta con parámetros de control como la velocidad y
aceleraciones de piso, a los que es sensible un alto porcentaje del contenido de un hospital.
Es claro, por lo ya expuesto, que la filosofía de diseño mencionada no se satisface en todos los
casos y que es necesario revisarla e identificar sus puntos débiles para después proponer
alternativas que ayuden a que los hospitales mejoren sustancialmente su desempeño sísmico.
4
Así, este trabajo se enfocará en dos puntos: el primero de ellos será hacer un diagnóstico de los
procedimientos de diseño de las normas mexicanas de diseño estructural vigentes. Una segunda
fase será desarrollar modelos sencillos para analizar y diseñar hospitales, mediante herramientas
analíticas que sirvan para estimar la respuesta global y local de hospitales a partir de sistemas de
un grado de libertad, considerando las demandas de ductilidad, desplazamiento lateral, velocidad
y aceleración absoluta como términos globales y a nivel local en los elementos estructurales, las
distorsiones y aceleraciones absolutas de entrepiso.
1.4 JUSTIF ICACIÓN
Debido a que gran porcentaje de la infraestructura de salud mexicana se encuentra en zonas de
alto riesgo ante cargas accidentales, en los que se incluyen los sismos, huracanes, lluvias
torrenciales e inundaciones, las instalaciones de salud son altamente vulnerables a la acción
destructiva de los sismos. Por la gran importancia que tienen los hospitales se requiere de un
diseño más estricto el cual necesita un sistema estructural con un desempeño superior al de una
construcción de uso común, debido a que deben seguir en funcionamiento durante y después de
que haya sucedido el fenómeno natural, como un sismo.
Los factores de importancia, juegan un rol indispensable en el diseño de estructuras, es
necesaria la evaluación de estos factores, para incrementar la seguridad de la infraestructura de
salud.
La ocurrencia de sismos recientes ha mostrado que los daños provocados a la infraestructura de
hospitales están asociados a deficiencias en los procesos de diseño por sismo, razón por la cual
este estudio se enfocara a revisar los parámetros de diseño sísmico con los que actualmente se
diseñan y construyen las estructuras de hospitales, a fin de proponer las mejoras
correspondientes.
El mal desempeño sísmico se debe a algunas deficiencias y lagunas existentes en los
procedimientos actuales de diseño sísmico. En particular en el énfasis que se pone a la
resistencia y rigidez de la estructura, así como a los factores de seguridad dados por los
reglamentos y normas.
5
1.5 A L C A N C E
La investigación siguiente desarrollara una metodología para estudiar el impacto del factor de
importancia estipulado en los códigos de diseño por sismoen México, es decir, para estructuras
del tipo A. Se realizaran gráficas periodo-distorsión de tal manera que nos permita observar su
desempeño sísmico, ante la incidencia de varios movimientos de terreno, ayudando así a
comprender el impacto los factores de importancia, para incrementar la seguridad de la
infraestructura y más importante la del usuario.
1.6 OBJETIVOS
Incrementar el conocimiento que actualmente se tiene sobre el desempeño sísmico esperado de
las instalaciones mexicanas de salud, y de las medidas requeridas para mejorarlo, de tal manera
que se logren diseñar hospitales seguros para los usuarios.
1.6.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar los procedimientos de diseño estructural por sismo de la infraestructura de hospitales en
México, mediante el uso sistemas simples de un grado de libertad (un piso), los cuales
representen la respuesta de sistemas de vahos grados de libertad (varios pisos).
1.6.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Incrementar el conocimiento que actualmente se tiene sobre el desempeño sísmico de los
sistemas (estructural, no estructural y contenidos) de hospitales diseñadas conforme a códigos
actuales durante excitaciones sísmicas de diferente intensidad.
• Identificar el rango de valores (desplazamiento, aceleraciones, demandas de ductilidad,
etc.) en que caen las propiedades mecánicas y dinámicas de aquellas instalaciones de salud que
exhiben mayores niveles de vulnerabilidad sísmica.
6
• Evaluar los requisitos actuales de diseño por sismo para hospitales los cuales estén
construidos especialmente de mampostería, dichas estructuras serán evaluados con base en
criterios de desempeño a fin de identificar fortalezas y debilidades de las mismas.
• Proponer requisitos de diseño con base en criterios de diseño por desempeño, a fin de
mejorar el comportamiento de hospitales durante diferentes eventos sísmicos.
• Identificar medidas que puedan tomarse en México para promover un mejor desempeño
sísmico de las instalaciones de salud.
7
CAPÍTULO II
MARCO CONCEPTUAL
2.1 VULNERABIL IDAD DE LA INFRAESTRUCTURA DE SALUD
Teniendo en cuenta la importancia de contar con la infraestructura hospitalaria después de un
desastre y con el fin de que el sector de la salud pueda dar una eficiente respuesta para atender
la emergencia, es necesario En todo caso, sólo se podrá determinar la vulnerabilidad hospitalaria
cuando se haga un estudio de vulnerabilidad integral que incorpore todos los aspectos a ser
evaluados (estructural y no- estructural).
Los hospitales son instalaciones esenciales para enfrentar un desastre, pero usualmente son
altamente vulnerables. Entre las características que los hacen especialmente vulnerables se
pueden mencionar:
Complejidad. Los establecimientos de salud son edificios muy complejos que además cumplen
las funciones de hotel, oficinas, laboratorio y almacén (bodega). El solo aspecto de hotel es
complejo ya que involucra no sólo alojamiento, sino provisiones alimenticias. Estos centros por lo
general contienen numerosas habitaciones pequeñas y un gran número de largos corredores.
Después de un desastre, los pacientes y visitantes estarán muy confundidos. Tal vez no haya
fluido eléctrico. Los corredores y las salidas de las habitaciones pueden estar bloqueadas por
muebles caídos o escombros. Los ascensores no funcionarán y las escaleras pueden estar en
condiciones de difícil uso.
Ocupación. Los hospitales son edificios con un alto índice de ocupación. Alojan pacientes,
empleados, personal médico y visitantes. Están ocupados 24 horas al día. Muchos pacientes
requerirán ayuda y cuidado especializado continuamente. Pueden estar rodeados de equipo
especial y tal vez utilicen gases potencialmente peligrosos. Igualmente, pueden estar conectados
a equipos que mantienen la vida, los cuales exigen fluido eléctrico permanentemente.
8
2.1.1 VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL
La vulnerabilidad estructural se refiere a la susceptibilidad que la estructura presenta frente a
posibles daños en aquellas partes del establecimiento hospitalario que lo mantienen en pie ante
un sismo intenso. Esto incluye cimientos, columnas, muros, vigas y losas. La vulnerabilidad
estructural está asociada a la susceptibilidad de los elementos o componentes estructurales de
sufrir daño debido a un sismo, lo que se ha llamado daño sísmico estructural. El mismo
comprende el deterioro físico de aquellos elementos o componentes que forman parte integrante
del sistema resistente o estructura de la edificación (cimientos, columnas, muros portantes, vigas,
pisos y techos diseñados para transmitir fuerzas horizontales, como las de los sismos a través de
las vigas y columnas hacía los cimientos).
Los establecimientos para la prestación de servicios de salud por construirse o ya existentes, que
estén situados en zonas expuestas a movimientos sísmicos deben contemplar normas de
sismorresistencia encaminadas a ofrecer seguridad a las personas que allí se encuentran y en
segunda instancia a proteger la continuidad del funcionamiento del hospital. Construir un edificio
"totalmente antisísmico" sería demasiado costoso; sin embargo, la sismorresistencia provee
criterios de diseño con el fin de evitar que el edificio colapse, de manera que se asegure su
funcionamiento con posterioridad a la ocurrencia de un sismo.
A causa de sismos fuertes es común que se presenten daños estructurales en columnas, tales
como grietas diagonales causadas por cortante y/o torsión, grietas verticales, desprendimiento
del recubrimiento, aplastamiento del concreto y pandeo de las barras longitudinales por exceso
de esfuerzos de flexocompresión. En vigas, se presentan grietas diagonales y rotura de estribos
a causa de cortante y/o torsión, grietas verticales, rotura del refuerzo longitudinal y aplastamiento
del concreto por la flexión que impone el sismo arriba y abajo de la sección como resultado de las
cargas alternadas.
