GUÍA DE DISEÑO BASADO EN DESEMPEÑO
(Performance –Based Design Gu idelines
idelines )
Cristian Fernando Espitia Cárdenas*
* Ingeniero Civil. Estudiante especialización en estructuras
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.
cristian.espitia@uptc.edu.co
Resumen:
Abstract:
Las primeras guías de diseño por
desempeño nacieron como criterios de
evaluación para estructuras existentes
[1], cuyo objetivo era medir la seguridad
de las mismas, pero luego, otras
consideraciones de gran importancia
como el concepto de control de daño y
los
estados
de
desempeño,
especialmente los referidos al nivel de
ocupación inmediata y al nivel
operacional post-sismo, empezaron a
tomar fuerza.
The first design by performance
guidelines were born as evaluation
criteria for existing structures [1], which
aimed to measure the safety of them, but
then, other considerations of great
importance such as the concept of
damage control and States of
performance, especially those related to
immediate occupancy level and at the
operational level post-seismic began to
take hold.
Los primeros resultados visibles se
produjeron con la publicación del Vision
2000, del FEMA 273 y el FEMA 274,
luego aparecería el ATC-40. [2] Aunque
éstas, diferían en los términos y
definiciones específicas, los objetivos de
desempeño y el proceso iterativo de
diseñar-evaluar era un punto en común.
En la actualidad, una de las directrices
más dicientes en el tema es el ASCE 4113. Ésta se centra en la evaluación y
rehabilitación de estructuras existentes,
por lo que se hace necesario desarrollar
una guía que sirva como una primera
pauta para estudiantes y diseñadores
que quieran introducirse en el tema.
The first visible results occurred with the
publication of the Vision 2000, FEMA
273 and the 274 FEMA then the ATC-40
would appear. [2] Although these differed
d iffered
in terms and specific definitions,
performance objectives and the process
of iterative design - assess was a point in
common.
Currently, one of the most important
guidelines on the subject is the ASCE 4141 13. This focuses on the evaluation and
rehabilitation of existing structures, so it
is necessary to develop a guide that
serves as a first guideline for students
and designers who want to get into the
subject.
Desempeño, objetivos
de desempeño, control de daño, riesgo
sísmico, evaluación de pérdidas.
Palabras claves:
Keywords: Performance, performance
objects, damage control, seismic hazard,
losses evaluation.
1. Introducción
El diseño por desempeño se ha venido utilizando en el la concepción de
edificaciones de gran altura desde hace aproximadamente treinta años, sin
embargo, su difusión en el mundo se ha dado hace apenas algunos años. Algunas
organizaciones como la PEER (Pacific Earthquake Engineering Research) ,1 han
desarrollado recientemente documentos que orientan el diseño de edificaciones
hacia la metodología del diseño basado en desempeño (Performance Based Design
– PBD), que sumado a las iniciativas de países como Estados Unidos y Filipinas
que han optado por permitir de manera opcional los análisis no lineales en el diseño
de sus estructuras, han propiciado que a nivel global se despierte un gran interés
por el tema.
Pero este interés generado ha nacido de eventos sísmicos relativamente recientes,
terremotos como el de Loma Prieta (1989) y Northbridge (1994), dejaron en claro
que el diseño estructural de la época estaría lejos de lograr cumplir con los objetivos
mínimos, esto se debe a que a pesar de proveer diseños capaces de soportar un
evento de moderada magnitud, los daños en elementos no estructurales, y las
averías en las redes de servicios, hicieron que fuera necesario ver la filosofía del
diseño estructural desde otra perspectiva, es allí donde surge la necesidad de
reevaluar lo hasta entonces desarrollado y se encomienda al SEAOC (structural
Engineerings Association Of California) el desarrollo de un nuevo código, es así
como en el año 1995 se publica el Vision 2000, con el objetivo principal de evaluar
las estructuras que quedaron afectadas luego de 1994, luego, se da un sin número
de publicaciones referentes al tema hasta la actualidad.
La presente publicación se convierte entonces en el fruto de la revisión del diseño
por desempeño, con el objetivo de convertirse en un acercamiento preliminar a
diseñadores y estudiantes en el diseño basado en desempeño, presentando en
esencia lo contenido en el ASCE 41-13.
1
En el año 2010 publica Guidelines for Performance Based Seismic Design of Tall Buildings.
2. Marco Teórico
2.1.
