El diseño basado en el desempeño es un método para diseñar estructuras con un desempeño predecible para las cargas inicialmente consideradas. Este enfoque se utiliza para diseñar un edificio nuevo o evaluar una estructura existente. En el diseño basado en el desempeño, los ingenieros civiles primero determinan el desempeño específico de las estructuras en consulta con el propietario y luego proceden a diseñar o evaluar la estructura existente.
El diseño basado en el desempeño se utiliza a menudo en el contexto de cargas sísmicas. Primero se completa la evaluación de la estructura existente o de la estructura de diseño frente a posibles cargas sísmicas. Sin embargo, en la construcción moderna, el diseño basado en el desempeño se utiliza ahora en el diseño de vientos y terremotos, análisis y diseño de explosiones y análisis de colapso progresivo.
Además, en el diseño de estructuras orientado al rendimiento también se tiene en cuenta el comportamiento de los elementos no estructurales.
Debido al comportamiento dinámico de las cargas a considerar, como las cargas de viento y explosiones, los ingenieros civiles han comenzado a considerar este tipo de construcciones.
Para explicar mejor este concepto, primero seleccionamos un nivel de ocupación en el que la estructura debe comportarse con una carga determinada inicialmente por el propietario. Por ejemplo, considere un terremoto de magnitud 7,5. Luego consideramos los valores de carga/aceleración relevantes para el diseño sísmico basado en el desempeño. Ahora conocemos las entradas y salidas. Luego cambiamos la rigidez estructural para utilizar estas cargas y resultados. Esto puede denominarse diseño de edificios sísmicos basado en el desempeño.
En resumen, se pueden identificar los siguientes pasos en la planificación de la construcción de un nuevo edificio orientada al rendimiento.
- Establezca objetivos de rendimiento para entradas específicas a considerar.
- Continuar con el primer borrador.
- Compruebe si se lograron los resultados deseados.
La deformación de la estructura se evalúa en busca de deriva monitoreando el comportamiento de los elementos estructurales y no estructurales. Las limitaciones de deriva se establecen en pautas como FEMA 273 y FEMA 356.
Las restricciones aplicables se aplican no sólo a los elementos verticales sino también a otros elementos.
Las pautas proporcionadas en FEMA 356 se pueden utilizar para definir los niveles de desempeño. Se pueden especificar en términos de la deformación/desviación lateral del edificio o como la formación de las bisagras.
El nivel de ocupación tiene tres estados definidos en función de la rotación del elemento. Se especifican según la rotación de la bisagra. La siguiente figura de FEMA 356 muestra la formación de niveles de ocupación según el cambio global.
Como se indica en FEMA 356, hay tres niveles de ocupación.
- Compra inmediata
- Seguridad del ascensor
- Prevención de colapso
Los niveles de ocupación también se definen en función de la deformación de la estructura como se discutió anteriormente. La definición de los niveles de ocupación de los elementos estructurales se basa en el giro de la bisagra.
Aunque el comportamiento de los elementos es el que se muestra en la figura anterior, en el análisis estructural se considera un comportamiento simplificado. La curación de la fuerza de desplazamiento proporcionada en el manual del software de análisis estructural Sap2000 se muestra en la siguiente figura.
La variación para cada nivel de ocupación se muestra en la figura anterior. Además, el colapso no significa que colapsen por completo. Hay cierta rigidez en el miembro estructural después de que repentinamente pierde su rigidez, como lo indica el área CDE en la figura anterior.
El comportamiento del elemento se expresa por la rotación de la bisagra. La rotación de la bisagra se puede especificar en la siguiente figura. Especifica la rotación relativa y los niveles en los que la bisagra muestra cada nivel de ocupación.
La figura anterior fue extraída del software Sap2000.
La rotación del elemento o bisagra está definida por el diagrama momento-curvatura. Si podemos generar el momento flector de una sección, esto se puede utilizar para generar la curva de rotación de la bisagra. Sap2000 ofrece esta posibilidad. También existen otros programas que ofrecen estas opciones.
Cuando el perfil se crea usando Profile Designer en SAP2000, el diagrama de momento-curvatura requerido para crear la bisagra se crea automáticamente. Esto nos permite definir la bisagra.
Analicemos cada nivel de ocupación.
Los niveles de ocupación se definen para identificar el comportamiento de los elementos estructurales y determinar su estado. Los niveles de ocupación representan el estado del elemento desde operativo hasta falla.
Como se mencionó anteriormente, la tasa de ocupación es una indicación del grado de daño estructural. Además, puede considerarse como un nivel de seguridad para los residentes del edificio. Cuanto mayor sea la tasa de ocupación, mayor será el riesgo para las personas en el edificio.
Analicemos cada nivel de ocupación en detalle.