Las conexiones o uniones entre elementos estructurales son, por lo general, los puntos más
críticos. En las uniones viga-columna (nudos) el cortante produce grietas diagonales y es común
ver fallas por adherencia y anclaje del refuerzo longitudinal de las vigas a causa del poco
desarrollo del mismo y/o a consecuencia de esfuerzos excesivos de flexión. En las losas se
pueden presentar grietas por punzonamiento alrededor de las columnas y grietas longitudinales a
lo largo de la placa debido a la excesiva demanda por flexión que en ciertas circunstancias puede
9
imponer el sismo. Este tipo de daños se han visto reiteradamente en muchas edificaciones
hospitalarias sometidas a movimientos sísmicos fuertes y moderados.
2.1.2 VULNERABILIDAD NO ESTRUCTURAL
Un edificio puede quedar en pie luego de un desastre y quedar inhabilitado debido a daños no
estructurales. Un estudio de vulnerabilidad no estructural busca determinar la susceptibilidad a
daños que presentan estos elementos, los cuales pueden verse afectados por sismos moderados
y por tanto más frecuentes durante la vida del hospital; en cambio, los elementos estructurales se
verán afectados frente a sismos severos y poco frecuentes. Debido a la alta probabilidad de
ocurrencia de los sismos que pueden afectar a los componentes no estructurales, es necesario
tomar las medidas necesarias para proteger estos elementos.
El costo de los elementos no estructurales en la mayoría de los edificios es considerablemente
mayor que el de los estructurales. Esto se cumple especialmente en hospitales, donde entre el 85
y el 90% del valor de la instalación no está en las columnas de soporte, pisos y vigas, sino en
acabados arquitectónicos, sistemas mecánicos y eléctricos y en el equipo allí contenido
(Organización Panamericana de la salud, 2000). Un movimiento sísmico de menor intensidad
puede causar daños no estructurales mayores, sin afectar de manera importante a componentes
estructurales. Por lo tanto, losaspectos vitales de un hospital, aquellos que se relacionan
directamente con su propósito y función, son los que más fácilmente se ven afectados o
destruidos por los sismos. Igualmente, es más fácil y menos costoso readaptarlos y prevenir su
destrucción o daño.
No basta con que un hospital simplemente no se caiga después de un sismo, sino que debe
seguir funcionando como hospital. Puede quedar con la apariencia externa de un hospital, pero si
las instalaciones internas están afectadas, no podrá ser utilizado para atender pacientes. Esta
sección está enfocada básicamente a enfatizar la prevención de la pérdida de operatividad
debida a las "fallas no estructurales", que también pueden afectar la integridad de la estructura
misma. El término no estructural se refiere a aquellos componentes de un edificio que están
unidos a las partes estructurales (tabiques, ventanas, puertas, cerramientos, cielos rasos, etc.);
que cumplen funciones esenciales en el edificio (plomería, calefacción, aire acondicionado,
conexiones eléctricas, etc.) o que simplemente están dentro de las edificaciones (equipos
médicos, equipos mecánicos, muebles, etc.), pudiendo por lo tanto ser agrupados en tres
categorías: componentes arquitectónicos, instalaciones y equipos.
10
En el caso de los centros aslstenciales, los componentes no estructurales representan un valor
económico superior al costo de la estructura. Según análisis efectuados (organización
panamericana de la salud, 2000), el valor de los componentes no estructurales constituye en
promedio más del 80% del costo total del hospital.
Pueden presentarse situaciones en donde componentes no estructurales inciden en la ocurrencia
de fallas estructurales. Equipos pesados, tales como sistemas centrales de aire acondicionado,
equipos de rayos X, escanógrafos, generadores eléctricos, calderas, piscinas de hidroterapia y
otros, que puedan encontrarse ubicados en los pisos superiores del hospital o en pisos
dedicados exclusivamente para colocación de equipos centrales, pueden modificar
significativamente el comportamiento de la estructura tal como fue calculada, y desplazarse o
voltearse ante la ausencia de anclajes, generando colapsos parciales o totales del edificio.
Elementos arquitectónicos, como la mampostería de relleno no reforzada y pesados
revestimientos, pueden alterar el comportamiento del edificio mientras está vibrando.
En cuanto al funcionamiento del establecimiento hospitalario, el daño o pérdida de algunos
elementos no estructurales podría dar como resultado un serio trastorno en la prestación del
servicio. Aun cuando no exista un riesgo directo para las personas, sí lo habría en forma indirecta
a través de la pérdida de la operación del equipo o sistema. Como ejemplo se puede citar el daño
de un generador eléctrico cuyo fluido alimenta sistemas básicos de soporte de vida como
ventiladores en una unidad de cuidado intensivo.
En el diseño de toda estructura sometida a movimientos sísmicos debe considerarse que los
elementos no estructurales, tales como cielos rasos, paneles, tabiques, ventanas, puertas,
cerramientos, etc., así como equipos, instalaciones mecánicas y sanitarias, deben soportar los
movimientos de la estructura. Por otra parte, debe tenerse presente que la excitación de los
elementos no estructurales es en general mayor que la excitación en la base, por lo cual puede
decirse, en muchos casos, que la seguridad de los elementos no estructurales se encuentra más
comprometida que la de la estructura misma.
2.2 DISEÑO SÍSMICO POR EL MÉTODO DE DESEMPEÑO
11
La experiencia en sismos recientes ha puesto en evidencia una importante limitación del enfoque
implícito en los códigos de diseño sísmico hasta ahora empleados; el desempeño de una
edificación durante un sismo no está dado de manera explícita en estos códigos y los enfoques
empleados no conducen a un eficiente control de los daños ni a una plena satisfacción de la
filosofía de diseño sísmorresistente (Bertero, 1992).
De hecho, la mayoría de las metodologías de la evaluación y previsiones para el diseño sísmico,
sólo consideran un nivel de movimiento del terreno para el cual la edificación no debería
colapsar. Estas previsiones raramente reconocen que pueden ocurrir daños sustanciales y
grandes pérdidas asociadas a sismos de naturaleza más frecuente.
En tal sentido, es importante reconocer que la seguridad ante el colapso debido a grandes
sismos no implica necesariamente un comportamiento aceptable de la edificación durante sismos
de pequeña o moderada intensidad, por lo que se requiere definir múltiples niveles de
desempeño como una estrategia para disponer de nuevas alternativas aceptables de evaluación.
En este sentido, se han impulsado una serie de propuestas para la evaluación y diseño de
edificaciones basadas en los conceptos de desempeño sísmico, donde la aceptación de los
diferentes niveles de daños se determina con base en la frecuencia con los cuales estos daños
ocurren y en las consecuencias que tienen sobre los usuarios y la comunidad. Dentro de esta
concepción, identificada o definida como un diseño basado en el desempeño sísmico, se
engloban aquellas metodologías según las cuales los criterios estructurales se expresan en
términos de determinados niveles de desempeño esperados. Entre las principales propuestas
que impulsan el desarrollo de estos conceptos destacan las recomendaciones del comité VISION
2000 (SEAOC, 1995) y las propuestas del ATC-40 (1996). Aunque ambas propuestas difieren en
detalles, se fundamentan en los mismos conceptos desarrollados a continuación.
El presente capítulo desarrolla los conceptos asociados al desempeño sísmico de las
edificaciones según las propuestas del comité VISION 2000 (SEAOC, 1995) y del ATC-40 (1996).
El objetivo principal de este capítulo es sentar las bases y los criterios de calificación de la
respuesta sísmica de las edificaciones esenciales que permitan la toma de decisiones respecto
de su comportamiento esperado durante un sismo, fundamentada en los conceptos de
desempeño sísmico, desde el punto de vista estructural y no estructural, para diferentes niveles
12
de movimiento del terreno. Asimismo, se describen cualitativamente las diferentes acciones o
intervenciones destinadas a reducir la vulnerabilidad sísmica de estas instalaciones.