Del d is eñ
o p o r d es em p eñ
o
El diseño por desempeño busca establecer unas metas medibles mediante un
control de daño (deformaciones o rotaciones en componentes), de acuerdo a un
nivel de amenaza y a la evaluación de unas pérdidas admisibles de orden humano,
económico (restauraciones) y de tiempo ( downtime). A continuación se presenta el
flujograma propuesto por el FEMA 445, definiendo cuatro etapas generales.
Figura 1. Etapas generales del diseño por desempeño
2.2
2.3
2.4
2.5
Fuente. (FEMA - Federal Emergency Management Agency, 2013). FEMA 445 -06
2.2.
Selecc ión de los ob jetivo s de des emp eñ
o
Las metas de diseño se deben seleccionar en función de diferentes factores como
son:
2.2.1. Nivel de amenaza:
Los códigos de diseño basados en resistencia técnicamente también son
basados en desempeño, sin embargo, estos consideran únicamente los
objetivos básicos de desempeño, donde el criterio más empleado
(incluyendo el NSR-10) es utilizar un nivel de seguridad de la vida para
un sismo con periodo de retorno de 475 años (10% de probabilidad de
excedencia en 50 años).
Figura 2. Objetivos de desempeño y periodos de recurrencia de los sismos de diseño.
Fuente. (SEAOC - Structural Engineerings Association of California, 1995)
2.2.2. Las pérdidas:
En algunos eventos sísmicos se pudo observar que a pesar que las
edificaciones tenían la capacidad de soportar sismos moderados y raros
sin presentar colapso, los costos que implicaban retornar a la estructura
a su nivel pre-sismo eran inconcebibles, fue de esta forma que se propuso
que deberían evaluarse tres tipos de pérdidas:



Pérdidas humanas (Causalities).
Pérdidas económicas, Representadas en los costos de restauración de
la estructura de manera que se logre retornar a su estado inicial antes
del sismo.
Pérdidas por interrupción en la ocupación de la estructura (Downtimes),
Concierne al tiempo que habrá que deshabitar la edificación a causa de
las reparaciones a que hubiere lugar.
2.2.3. Los niveles de daño:
(Ruíz, Jaramillo, Riveros, & Gallego-Silva, 2012) , presentan una relación
entre los niveles de daño en términos de deformación y capacidad en
términos de fuerza resistente.
En esta gráfica se puede observar que niveles de daño más exigentes
presentan menores deformaciones, atendiendo deformaciones
excesivas redundarán en la reducción de la resistencia y la rigidez de la
estructura. Sin embargo, se puede notar que la ductilidad entendida
como la capacidad de deformación en el rango plástico, es una propiedad
que permite alcanzar el aseguramiento de
especialmente fuera del rango de daño controlado.
algunos
niveles,
Figura 3. Niveles de desempeño vs desplazamiento global de la edificación.
Fuente. (Ruíz, Jaramillo, Riveros, & Gallego-Silva, 2012)
Definición de los niveles de daño de acuerdo al International Building Code - IBC :


Daño leve (Mild impact): En este nivel la estructura no presenta daños de orden
estructural y es segura para ser ocupada. Los sistemas no estructurales
necesarios para el uso convencional de la edificación, así como para
emergencias son completamente funcionales. Los daños a los elementos
contenidos dentro de la edificación son mínimos.
Daño moderado (Moderate impact): Representa un daño estructural reparable,
sumado a algunas pérdidas por interrupción en la ocupación . Los componentes
no estructurales necesarios para habitar la edificación son completamente
funcionales, aunque puede ser necesario algún tipo de limpieza y reparación,
los sistemas de emergencia son totalmente funcionales. La probabilidad de
pérdidas humanas de manera individual es baja y de pérdidas de manera grupal
es muy baja.


Daño alto (High impact): Significativo daño a los elementos estructurales pero
sin caída de escombros. Es posible reparar los elementos estructurales
dañados, pero las pérdidas por interrupción en la ocupación son considerables.
Los elementos no estructurales necesarios para la ocupación normal de la
edificación pueden resultar considerablemente dañados o en dados casos
irreparables. La probabilidad de pérdidas humanas de manera individual es
moderada y de manera grupal es baja.
Daño severo (Severe impact): En este nivel el daño a los elementos
estructurales es muy significativo y su reparación no es técnicamente posible,
sin embargo, los componentes estructurales aún tienen la capacidad de resistir
las cargas gravitacionales. La edificación no es segura para ser reocupada
porque es susceptible de colapsar. Las lesiones a los ocupantes puede ser alta
con significativa amenaza a la vida. La probabilidad de pérdidas humanas de
manera individual es alta y de manera grupal es moderada.