Nivel de potencia para ocupación inmediata
- Como sugiere el nombre, podemos ingresar al edificio inmediatamente después de un evento repentino como un terremoto o una explosión.
- El daño estructural es menor.
- No existen grietas importantes en la estructura, son pequeñas.
- No existen deformaciones permanentes en la estructura.
- Sistemas mecánicos como ascensores, sistemas de alarma y protección contra incendios, etc. están funcionando correctamente.
- Los sistemas eléctricos funcionan correctamente incluso cuando el edificio está inmediatamente ocupado.
- El aumento de las tensiones estructurales no es significativo en comparación con sus valores límite. El ligero aumento puede haber provocado pequeñas grietas.
- Lesiones leves a los ocupantes, pero no lesiones graves ni peligro para la vida.
- Las estructuras de acero también se sienten ocupadas y se espera una ligera escorrentía.
Nivel de desempeño de seguridad humana
- Una deformación adicional del elemento estructural conduce a este nivel de ocupación. Si consideramos una misma estructura, es necesaria una carga mayor a la aplicada para alcanzar el nivel de ocupación inmediato para que los elementos estructurales se comporten en el nivel de ocupación que garantice la seguridad de la vida.
- En este estado límite se pueden observar grandes grietas en la estructura.
- El marco es reparable.
- Las reparaciones conllevan costes importantes.
- Puede ser que los elementos estructurales hayan perdido rigidez debido al agrietamiento.
- Los componentes no estructurales pueden caer al escenario.
- Los tabiques pueden dañarse o romperse por los efectos de cargas laterales .
- La caída de componentes no estructurales y otros objetos puede lesionar a los ocupantes.
- Con esta tasa de ocupación, es de esperar muertes.
- Sin embargo, puede ocurrir que las personas caigan con lesiones graves.
- Puede producirse una deformación permanente de los componentes.
- Pueden producirse daños importantes en la tecnología de la construcción, como por ejemplo los ascensores.
- Además, las estructuras de acero también pueden sufrir una tensión significativa.
- Evaluar el estado de la estructura y realizar las reparaciones necesarias para la ocupación del edificio.
Nivel de rendimiento de prevención de colapso
- La estructura no colapsó. Diseñamos estructuras para que, cuando lleguen a esta etapa límite, no colapsen.
- Este tipo de daños surgen porque la estructura está sometida a cargas laterales muy elevadas o porque su rigidez es insuficiente para soportar las cargas laterales.
- Incluso si la estructura no se ha derrumbado, algunas partes o elementos estructurales pueden haber fallado y colapsado.
- El daño estructural es significativo.
- La estructura no es reparable y no se puede reutilizar.
- Los ocupantes podrían haber caído al agua. Puede haber lesiones. Sin embargo, las vidas de la mayoría de los prisioneros están a salvo.
- Los edificios están diseñados para comportarse en este estado límite cuando se exponen a una carga lateral demasiado alta para evacuar a los ocupantes.
- Si el edificio alcanza este nivel de ocupación corre el riesgo de derrumbarse. Para evitar más muertes, se debe realizar una evacuación inmediata.
- En las estructuras de acero también se pueden esperar daños de una magnitud similar. Sin embargo, el tipo de daño puede variar a medida que cambia el material. Normalmente se esperan errores de conexión.
No linealidad de materiales en el diseño basado en el desempeño
Considerar la no linealidad del material es uno de los principales objetivos al diseñar estructuras para cargas más altas que pueden identificarse como inusuales. Los terremotos y las cargas explosivas son eventos raros a los que está expuesta la estructura.
Si la estructura debe comportarse en el rango lineal bajo cargas tan elevadas, se requerirá una rigidez muy alta para soportar estas cargas. Esto aumentará significativamente los costes para el propietario del edificio.
Si hay más, ¿por qué no se utilizan?
Más allá de la región lineal, como se analizó anteriormente, existe una rigidez estructural considerable.
Podemos permitir que la estructura actúe en estas áreas porque conocemos el comportamiento estructural bajo cargas tan extraordinarias.
Si conocemos la carga esperada y el comportamiento estructural, podremos utilizarlos de manera efectiva y eficiente.
Por ejemplo, es posible que se requiera que una estructura funcione dentro del límite de seguridad cuando se aplican cargas conocidas. Para ello se realizan análisis estructurales y constructivos. Los elementos que resistan cargas laterales deberán dotarse de la rigidez necesaria.
La figura anterior muestra el diagrama tensión-deformación del hormigón. Como se muestra en la figura, la tensión varía con la deformación según el confinamiento del hormigón .
Si el hormigón es limitado, el elemento puede soportar cargas adicionales. El diseño orientado al rendimiento tiene en cuenta este tipo de características para sacar el máximo partido al diseño.