De manera general, el diseño basado en el desempeño sísmico consiste en la selección de
apropiados esquemas de evaluación que permitan el dimensionado y el detallado de los
componentes estructurales, no estructurales y del contenido, de manera que para un nivel de
movimiento especificado y con diferentes niveles de confiabilidad, la estructura no debería ser
dañada más allá de ciertos estados limite (Bertero, 1995).
El desempeño se cuantifica en términos de la cantidad de daño sufrido por un edificio afectado
por un movimiento sísmico y el impacto que tienen estos daños en las actividades posteriores al
evento sísmico. Este concepto no es sólo aplicable a edificios, sino que puede ser extendido a
todo tipo de estructuras e incluso a sus componentes no estructurales y contenido.
La definición de comportamiento esperado de una edificación durante movimientos sísmicos de
diferentes intensidades debe de ser establecida de manera cualitativa, en una primera fase
conceptual, antes de emprender las sucesivas fases del proceso, entre las que destacan la fase
numérica, orientadas al diseño propiamente dicho, y finalmente la fase de implementación, donde
la calidad del diseño debe ser garantizada por un adecuado control de calidad durante la
ejecución y mantenimiento de las obras (Terán, 1997). Durante esta primera fase conceptual, el
desempeño sísmico de las edificaciones se establece sobre la base de tres conceptos
fundamentales: el nivel de desempeño, el nivel de amenaza y el desempeño esperado de la
edificación.
2.3 NIVELES DE DESEMPEÑOEl nivel de desempeño describe un estado límite de daño. Representa una condición límite o
tolerable establecida en función de los posibles daños físicos sobre la edificación, la amenaza
sobre la seguridad de los ocupantes de la edificación inducidos por estos daños y la
funcionalidad de la edificación posterior al terremoto (ATC-40, 1996). Es una expresión de la
máxima extensión del daño, donde se considera tanto la condición de los elementos estructurales
como de los elementos no estructurales y su contenido, relacionado con la función de la
edificación. Los niveles de desempeño suelen expresarse en términos cualitativos de
significación pública (impacto en ocupantes, usuarios, etc.) y en términos técnicos ingeníenles
13
para el diseño o evaluación de edificaciones existentes (extensión del deterioro, degradación de
elementos estructurales o no estructurales, etc.) (SEAOC, 1995).
2.3.1 PROPUESTAS DEL COMITÉ VISION 2000
Se definen cuatro niveles de desempeño, calificados a través de los siguientes calificadores:
A- Totalmente operacional. Nivel de desempeño en el cual no ocurren daños. Las
consecuencias sobre los usuarios de las instalaciones son despreciables. La edificación
permanece totalmente segura para sus ocupantes. Todo el contenido y los servicios de la
edificación permanecen funcionales y disponibles para su uso. En general no se requieren
reparaciones.
B- Operacional. Nivel de desempeño en el cual ocurren daños moderados en elementos no
estructurales y en el contenido de la edificación, e incluso algunos daños ligeros en
elementos estructurales. El daño es limitado y no compromete la seguridad de la
edificación que debería permanecer disponible para cumplir con sus funciones normales
inmediatamente después del sismo, aunque los daños en elementos no estructurales y de
contenido, pude interrumpir parcialmente algunas funciones. En general, se requieren
algunas reparaciones menores
C- Seguridad. Nivel de desempeño en el cual ocurren daños moderados en elementos
estructurales, no estructurales y en el contenido de la edificación. Degradación de la
rigidez lateral y la capacidad resistente del sistema. Interrupción de servicios eléctricos,
mecánicos y perturbación de las vías de escape de la edificación. Las instalaciones
quedan fuera de servicio y el edifico probablemente requerirá reparaciones importantes.
D- Pre-Colapso. Nivel de desempeño en el cual la degradación de la rigidez lateral y la
capacidad resistente del sistema compromete la estabilidad de la estructura
aproximándose al colapso estructural. Interrupción de servicios y vías de escape. La
edificación es completamente insegura para sus ocupantes y la extensión de las
reparaciones pueden resultar no factible técnica o económicamente.
14
La Tabla 11-1, resume algunas de las principales características asociadas a estos niveles de
desempeño y su relación con los estados discretos de daños.
Tabla 11-1. Estados de daño y niveles de desempeño (SEAOC, 1995).
2.3.2 PROPUESTAS DEL ATC- 40
La propuesta del.ACT-40 especifica separadamente el nivel de desempeño para la estructura y el
nivel de desempeño para los componentes no estructurales de manera que su combinación
conduce a la definición del nivel de desempeño de la edificación.
2.3.2.1 Nivel de desempeño para componentes estructurales
Describen los posibles estados de daño sobre la estructura. Para componentes Estructurales se
definen 5 niveles de daños de los cuales se definen tres estados de daño discretos o límites:
inmediata ocupación, seguridad y estabilidad estructural, y dos rangos intermedios: daño
controlado y seguridad limitada, los cuales se, designan con la abreviación Sp-n, (" Structural
performance", donde n es un número).
15
Sp-1. Inmediata Ocupación: Los sistemas estructurales resistentes a cargas verticales y laterales
permanecen prácticamente inalterados, puede haber ocurrido daño estructural muy limitado, el
peligro a la vida es despreciable y la edificación se mantiene funcionando en su totalidad.
Sp-2. Daño Controlado: Corresponde a un estado de daño que varía entre las condiciones límite
de inmediata ocupación y seguridad. La vida de los ocupantes no está en peligro aunque es
posible que sean afectados.
Sp-3. Seguridad: Pueden haber ocurrido daño significativo en la estructura, sin embargo, la
mayoría de los elementos estructurales se mantienen. Amenaza la vida de los ocupantes
interiores y exteriores e incluso, puede haber afectados. Costos elevados asociados a las
reparaciones estructurales.
Sp-4. Seguridad Limitada: Corresponde a un estado de daño que varía entre las condiciones
límite de seguridad y estabilidad estructural, con alto peligro para los ocupantes.
Sp-5. Estabilidad Estructural: Corresponde a un estado de daño en el cual el sistema estructural
está en el límite de experimentar un colapso parcial o total. Han sucedido daños sustanciales,
con una significativa degradación de rigidez y resistencia del sistema resistente a cargas
laterales, aun cuando los componentes del sistema resistente a cargas verticales mantengan la
capacidad suficiente para evitar el colapso. Existe un elevado peligro para los ocupantes y
transeúntes, así como un peligro elevado en caso de réplicas. Estas edificaciones requieren
reparaciones estructurales significativas.
Sp-6. No Considerado: No corresponde con un nivel de desempeño de la estructura, sino con
una condición en la cual sólo se incluye una evaluación sísmica de los componentes no
estructurales. Se limita a considerar el desempeño de los elementos no estructurales.
2.3.2.2 Nivel de desempeño para componentes no estructurales
Describen los posibles estados de daño de los componentes no estructurales. Para tal fin, se
definen cuatro estados de daño: operacional, inmediata ocupación, seguridad y amenaza, los
cuales se designan con la abreviación NP-n ("Non Structural Performance, donde n designa una
letra".
16
NP- A. Operacional: Después del sismo, los sistemas, componentes y elementos no estructurales
permanecen sin daño y funcionando. Todos los equipos y maquinaria deben permanecer
operativos aunque algunos servicios externos no estén del todo disponibles.
NP- B. Inmediata Ocupación: Los sistemas, componentes y elementos no estructurales
permanecen en su sitio, con pequeñas interrupciones que no comprometen o limitan su
funcionamiento. Se mantiene un estado de seguridad para los ocupantes.
NP- C. Seguridad: Contempla daño considerable en sistemas, componentes y elementos no
estructurales, pero sin colapso o interrupción de los mismos que pueda atentar seriamente contra
los ocupantes. No debería haber fallo en los componentes peligrosos, sin embargo, el
equipamiento y las maquinas pueden quedar fuera de servicio. Puede haber alguno afectados, el
peligro a la vida por los daños en elementos no estructurales es bajo.