Por su parte, el ASCE 41-13 también sus niveles de desempeño, en donde los
niveles de daño contenidos en este código se encuentran enmarcados al igual
que los del IBC dentro de cuatro categorías que se nombran como daño severo,
daño moderado, daño leve y daño muy leve.
Figura 4. Niveles de desempeño para edificaciones de acuerdo a ASCE 41-13.
Fuente. (ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers, 2014)
Una de las ventajas que posee el ASCE 41-13, es la de integral el desempeño de
componentes del sistema de resistencia sísmica y componentes no estructurales,
esta interacción da lugar a la generación de niveles intermedios a los mostrados en
la figura 4.
Tabla 1. Combinaciones de niveles de desempeño sísmico para componentes estructurales y no
estructurales.
Fuente. (FEMA - Federal Emergency Management Agency, 2013)
2.3.
Dis eñ
o pr elim in ar de la ed ific ación
2.3.1. Amenaza sísmica
Puede ser de dos tipos, una de orden probabilístico y otra de orden determinístico,
la primera entonces aplica para lugares que por su localización geográfica
equidisten relativamente de varias zonas de fallas activas y tengan influencia
significativa en cuanto a amenaza se refiere de más de una de estas fallas, para
determinar esto los códigos de diseño han realizado análisis de desagregación
sísmica, de manera que han clasificado estas amenazas de acuerdo a parámetros
de orden global. En este caso puede emplearse un espectro de aceleración de
respuesta.
Por su parte la amenaza determinística se debe aplicar para lugares que se
localicen a distancias menores a los 10 km de una falla activa y en donde esta regule
la sismicidad del lugar, para este caso deberá realizarse un análisis de orden local
y no se recomienda la utilización de los espectros propuestos en los códigos porque
pueden conllevar en estos casos a clasificar dentro de una amenaza menor. Para
este caso, se deberán obtener las señales de aceleración de respuesta. No
obstante, de acuerdo a lo presentado por el ASCE 41-13, deberá también hacerse
análisis local para suelos tipo D con aceleraciones iguales o mayores a 0.8g y para
todas las condiciones en donde se encuentre suelos tipo F.
2.3.2. Dimensionamiento de la estructura:
Las consideraciones de sistemas estructurales a emplear, materiales y condiciones
del entorno deben asociarse de manera inicial a las prescripciones de los
reglamentos basados en resistencia, desafortunadamente aún no existen
referencias que permitan servir como punto de partida en el predimensionamiento
de componentes para estructuras diseñadas por desempeño, la relativamente
nueva metodología y la escases de proyectos en nuestro medio a los que se haya
aplicado la filosofía de diseño impiden que mediante la experiencia se pueda
aventurar a definir recomendaciones de este tipo. Debe considerarse que el
procesos del PBD obedece a un proceso iterativo diseñar-evaluar por lo que esta
etapa no deberá tomarse a la ligera.
2.4.
Ev alu aci ón del des em peñ
o
De acuerdo al ASCE 41-13, se permiten emplear cuatro tipos de análisis en la
evaluación de las estructuras diseñadas por desempeño , estos tipos de análisis son:




Análisis Lineal Estático (Lineal Static Procedure – LSP)
Análisis Lineal Dinámico (Lineal Dinamic Procedure – LDP)
Análisis No lineal Estático (Nonlineal Stactic Procedure – NSP)
Análisis No lineal Dinámico (Nonlineal Dinamic Procedure – NDP)
Tabla 2. Procedimientos de análisis permitidos por el ASCE 41-13
LINEALES
ESTÁTICO
Fuerza
horizontal
equivalente
LSP
DINÁMICO
Análisis
modal
espectral
LDP
NO LINEALES
ESTÁTICO
DINÁMICO
Pushover
Cronológico espectral (Time
history)
NSP
NDP
La posibilidad de poder aplicar o no cualquiera de estos procedimientos dependerá
del cumplimiento de algunas consideraciones, así por ejemplo el LSP no puede ser
aplicado a estructuras de altura considerable. En resumen el método LSP puede ser
empleado en estructuras de altura menor y que no presenten irregularidades. El
método LDP, se empleará para estructuras irregulares pero con significativa
participación poca participación de masa en los primeros modos o cuando se
requiera un análisis no lineal. EL NDP se dispondrá cuando sea necesaria una alta
precisión y se disponga de los medios para hacerlo, muy pocos proyectos pueden
permitirse este procedimiento.