NP- D. Amenaza: Incluye importante daño en los sistemas, componentes y elementos no
estructurales, pero sin colapso de los grandes y pesados elementos que pongan en peligro a
grupos de personas. El peligro a la vida por los daños en componentes no estructurales es alto.
NP- E. No Considerado. No corresponde con un nivel de desempeño de los componentes no
estructurales^ si no con una condición en la cual sólo se incluye una evaluación sísmica de los
componentes estructurales. Se limita a considerar el desempeño de los elementos estructurales.
2.3.2.3 Nivel de desempeño de la edificación
Para definir finalmente el nivel de desempeño de la edificación, se revisa la matriz que combina
los niveles estructurales y no estructurales descritos de tal forma que juntos definan las posibles
variantes para los estados de daño de la edificación, en otras palabras, representen el
comportamiento global del edificio. En general el daño esperado debe ser menor al descrito. En
la Tabla 11-2 y la Figura 11-1 se muestranlas posibles combinaciones donde se han resaltado e
identificado los cuatro niveles de desempeño de edificaciones más comúnmente referenciadas;
Operacionales (1-A), Ocupación inmediata (1-B), seguridad (3-C) y estabilidad estructural (5-E),
así como otros niveles de desempeño posibles. Esta tabla más que predicciones precisas
muestra estimaciones, y es probable que se encuentren variaciones entre edificaciones con el
17
mismo objetivo de desempeño. La designación NR corresponde a niveles de desempeño No
Recomendables en el sentido que no deben ser considerados en la evaluación. Una descripción
detallada puede ser consultada en la referencia (ATC-40).
Tabla II - 2. Niveles de desempeño de la edificación (ATC- 40,1996), (FEMA-356, 2000).
La descripción del desempeño esperado de los niveles seleccionados en la Tabla II-2 es:
1-A. Operacional: se relaciona básicamente con la funcionalidad. Los daños en componentes
estructurales son limitados. Los sistemas y elementos no estructurales permanecen funcionando.
Las reparaciones que son necesarias no impiden que la estructura continúe funcionando con
normalidad después del evento sísmico. Se mantiene la seguridad de los ocupantes. Se
mantienen las funciones de los servicios de la edificación, incluso cuando los externos a la misma
no estén disponibles. Nivel asociado a un estado de funcionalidad.
1-B. Ocupación Inmediata: corresponde al criterio más usado para edificaciones esenciales,
como es el caso de los hospitales. Los espacios de la edificación, los sistemas y los
equipamientos permanecen utilizables. Se conservan en funcionamiento los servicios primarios.
18
Aunque puedan ocurrir ciertos daños en los contenidos, se mantiene la seguridad de los
ocupantes.
3-C. Seguridad de vida: se relaciona a un estado de daños correspondiente a una probabilidad
de pérdidas humanas prácticamente nula. Constituye el nivel de desempeño de la edificación que
se espera alcanzar con la aplicación de los actuales códigos de diseño sísmico; es decir, que se
corresponde a un desempeño equivalente al que se obtendría con la aplicación sistemática de
los códigos actuales de diseño sísmico. Se caracteriza por presentar daños limitados en los
componentes estructurales y el eventual fallo de los componentes no estructurales con
posibilidad inclusive de fallo en algún elemento peligroso y en alguno de los elementos primarios
(servicios de agua, electricidad, etc.) y secundarios (acabados, fachadas, etc.), siempre que no
atente contra la vida de los usuarios.
5-E. Estabilidad estructural: para este estado de daño el margen del sistema resistente a
cargas laterales se encuentra prácticamente al límite y existen altas posibilidades de fallo debido
a réplicas, sólo se mantiene cierta capacidad del sistema resistente a cargas verticales para
mantener la estabilidad de la estructura, de manera que el peligro para la vida es muy alto. El
nivel de daño estructural implica que no se requiere la revisión de los componentes no
estructurales. No se garantiza la seguridad de los ocupantes ni transeúntes. Debido a la alta
probabilidad de colapso o falla de componentes no estructurales se exige el desalojo de la
edificación.
19
Figura 11-1. Niveles y rangos de niveles de desempeño. (FEMA-356, 2000)
La Tabla II-3 relaciona estos niveles de desempeño estructural a estados límite de daño para
elementos verticales y horizontales de sistemas resistentes a carga lateral. Los valores
asignados de distorsión sólo deben servir para ilustrar el comportamiento global de la estructura
de acuerdo a los diferentes niveles de desempeño, y no deberán ser tomados como límites, ya
que los mismos serán descritos con más detalle posteriormente. En esta tabla sólo se mostrarán
los valores relacionados a sistemas estructurales de concreto reforzado.
20
Tabla II - 3. Niveles de desempeño y daño estructural para elementos verticales y horizontales. (FEMA-356,
2000)
2.4 NIVELES DE DEMANDA SÍSMICA
El peligro sísmico es la probabilidad de ocurrencia de uno o más sismos en un área geográfica
específica durante intervalos de tiempo determinados y depende principalmente de tres factores:
la sismicidad de las fuentes sísmicas que pudieran afectarlo, la distancia entre las fuentes y el
sitio, y por último los efectos de la geología local. La sismicidad se refiere a la descripción
probabilística de la frecuencia con la que ocurren sismos de diferentes magnitudes en cada
21
fuente. Para una fuente y magnitud dada, es posible estimar la intensidad del movimiento a
cualquier distancia por medio de leyes de atenuación, las cuales toman en cuenta la disminución
de dicha intensidad con el incremento en la distancia al epicentro o a la zona de ruptura.
Finalmente el movimiento sísmico puede verse afectado por las condiciones locales del sitio.
Este efecto es particularmente importante en el caso de depósitos de suelo blando, los cuales
producen modificaciones muy importantes en la amplitud, contenidos de frecuencia y duración
del movimiento sísmico. (Gallego, 2003)
En lo que respecta a demanda sísmica, tal vez un aspecto "nuevo" de las nuevas tendencias de
diseño sismorresistente es la incorporación de la intensidad en términos de cantidades diferentes
a la aceleración; por ejemplo: el diseño basado en desplazamientos y controlado por
deformaciones desarrollado por Priestley (1993) y Moehle (1992); el diseño basado en energía y
controlado por daño acumulado planteado desde los 50 por Housner y completado por Krawinkler
(1997) y el diseño por capacidad ideado desde los 70's por Freeman. (Domínguez, 2009)
El desempeño sísmico esperado despende de los niveles de amenaza sísmica los cuales pueden
ser expresados en forma probabilística o determinístíca. Los enfoques probabilistas, se
especifican con un nivel de movimiento asociado con una probabilidad de ocurrencia, mientras
que los enfoques deterministas, en términos del movimiento máximo esperado para un evento,
con una magnitud dada y asociado a una fuente específica.
Convencionalmente estos movimientos se especifican en términos de parámetros ingeníenles
para fines de diseño como por ejemplo: la intensidad macro sísmica, aceleraciones pico, los
espectros de respuesta, etc., relacionados con el período medio de retorno o bien, con la
probabilidad de excedencia (Aguiar Falconí, 2003). El período medio de retorno es una expresión
del período de tiempo medio, en años, entre la ocurrencia de sismos que producen efectos del
mismo orden de severidad (Aguiar Falconí, 2003). La probabilidad de excedencia es una
representación estadística de la posibilidad que las consecuencias de un sismo excedan un nivel
de efectos determinados en un tiempo específico de exposición, en años. (SEAOC, 1995)
2.4.1 SISMOS DE DISEÑO
El diseño basado en el desempeño requiere para llevarse a cabo de la selección de eventos
sísmicos discretos que pudieran ocurrir y que representan el rango de la severidad sísmica para
22
un desempeño particular deseado en la estructura. Estos eventos sísmicos discretos se
denominan "Movimientos sísmicos de diseño" (Bonnett Díaz, 2003). La definición de los
movimientos sismos de diseño varía de una fuente o sitio a otro pues depende tanto de la
sismicidad de la región en la cual está localizada la estructura como de los niveles social y
económicamente aceptables del daño por parte de las instituciones responsables, los
propietarios y usuarios de las estructuras. (Bertero, 1997)
En esta tesis haremos uso de la metodología dispuesta las Normas Técnicas Complementarias
para diseño por sismo de la ciudad de México (NTCDS, 2004).