2.5.
Criterios de aceptación y verificación de los ob jetivos
2.5.1. Acciones controladas por fuerza y acciones controladas por deformación
Todas las acciones deben ser clasificadas en una de las siguientes tres categorías:
Figura 5. Curvas de fuerza vs deformación para componentes.
Fuente. (ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers, 2014)
Para todas las curvas la trayectoria entre los puntos 0 y 1 describe la zona elástica y los
puntos 1 a 3 muestran el rango plástico, el punto 3 representa la pérdida de capacidad
de resistencia ante fuerzas sísmicas y el 4 la pérdida de resistencia ante cargas
gravitacionales. El rango plástico puede tener una pendiente positiva o negativa
después del límite elástico (puntos 1 a 2), así como una zona de reducción de la
resistencia pero que aún aporta contra cargas de sismo y de gravedad (puntos 2 a 3).
La curva 1 es típica de acciones controladas por deformación y es representativa de
comportamiento dúctil. Las acciones de los componentes primarios se pueden clasificar
como controladas por deformación si d ≥ 2g, de lo contrario se clasificarán como
controlados por fuerza. Por su parte si los componentes primarios cumplen esta
condición, los elementos secundarios serán clasificados como controlados por
deformación para cualquier relación entre d/g (deformación elástica / deformación
plástica).
La curva 2 es representativa de comportamiento dúctil. Las acciones de los elementos
primarios se pueden clasificar como controladas por deformación si e ≥ 2g, de lo
contrario se clasificarán como controlados por fuerza. Por su parte si los componentes
primarios cumplen esta condición, los elementos secundarios serán clasificados como
controlados por deformación si f ≥ 2g de lo contrario se clasificarán como controlados
por fuerza.
La curva 3 es representativa de comportamiento frágil. Las acciones de los elementos
primarios se clasifican como controladas por fuerzas si e ≥ 2g, de lo contrario se
clasificarán como controlados por fuerza. Los componentes secundarios serán
clasificados como controlados por deformación si f ≥ 2g de lo contrario se clasificarán
como controlados por fuerza.
NOTA: Un componente dado puede tener una combinación de control por deformación
y control por fuerzas
Una vez realizado el análisis se determina el nivel de desempeño de cada componente
empleando una curva fuerza – deformación como las que se muestran a continuación:
Figura 6. Curvas fuerza - deformación para componentes o elementos
Fuente. (ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers, 2014)
Para algunos componentes es necesario determinar los criterios de aceptación en
términos de la deformación medida como θ o ∆, y comparada a través de relaciones
de deformación, para esto se pueden utilizar dos tipos de curvas idealizadas.
La primera (ver literal a de la figura anterior), muestra la fuerza normalizada Q/Qy
contra la deformación θ o ∆, y los parámetros a, b y c.
La figura b muestra la fuerza normalizada Q/Qy contra la deformación normalizada
θ/θy, ∆/∆y o ∆/h, y los parámetros d, e y c.
El criterio de aceptación para deformación o relaciones de deformación para
componentes primarios (P) y componentes secundarios (S), corresponderán a los
objetivos de desempeño definidos en el numeral 2.2, para esto se deberá consultar
entrar para cada uno de los componentes en una curva como la indicada en el literal
c de la figura 6. Algunos programas permiten facilitar la evaluación de estructuras
mediante análisis por desempeño, sin duda uno de los más destacados es
Perform3D®.
3. Discusión
Pese a que el diseño por desempeño no se ha implementado de forma obligatoria
en los códigos para edificaciones a nivel mundial, ya se están abriendo ventanas
que indican que probablemente la normativa del diseño sismo resistente se enfoque
hacia esta nueva metodología. El PBD ya es permitido como método alternativo en
Estados Unidos y Filipinas, mientras que en Japón y China es se usa para
estructuras altas y de características especiales. Definiendo los primeros pasos
hacia el cambio en la filosofía del diseño estructural.
Una vez cumplida la revisión de la bibliografía y del estado del arte a nivel global,
se encontró que no existe una guía de diseño para edificaciones de baja altura, uno
de los documentos de mayor relevancia es el denominado Guidelines for
Performance- Based Seismic Design of Tall Buildings, sin embargo este limita su
alcance a edificaciones con periodos mayores o iguales a 1 seg. ¿Se deberá a que
para estructuras tan pequeñas, no tienen la importancia requerida para ser
analizadas?, ¿tendrá alguna influencia el periodo de vibración de este tipo de
edificaciones en el análisis por desempeño? Sin duda se abren nuevos caminos de
investigación en cuanto al diseño por desempeño se refiere.