2.4.1.1 Normativa sísmica para la Ciudad de México (NTCDS, 2004)
El Apéndice A de las Normas Técnicas Complementarias de Diseño Sísmico de la Ciudad de
México (NTCDS) establece las ecuaciones que sirven para la construcción de un espectro de
respuesta sísmicode estructuras ubicadas en las llamadas Zonas II y III (mapa sísmico, Ciudad
de México) ,ver Figura II -2 . A su vez estipula que cuando se apliquen los métodos estático o
dinámico modal es admisible considerar explícitamente los efectos del período dominante más
largo del terreno, Ts (de acuerdo a la estratigrafía y propiedades del suelo).
La norma define coeficientes de reducción por ductilidad Q', y de sobre resistencia R. Con el fin
de considerar el factor de importancia de las estructuras, la normativa dicta que las ordenadas
espectrales deberán multiplicarse por un factor de amplificación, que para el caso de
edificaciones esenciales (Categoría A) será de 1.5. A su vez se especifican los parámetros de
revisión por desplazamientos laterales, las distorsiones permisibles de entrepiso de acuerdo del
sistema estructural a utilizar y los efectos de interacción suelo-estructura.
Si se emplea el método de cálculo paso a paso de respuestas a temblores específicos, la norma
permite acudir a acelerogramas de temblores reales o de movimientos simulados, o a
combinaciones de éstos, siempre que se usen no menos de cuatro movimientos representativos,
independientes entre sí, cuyas intensidades sean compatibles con los demás criterios que
consigne la norma, y que se tenga en cuenta el comportamiento no lineal de la estructura y las
¡ncertidumbres que haya en cuanto a sus parámetros. (NTCDS, 2004).
23
Figura II - 2. Espectro de diseño elástico, Ciudad de México (5% de amortiguamiento crítico)
2.5 OBJETIVOS DE DESEMPEÑO ESTRUCTURAL
Los objetivos de desempeño corresponden a expresiones de relación entre los niveles de
desempeño deseados para la estructura y el nivel de movimiento sísmico esperado. Dependen
entre otras variables del tipo de ocupación, el factor de importancia, el costo de la reparación, el
costo de la interrupción de las actividades que se realizan en su interior, y consideraciones de la
importancia de la estructura como por ejemplo una fuente de patrimonio histórico y cultural
(Bertero, 1997). Ésta es la principal característica que distingue a la metodología de diseño por
desempeño de la estipulada por los códigos de diseño actuales.
Después del terremoto de Kobe 1995, quedaron algunas observaciones en cuanto la aplicación
de objetivos del diseño basado en desempeño, que deben ser resueltas: a) diferencias entre las
expectativas del propietario y el ingeniero estructural; b) la naturaleza de los códigos sísmicos al
seleccionar los objetivos de desempeño; c) la restauración de edificaciones existentes; d) el
desempeño ruinoso del concepto de viga débil columna fuerte, en suelos blandos; e) los daños
en elementos no estructurales, que retardan mucho la reparación post sísmica; f) la predilección
de los niveles de alta resistencia y baja ductilidad; g) la dependencia de la reparación en las
posibilidades de los dueños. (Otani, 1996) (Lobo Quintero, 2000).
24
Tabla II - 4 . Objetivos de desempeño sísmico recomendados. VISION 2000 (SEAOC, 1995)
2.5.2 PROPUESTA DE ATC- 40
El ATC-40 (1996) relaciona los movimientos sísmicos de diseño con los niveles de desempeño
estructural de las edificaciones. A continuación, la Tabla II-5 muestra el objetivo de desempeño
para estructuras de ocupación estándar bajo el criterio de segundad básica.
Nuevamente se acude a nuestras referencias el Comité VISIÓN 2000 (SEAOC, 1995) y el ATC-
40 (1996) quienes proponen los siguientes objetivos.
2.5.1 PROPUESTA DEL COMITÉ VISIÓN 2000
La SEAOC relaciona el movimiento de diseño sísmico con el nivel de desempeño de la
estructura, en tres grupos principales: a) edificaciones críticas; b) edificaciones esenciales; y c)
edificaciones básicas. El primer grupo concierne a cualquier tipo de instalación que pueda
resultar en una amenaza inaceptable para la comunidad, por ejemplo, un depósito de materiales
peligrosos; el segundo grupo se refiere a las instalaciones que ante una eventualidad sísmica
deben seguir en funcionamiento, tales como hospitales, estaciones de bomberos, etc.; y el tercer
grupo atañe a cualquier instalación que no esté contenida dentro de los dos grupos anteriores.
25
Tabla II - 5. Objetivos de desempeño para el criterio de seguridad básica (ATC- 40,1996)
2.5.3 CONSIDERACIONES PARA EDIFICACIONES ESENCIALES
Es evidente que en las edificaciones esenciales es fundamental el mantenimiento de sus
funciones antes, durante y después de un evento sísmico. Esta condición exige ampliar los
conceptos de desempeño estructural tradicionalmente considerados en edificaciones
convencionales con los conceptos de desempeño no estructural y funcional. Sobre el diseño
basado en el desempeño estructural se ha avanzado mucho y, por lo tanto, si se dispone de toda
la información de sus características constructivas se puede evaluar el desempeño estructural de
las edificaciones existentes. Sin embargo, los estudios sobre el desempeño no estructural y
funcional son más limitados y en algunos casos rebasan el campo de la ingeniería estructural y
sísmica, involucrando seguramente otras disciplinas y especialidades. En este sentido, es
importante examinar las diferentes propuestas que se han desarrollado y que abordan la
evaluación de las edificaciones esenciales sobre la base de conceptos del desempeño sísmico
desde un punto de vista estructural, no estructural y funcional. (Aguiar Falconí, 2003)
Utilizando como base el formato contenido en la propuesta del ATC-40 (1996), la Tabla II-6
presenta una equivalencia de los niveles de desempeño esperados para edificaciones
esenciales, establecidos por las principales guías de diseño de este tipo de instalaciones. En
particular se hace referencia a las recomendaciones contenidas en:
> Propuesta del Comité VISIÓN 2000 (SEAOC, 1995) para instalaciones esenciales.
> Propuesta de los códigos de diseño sísmico del llamado "Triservices". (DOD, 1986)
26
> Título 24 - Hospitales de la Comisión de Edificaciones del Estado de California. (CBSC, 1995)
> Disposiciones particulares para el diseño sísmico de los "Veterans Administration Hospital"
(VAH, 1986)
Tabla II - 6. Niveles de desempeño esperado para edificaciones esenciales. (Aguiar Falconí, 2003)
2.6 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS
La naturaleza del fenómeno sísmico implica que los temblores futuros se pueden describir sólo
en términos probabilistas. En efecto, es imposible acotar, dentro de límites prácticos, la máxima
intensidad sísmica que puede ocurrir en un sitio. En la elección del sismo de diseño debe
considerarse, explícitamente, la probabilidad de que su intensidad se exceda cuando menos una
vez durante la vida útil supuesta para la estructura. En consecuencia, si se supone que su
resistencia es determinista e igual a la de diseño, la estructura tiene una probabilidad de falla que
es igual a la probabilidad de que se exceda la intensidad de diseño.
Aun la recomendación más conservadora no suministraría una protección absoluta contra el
temblor más intenso que pudiera ocurrir. Tampoco parece haber un límite superior dentro de un
intervalo práctico. Por consiguiente, los criterios de diseño sísmico se fundamentan en la
admisión de la posibilidad de colapso de toda la estructura, por remoto que se considere el
fenómeno. Ello conduce a que unas estructuras han de protegerse contra el colapso en mayor
grado que otras, de acuerdo con su importancia.
2.6.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN SU DESTINO
27
El destino de las construcciones debe tomarse como referencia para determinar su importancia, y
con ello, la protección o seguridad que se les provea. En el diseño sísmico de estas estructuras
se seguirán criterios especiales acordes con el estado del conocimiento.
Grupo A+: Las estructuras de "gran importancia", o del Grupo A+, son estructuras en que se
requiere un grado de seguridad extrema. Su falla es inadmisible porque, si se presenta,
conduciríaa la pérdida de miles de vidas humanas, a un grave daño ecológico, económico o
social, o bien, impediría el desarrollo nacional o cambiaría el rumbo del país. Son estructuras de
importancia extrema, como las grandes presas y las plantas nucleares.
Grupo A: Estructuras en que se requiere un grado de seguridad alto. Construcciones cuya falla
estructural causaría la pérdida de un número elevado de vidas o pérdidas económicas o
culturales de magnitud intensa o excepcionalmente alta, o que constituyan un peligro significativo
por contener sustancias tóxicas o inflamables, así como construcciones cuyo funcionamiento sea
esencial a raíz de un sismo. Tal es el caso de puentes principales, sistemas de abastecimiento
de agua potable, subestaciones eléctricas, centrales telefónicas, estaciones de bomberos,
archivos y registros públicos, monumentos, museos, hospitales, escuelas, estadios, templos,
termínales de trasporte, salas de espectáculos y hoteles que tengan áreas de reunión que
pueden alojar un número elevado de personas, gasolineras, depósitos de sustancias inflamables
o tóxicas y locales que alojen equipo especialmente costoso.
Se incluyen también todas aquellas estructuras de plantas de generación de energía eléctrica
cuya falla por movimiento sísmico pondría en peligro la operación de la planta, así como las
estructuras para la transmisión y distribución de energía eléctrica.
Grupo B: Estructuras en que se requiere un grado de seguridad convencional. Construcciones
cuya falla estructural ocasionaría pérdidas moderadas o pondría en peligro otras construcciones
de este grupo o del grupo A, tales como naves industriales, locales comerciales, estructuras
comunes destinadas a vivienda u oficinas, salas de espectáculos, hoteles, depósitos y
estructuras urbanas o industriales no incluidas en el grupo A, así como muros de retención,
bodegas ordinarias y bardas. También se incluyen todas aquellas estructuras de plantas de
generación de energía eléctrica que en caso de fallar por temblor no paralizarían el
funcionamiento de la planta.
28
2.7 FACTOR DE IMPORTANCIA PARA ESTRUCTURAS
Se ha examinado que para el caso de las estructuras esenciales las cuales son denominada
dentro del grupo A suponiendo para el estado límite de colapso, el factor de importancia (1.5) que
prevé el Capítulo de Diseño por Sismo del Manual de Diseño de Obras Civiles de 1993 (CDS-
MDOC93) es óptimo para sitios en la costa del Pacífico.
Se ha determinado que, bajo esta hipótesis, un factor de aproximadamente 1.5 sería también
óptimo para, prácticamente, toda la República Mexicana. Por lo tanto, para estructuras del grupo
A, se recomienda multiplicar todas las ordenadas espectrales correspondientes al estado límite
de colapso de estructuras del Grupo B por el factor 1.5.
2.7.7 INTENSIDADES DE DISEÑO POR CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS
Para estructuras del Grupo A:
• En todo el territorio se aplicará a los espectros para estructuras del Grupo B el factor de
importancia 1.5, obtenido en la sección 3.1.3.1.5 del Manual de Diseño de Obras Civiles (2008)
de estos comentarios, es decir:
Sa (A) =1.5*Sa(B)
Para estructuras del Grupo B:
• En todo el territorio mexicano se hará uso de los espectros de diseño óptimos. La
representación matemática es la siguiente:
Sa(B) = Sa(l)
2.8 FACTOR DE DUCTILIDAD
Para estimar la respuesta sísmica de un edificio regular cuando se le sujeta a una excitación
sísmica, es posible utilizar en ciertos casos sistemas simples. En el caso particular de este
artículo, se utiliza un sistema equivalente de un grado de libertad planteado conforme a lo
discutido por Terán (2004). El planteamiento de las propiedades estructurales del sistema de un
grado de libertad que representa a una edificación contempla los siguientes pasos:
29
Requisitos para Q= 4:
Se usará Q= 4 cuando se cumplan los requisitos siguientes:
a) La resistencia en todos los entrepisos es suministrada exclusivamente por marcos no
contraventeados de acero, concreto reforzado o compuestos de los dos materiales, o bien por
marcos contra venteados o con muros de concreto reforzado o de placa de acero o compuestos
de los dos materiales, en los que en cada entrepiso los marcos son capaces de resistir, sin contar
muros ni contravientos, cuando menos 50 por ciento de la fuerza sísmica actuante.
b) Si hay muros de mampostería ligados a la estructura en la forma especificada en la
sección 1.3.1, éstos se deben considerar en el análisis, pero su contribución a la resistencia ante
fuerzas laterales sólo se tomará en cuenta si son de piezas macizas, y los marcos, sean o no
contraventeados, y los muros de concreto reforzado, de placa de acero o compuestos de los dos
materiales, son capaces de resistir al menos 80 por ciento de las fuerzas laterales totales sin la
contribución de los muros de mampostería.
c) El mínimo cociente de la capacidad resistente de un entrepiso entre la acción de diseño
no difiere en más de 35 por ciento del promedio de dichos cocientes para todos los entrepisos.
Para verificar el cumplimiento de este requisito, se calculará la capacidad resistente de cada
entrepiso teniendo en cuenta todos los elementos que puedan contribuir a la resistencia, en
particular los muros que se hallen en el caso de la sección 1.3.1. El último entrepiso queda
excluido de este requisito.
d) Los marcos y muros de concreto reforzado cumplen con los requisitos que fijan las Normas
correspondientes para marcos y muros dúctiles.
e) Los marcos rígidos de acero satisfacen los requisitos para marcos con ductilidad alta que fijan
las Normas correspondientes, o están provistos de contraventeo excéntrico de acuerdo con las
mismas Normas.
Requisitos para Q= 3:
30
Se usará Q= 3 cuando se satisfacen las condiciones 5.1.b y 5.1.d ó 5.1.e y en cualquier entrepiso
dejan de satisfacerse las condiciones 5.1.a ó 5.1.c, pero la resistencia en todos los entrepisos es
suministrada por columnas de acero o de concreto reforzado con losas planas, por marcos
rígidos de acero, por marcos de concreto reforzado, por muros de concreto o de placa de acero o
compuestos de los dos materiales, por combinaciones de éstos y marcos o por diafragmas de
madera.
Las estructuras con losas planas y las de madera deberán además satisfacer los requisitos que
sobre el particular marcan las Normas correspondientes. Los marcos rígidos de acero satisfacen
los requisitos para ductilidad alta o están provistos de contraventeo concéntrico dúctil, de acuerdo
con las Normas correspondientes.
Requisitos para Q= 2:
Se usará Q= 2 cuando la resistencia a fuerzas laterales es suministrada por losas planas con
columnas de acero o de concreto reforzado, por marcos de acero con ductilidad reducida o
provistos de contraventeo con ductilidad normal, o de concreto reforzado que no cumplan con los
requisitos para ser considerados dúctiles, o muros de concreto reforzado, de placa de acero o
compuestos de acero y concreto, que no cumplen en algún entrepiso lo especificado por las
secciones 5.1 y 5.2 de este Capítulo, o por muros de mampostería de piezas macizas confinados
por castillos, dalas, columnas o trabes de concreto reforzado o de acero que satisfacen los
requisitos de las Normas correspondientes.
También se usará Q= 2 cuando la resistencia es suministrada por elementos de concreto
prefabricado o presforzado, con las excepciones que sobre el particular marcan las Normas
correspondientes, o cuando se trate de estructuras de madera con las características que se
indican en las Normas respectivas, o de algunas estructuras de acero que se indican en las
Normas correspondientes.