Por otra parte, la norma colombiana ya dispone de algunas facilidades para la
aplicación del PBD, por ejemplo en la determinación de las derivas máximas, en
donde expresa:
Cuando se haya efectuado un análisis inelástico verificando el desempeño
de la totalidad de los elementos estructurales en un rango de desempeño no
mayor a “Protección de la Vida” (LS según los requerimientos del ASCE 31 y
ASCE 41), las derivas pueden multiplicarse por 0.7 antes de hacer la
comparación con los límites dados en la tabla A.6.4-1. (AIS - Asociación
Colombiana de Ingeniería Sísmica, 2010).
Esta consideración permite que las derivas máximas para una estructura diseñada
con las prescripciones del NSR-10, pero que se ha analizado de acuerdo a
principios del diseño por desempeño, puedan ser aumentadas en poco más del
40%, ¿pero qué pasa con el control del daño?, ¿cuál es la importancia de la dualidad
rigidez-ductilidad en el diseño por desempeño?
4. Conclusio nes y recomendacion es



Dentro de los métodos disponibles para llevar acabo el análisis en un diseño
por desempeño, los de tipo no lineal ofrecen mayor precisión, sin embargo,
emplear un análisis dinámico no lineal ( Time history), requiere de una
cantidad adicional de recursos que solo pocos proyectos se pueden permitir,
por lo que el análisis estático ( Pushover), presenta una de las mejores
alternativas para los diseñadores.
El concepto de daño ha logrado definir nuevas consideraciones en el diseño,
desde la perspectiva de que este último no solo debe prever la protección de
la vida, sino que deberá anticiparse a la reducción de las pérdidas hasta
niveles económica y temporalmente admisibles. Desde esta perspectiva será
imperativo que en un futuro próximo por lo menos nuestras edificaciones
identificadas con grupo de uso IV y catalogadas como indispensables, sean
diseñadas por desempeño.
Se recomienda para futuras investigaciones, realizar la evaluación de una
estructura que cumpla con los requisitos del diseño por resistencia dados en
el NSR-10, verificando su nivel de desempeño real y/o comparando las
derivas (aplicando la reducción permitida en A.6.4.1.2 equivalente al 0.7 para
cuando se efectúe un análisis inelástico basado en el ASCE 41).
Referencias
AIS - Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. (2010). Reglamento
Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10. Bogotá D.C.
ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers. (2014). Seismic Evaluation and
Retrofi t of Existing Buildings. Reston, Virginia: ASCE.
ASCE 7-10 American Society of Civil Engineers. (2010). Minimum Design Loads
for Buildings and Other Structures. Reston, Virginia: ASCE.
Bertero, R., & Bertero, V. (2002). Performance-based seismic engineering: The
need for a reliable conceptual comprehensive approach.
Bozorgnia, Y., & Bertero, V. (2004). Earthquake engineering from engineering
seismology to performance-based engineering. California: CRC PRESS.
FEMA - Federal Emergency Management Agency. (2013). Design Guide for
Improving School Safety in Earthquakes, Floods, and High Winds.
Washington: FEMA.
FEMA - Federal Emergency Management Agency. (2013). Design Guide for
Improving School Safety in Eathquakes, Floods, and High Winds .
Recuperado el 17 de Septiembre de 2015, de http://www.fema.gov/medialibrary-data/20130726-1530-20490-8554/424_ch2_web.pdf
Hidalgo, V. A. (2015). Determinación de la Demanda Sísmica en Diafragmas de
Piso. Bogotá: Universidad de los Andes.
Klemencic, R., Li, G.-Q., & Fry, J. (2012). Performance-Based Seismic Design State of Practice 2012. Recuperado el 10 de Septiembre de 2015, de
Council on Tall Buildings and Urban Habitat:
http://global.ctbuh.org/resources/papers/download/918-performance-basedseismic-design-state-of-practice-2012.pdf
Krawinkler, H., & Miranda, E. (2004). Performance-Based Earthquake Engineering.
California: CRC PRESS.
Ruíz, D., Jaramillo, R., Riveros, C., & Gallego-Silva, M. (2012). Edificios de
concreto reforzado siguiendo la NSR-10 vs sismo de Quetame registrado
en Bogotá D.C. Medellín: Revista Ingeniería y Ciencia EAFIT.
SEAOC - Structural Engineerings Association of California. (1995). Vision 2000 - A
framework for performancebased design. Sacramento .