Requisitos para Q= 1.5:
Se usará Q= 1.5 cuando la resistencia a fuerzas laterales es suministrada en todos los entrepisos
por muros de mampostería de piezas huecas, confinados o con refuerzo interior, que satisfacen
los requisitos de las Normas correspondientes,o por combinaciones de dichos muros con
elementos como los descritos para los casos de las secciones 5.2 y 5.3, o por marcos y
31
armaduras de madera, o por algunas estructuras de acero que se indican en las Normas
correspondientes.
Requisitos para Q= 1:
Se usará Q= 1 en estructuras cuya resistencia a fuerzas laterales es suministrada al menos
parcialmente por elementos o materiales diferentes de los arriba especificados, a menos que se
haga un estudio que demuestre, a satisfacción de la Administración, que se puede emplear un
valor más alto que el que aquí se especifica; también en algunas estructuras de acero que se
indican en las Normas correspondientes.
En todos los casos se usará para toda la estructura, en la dirección de análisis, el valor mínimo
de Q que corresponde a los diversos entrepisos de la estructura en dicha dirección. El factor Q
puede diferir en las dos direcciones ortogonales en que se analiza la estructura, según sean las
propiedades de ésta en dichas direcciones.
2.9 M O D E L O DE UN GRADO DE LIBERTAD
Para estimar la respuesta sísmica de un edificio regular cuando se le sujeta a una excitación
sísmica, es posible utilizar en ciertos casos sistemas simples. A continuación se presenta un
sistema equivalente de un grado de libertad planteado conforme a lo discutido por Terán (2004).
El planteamiento de las propiedades estructurales del sistema de un grado de libertad que
representa a una edificación contempla los siguientes pasos:
a) Definir algunas propiedades del edificio, tal como la altura total (/-/), periodo fundamental de
vibración (7), coeficiente sísmico (c, definido como el cortante basal último que desarrolla el
sistema normalizado por su peso), y porcentaje de amortiguamiento crítico (£). La Figura II-3
ilustra la definición que se asume para el coeficiente sísmico. Donde W denota el peso total del
edificio.
32
Figura II - 3. Definición del coeficiente sísmico a partir de la curva capacidad.
b) Se establece entonces el sistema equivalente de un grado de libertad a través de asignarle a
su periodo fundamental de vibración, coeficiente sísmico y porcentaje de amortiguamiento crítico,
los valores de T, c y respectivamente, establecidos para el edificio.
2.10 D ISTORSIONES DE ENTREPISO
La distorsión de entrepiso es una de las variables más utilizadas en el análisis símico de
estructuras. Con este parámetro se puede determinar las deformaciones laterales que se originan
en la estructura así como en forma general el daño esperado en una edificación. Este parámetro
también sirve para evaluar el daño de los componentes no estructurales en la edificación como
son las paredes, ventanas, puertas, revestimientos y acabados.
Por otra parte, son susceptibles a las distorsiones de piso también las instalaciones y elementos
colgantes, los anaqueles y equipos que puedan caerse ante la ocurrencia de un sismo. (Aguiar)
La distorsión de entrepiso se define, como el desplazamiento lateral relativo entre dos pisos
consecutivos normalizado por la altura del piso.
2.10.1 DISTORSIONES MÁXIMAS DE ENTREPISO COMITÉ VISION 2000
La distorsión de entrepiso es un parámetro con el cual se puede, determinar en forma general el
daño esperado en una edificación, tanto estructural como no estructural. En la Tabla II-7 se
33
indican los valores máximos de la distorsión de entrepiso, recomendados por el Comité VISION
2000, en función del desempeño esperado de la estructura. Es importante destacar que son
valores referenciales de control.
Tabla II - 7. Distorsiones de piso máximas referenciales, recomendadas por Comité VISION 2000.
2.10.2 DISTORSIONES MÁXIMAS DE ENTREPISO (REYES, 2000).
Se ha observado que los niveles de daño no estructural y estructural que una estructura exhibe
después de un movimiento sísmico, dependen en gran medida de los valores que durante la
excitación sísmica adquiere el desplazamiento máximo. De igual manera, se ha llegado a la
conclusión de que los contenidos de las estructuras son susceptibles a los niveles de velocidad y
la aceleración en las mismas. En particular, mientras estos parámetros de respuesta
(desplazamiento, velocidad y aceleración) se incrementan, mayor es el nivel de daño o
degradación esperado en la estructura y sus contenidos. Esto se ilustra en la Figura II-4 para un
muro diafragma de bloque hueco de concreto estudiado expehmentalmente por Torres (2007).
Figura II - 4 . Evolución del daño estructural en un muro de mampostería en función de su distorsión lateral
(Torres 2007).
34
Note que tanto la extensión como el ancho de las grietas en el muro se incrementan de manera
importante conforme la deformación lateral del muro aumenta (en la figura, DI indica distorsión de
entrepiso, definida como el desplazamiento lateral en el muro normalizada por la altura del
mismo), que la resistencia del muro no es buen indicador del daño en el muro (ya que hay casos
en que un mayor nivel de daño se asocia a un cortante resistente menor), y que el nivel de daño
estructural en el muro es mínimo mientras su respuesta se mantenga en o cercana al rango
elástico de comportamiento (el daño estructural progresa en el muro conforme se incrementa su
nivel de deformación no lineal). Aunque con particularidades propias de cada material, puede
decirse que las observaciones anteriores aplican a todo elemento estructural y no estructural
sujeto a deformaciones laterales derivadas de sismo. Dentro de este contexto, las propiedades
estructurales que deben suministrarse a una estructura deben ser tales que controlen su
respuesta lateral durante el sismo dentro de umbrales que sean congruentes con el nivel de daño
o desempeño deseado para los elementos estructurales, elementos no estructurales y el
contenido de la estructura. La Tabla 11-8 resume valores de distorsión de entrepiso que, de
acuerdo a lo estudiado por Reyes (2000), se asocian a diferentes niveles de daño en marcos de
acero y concreto reforzado.
Tabla II - 8. Distorsión de entrepiso que causa daño en sistemas estructurales de acero y concreto reforzado
(Reyes, 2000).
2.10.3 DISTORSIONES PERMISIBLES DE ENTREPISO SEGÚN N. T. C. D. S
Para seguridad contra colapso, las diferencias entre los desplazamientos laterales de pisos
consecutivos producidos por las fuerzas cortantes sísmicas de entrepiso, calculadas para las
ordenadas espectrales reducidas según la sección anterior, multiplicadas por el factor QR y
divididas por las diferencias de elevaciones correspondientes, no excederán las distorsiones de
entrepiso establecidas en la Tabla II-9 para los distintos sistemas estructurales. (N. T. C. D. S,
2004)
35
Tabla II - 9. Distorsiones permisibles de entrepiso (N. T. C. D. S. 2004)
36
CAPÍTULO III
CASOS DE ESTUDIO
3.1 DESCRIPCIÓN
Para tomar en cuenta las metodologías explicadas en el capítulo anterior y generar los resultados
comparativos, se utilizarán 4 programas denominados DegHosp, EppHosp, DegHosp2 y
EppHosp2, elaborados en FORTRAN para la obtención de las respuestas de sistemas de un
grado de libertad.
Para el estudio se tomarán en cuenta sistemas de un grado de libertad representando sistemas
de múltiples grados de libertad, se hará la comparativa con estructuras normales (Ocupación
Estándar) es decir con un factor de importancia iguala a 1.0 contra estructuras esenciales
(Hospitales) que se encuentran en el grupo A, las cuales cuentan con factor de importancia igual
a 1.5.
Se utilizarán registros de sismos sintéticos para periodos fundamentales de terreno de 1, 2 y 4
segundos, así como la aplicación del espectro de diseño del Apéndice A de las Normas Técnicas
Complementarias para Diseño por Sismo del Distrito Federal (N. T. C. D. S), el espectro se
elaborará con ductilidades "Q" igual a 2, 3 y 4, con el fin de obtener gráficas de periodo -
distorsión y poder evaluar el desempeño sísmico estructural mostrado porla infraestructura de
salud en México.
3.2 D E S E M P E Ñ O DE SISTEMAS HOSPITALARIOS
Para evaluar el desempeño de sistemas hospitalarios, se consideraron edificios de 1 a 50 pisos.
Para determinar el periodo fundamental de vibración se considera que el número de pisos en los
marcos se relaciona con su periodo fundamental de vibración a través de la siguiente expresión:
37
Para el estudio fue considerado para los edificios una altura de entrepiso de 4 metros. Es
importante notar que una vez definido el número de pisos del edificio, es posible establecer su
periodo fundamental de vibración y su altura total. Mientras que para el valor del amortiguamiento
se consideró 5% del crítico.
3.3 RESISTENCIA SÍSMICA APLICADA
Se utilizará para estructuras en las zonas II y III el espectro de diseño del apéndice A de las
Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del Distrito Federal (N. T. C. D. S,
2004), la cual es la encargada de dictar las recomendaciones, pasos y criterios para la
elaboración de un espectro de diseño sísmico. La ordenada de este espectro de aceleraciones,
"a", viene expresada como fracción de la gravedad. (N. T. C. D. S, 2004).
Para la elaboración del espectro de diseño de aceleraciones sísmico es necesario contar con
algunos datos iniciales: como zona sísmica, en la cual se desplantará la estructura, el factor de
comportamiento sísmico "Q", y el periodo dominante más largo del terreno "Ts", estos datos de
inicio se muestran en la Tabla 111-1.
Tabla III - 1 . Tabla con datos para la elaboración de los espectros de diseño.
(111-1)
38
Con la información mostrada en las Tabla 111-1 y con la aplicación de las ecuaciones presentadas
en el Apéndice A de las N. T. C. D. S. (2004) es posible generar el espectro elástico de diseño
sísmico, que es conocido también como espectro de colapso, como se muestra en la Figura II1-1
a Figura III- 6. A partir de este espectro elástico se podrá elaborar obtener el espectro reducido
de diseño sísmico aplicando el factor de reducción por ductilidad " Q' " y el factor de sobre
resistencia "R", ambos factores se describen en las N. T. C. D. S. (2004).
Para el estudio se tomó en consideración el espectro de diseño inelástico reducido soló por
ductilidad aplicando el factor de reducción por ductilidad "Q' " del apéndice A de las N. T. C. D.
S., en total se determinaron 9 espectros de diseño, para periodos dominantes del terreno "Ts"
iguales a 1,2 y 4 segundos, aplicándoles una ductilidad Q igual a 2, 3, 4 para cada periodo
dominante del terreno.
Como el estudio está basado en edificaciones del tipo esencial (categoría A), se tendrá que
tomar la importancia de la estructura, esto se hace aplicando el factor de importancia el cual
multiplicará todas las ordenadas espectrales.
Para hacer posible un mejor entendimiento de las consecuencias de utilizar un factor de
importancia de 1.5 durante el diseño de la resistencia lateral de una instalación hospitalaria, se
consideraron dos grupos de edificios. Ambos grupos exhiben las mismas propiedades respecto a
periodos fundaméntales de vibración, alturas y coeficiente de amortiguamiento, las resistencias
del segundo grupo (edificios de hospitales) exhiben resistencias laterales que son 50% mayores
respecto a las que corresponden al primer grupo (edificios con ocupación estándar) debido al uso
del factor de importancia de 1.5 aplicado a las ordenadas espectrales de los espectros de diseño
en consideración, los cuales contemplan ductilidades de 2, 3 y 4.
A continuación en la Figura 111-1 a Figura III-6 se muestran los espectros de diseño elásticos o de
colapso para estructuras de ocupación estándar y estructuras esenciales (hospitales) se
elaboraron para diferentes periodos dominantes del Terreno Ts =1, 2 y 4 segundos, estos
espectros fueron elaborados siguiendo las consideraciones del Apéndice A de las Normas
Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del Distrito Federal.
Figura III - 1 . Espectro elástico para ocupación estándar para Ts = 1 seg.
39
Figura III - 2. Espectro elástico para Estructuras Esenciales para Ts = 1 seg.
40
Figura III - 3. Espectro elástico para ocupación estándar para Ts = 2 seg.
Figura III - 4 . Espectro elástico para Estructuras Esenciales para Ts = 2 seg.
Figura III - 5. Espectro elástico para ocupación estándar para Ts = 4 seg.
41
Figura III - 6. Espectro elástico para Estructuras Esenciales para Ts = 1 seg
42
3.4 REGISTROS DE MOVIMIENTOS DEL TERRENO
Respecto a los movimientos del terreno considerados para el este estudio, se utilizaron 3 grupos
de registros, con periodos dominantes del terreno de 1, 2 y 4 segundos; el primer grupo consta
con registro de siete movimientos de banda angosta incluidos en la Tabla III-2, los cuales se
registraron en terrenos con periodos dominantes (Ts) cercanos a los dos segundos. Estos
movimientos del terreno se escalaron de tal manera que su velocidad máxima del terreno fuera
igual a la correspondiente al registro SCT EO-85.
Tabla III - 2. Movimientos del terreno asociados a Ts= 2.
Los grupos 2 y 3.constan de registros de 20 movimientos de banda angosta, los cuales están
incluidos en las Tabla 111—3 y Tabla 111-4, los cuales se registraron en terrenos con periodos
dominantes (Ts) de 1 y 2 segundos, respectivamente. Estos movimientos del terreno se
determinaron de manera sintética y fueron proporcionados para el estudio por el Dr. Amador
Terán Gilmore.
Tabla III - 3. Movimientos del terreno asociados a Ts= 1.
44
Tabla III - 4 . Movimientos del terreno asociados a Ts= 4.
3.5 DETERMINACIÓN DE LA DISTORSIÓN ELÁSTICA DE ENTREPISO
Una vez establecido el sistema equivalente de un grado de libertad, se le sujeta a la acción del
sismo bajo consideración, y se establecen sus demandas sísmicas. En este artículo se
consideran las demandas máximas de ductilidad (u S Í G / . ) y de desplazamiento lateral (5sigl)- En
función del número de pisos del edificio y el valor de U S Í G L , es posible establecer su demanda
máxima de desplazamiento de azotea conforme a la ecuación (III-2):
(III-2)
45
En la ecuación (II1-2) a es un factor que se calibra a partir del estudio analítico de edificios con
sistemas estructurales similares al que se estudia. Con base en las recomendaciones del FEMA
306 (Applied Technology Council 1998) y en los estudios llevados a cabo por Terán (2004), la
Tabla III-5 presenta valores de a que pueden ser utilizados para el caso de edificios
estructurados con base en marcos regulares resistentes a momentos. En caso de que el valor de
PSÍGÍ. sea menor que uno o se encuentre en el rango que va de uno a dos, es necesario interpolar
con base en los valores incluidos en la tabla.
Tabla III - 5.Valores de a para marcos regulares resistentes a momentos.
Una vez que se tiene la máxima demanda de desplazamiento de azotea, es posible hacer una
estimación de la máxima demanda de distorsión de entrepiso (Dlmax):
H
(IH-3)
En la ecuación (II1-3) COD es un coeficiente que considera que la demanda de distorsión de
entrepiso no es constante a lo largo de la altura del edificio. Con base en las discusiones
planteadas por Qi y Moehle (1991) y Bertero et al. (1991), y en los estudios llevados a cabo por
Terán (2004), la Tabla III-6 ofrece valores de COD para marcos momento-resistentes regulares.
Mientras que en el caso de que el valor de U S ÍG/. sea menor que uno debe usarse un COD igual a
1.2, cuando esta demanda se encuentre en el rango que va de uno a dos, es necesario interpolar
con base en los valores incluidos en la Tabla III-6.
46
Tabla III - 6. Valores de COD para marcos momento-resistentes regulares.
En el estudio se hace la consideración de que el sistema que ha permanecido elástico {\¡sigl ^1)
al momento la excitación sísmica no sufre daño estructural ya que, como se discutió antes, el
nivel de daño estructural exhibe una alta