Código Sísmico de Costa Rica Edición 2002 Resumen Ejecutivo Presentado a la Asamblea de Representantes del CFIA Preparado por Ing. Guillermo Santana, Ph.D. e Ing. Jorge Gutiérrez, Ph.D.(LANAMME, UCR)
20 de noviembre 2002 Nota: Referencias en paréntesis especifican capítulos y artículos del documento de marras: e.g. [5.2.b]
1. MARCO CONCEPTUAL DE LA NORMATIVA PROPUESTA Generalidades [1.1] Este documento establece los requisitos mínimos para el análisis, diseño y construcción sismoresistente de edificaciones y obras afines que se construyan en el territorio de la República de Costa Rica. El método de diseño propuesto esta gobernado por desplazamientos y deformaciones internas de los elementos constitutivos de cada edificación por cuanto ése es el efecto que induce la acción sísmica sobre ellas. Esta normativa permite deformaciones internas inelásticas, siempre que se sigan todos las reglas en ella establecidas con el propósito de garantizar la integridad y estabilidad de la edificación u obra afín. En la presente edición se prohíbe por primera vez de manera explícita la construcción de nuevas edificaciones utilizando adobe, tapial o bahareque relleno en todo el territorio costarricense. El objetivo primordial de la normativa es la protección de la vida humana y la integridad física de las personas. Adicionalmente, se pretende reducir los daños materiales y las pérdidas económicas ocasionadas por los sismos como una manera de minimizar el impacto social de los terremotos. Objetivos de desempeño [1.2 y 4.1b] La normativa se ha escrito con la intención de que se alcanzen los siguientes objetivos de desempeño: • Para estructuras de ocupación normal ante sismos severos se protege la vida de ocupantes y transeúntes, evitando el colapso parcial o total de la edificación. • Para estructuras de ocupación especial ante sismos severos se garantiza la operatividad de las instalaciones inmediatamente después de ocurrido el evento sísmico. • Para estructuras riesgosas y ante sismos extremos se garantiza la integridad del inmueble de manera que se garantice la protección de la población y del ambiente. • Para estructuras esenciales y ante sismos extremos se garantiza la operatividad de las instalaciones inmediatamente después de ocurrido el evento sísmico.
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CSCR-02-2
2. DEMANDA SÍSMICA [2] Con el propósito de actualizar la estimación de la demanda sísmica sobre las edificaciones en Costa Rica y ante la actividad sísmica registrada durante los últimos 16 años desde la segunda edición del documento, en particular la ocurrencia del terremoto de Limón, se proponen tres zonas de diferentes niveles de amenaza sísmica representada como una expectativa de aceleración pico efectiva del terreno para cada zona. Para sitios en roca, la aceleración máxima efectiva anticipada es de 0.4g para zona IV, 0.3g para zona III y 0.2g para zona II. El mapa adjunto presenta la zonificación propuesta. En ella se han incluido consideraciones de orden geográfico y político-administrativas de manera que cada uno de los 457 distritos del país están asignados a una zona sísmica en particular. Se incluyen también todas las islas que forman parte del territorio costarricense.
Se consideran adicionalmente cuatro tipos de cimentación para las edificaciones. Son estos: Sitio Tipo S1 Un perfil de suelo con alguna de las siguientes características: • Un material semejante a la roca, caracterizado por una velocidad de onda cortante superior a 760 m/s o por otros medios adecuados de clasificación. • Condiciones de suelo rígido o denso, donde la profundidad del suelo es menor de 50 m. Sitio Tipo S2 Un perfil de suelo con condiciones predominantemente de medianamente denso a denso o de medianamente rígido a rígido, cuya profundidad excede los 50 m. Sitio Tipo S3 Un perfil de suelo con más de 6m de arcilla de consistencia de suave a medianamente rígida o de suelos no cohesivos de poca o media densidad. No incluye perfiles de más de 12 m de arcilla suave.
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CSCR-02-3
Sitio Tipo S4 Un perfil de suelo caracterizado por una velocidad de onda cortante menor de 150 m/s o conteniendo más de 12 m de arcilla suave.
Aceleración pico efectiva de diseño [2.4] La aceleración pico efectiva está dada para los diferentes sitios de cimentación de acuerdo a la siguiente tabla Tabla 2.2. Aceleración pico efectiva de diseño aef, para un período de retorno de 500 años y para diferentes zonas sísmicas y tipos de sitio. Tipo de sitio Zona II Zona III Zona IV S1 S2 S3 S4
0.20 0.24 0.28 0.34
0.30 0.33 0.36 0.36
0.40 0.40 0.44 0.36
3. CLASIFICACIÓN DE ESTRUCTURAS Y SUS COMPONENTES [4] En la presente normativa, toda edificación deberá ser clasificada según su importancia y riesgo de su ocupación o función. La clasificación utilizada aglutina en 5 grupos a todas las posibles edificaciones contempladas según la tabla adjunta: Grupo
A
Tabla 4.1. Clasificación de edificaciones según importancia y riesgo Categoría Ocupación o función de la edificación
Edificaciones e instalaciones Esenciales
B
Edificaciones e instalaciones Riesgosas
C
Edificaciones de Ocupación Especial.
D
Edificaciones de Ocupación Normal
Hospitales e instalaciones que poseen áreas de cirugía o atención de emergencias. Estaciones de policía y bomberos. Garajes y refugios para vehículos o aviones utilizados para emergencias. Instalaciones y refugios en centros de preparación para emergencias. Terminales aeroportuarias y torres de control aéreo. Edificaciones y equipo en centros de telecomunicaciones y otras instalaciones requeridas para responder a una emergencia. Generadores de emergencia para instalaciones pertenecientes al Grupo A. Tanques de almacenamiento de agua y productos esenciales. Estructuras que contienen bombas u otros materiales o equipo para suprimir el fuego. Obras e instalaciones utilizadas para la producción, almacenamiento y trasiego de sustancias o químicos tóxicos o explosivos. Obras que contienen o soportan sustancias tóxicas o explosivas. Obras cuya falla puedan poner en peligro otras edificaciones de los Grupos A y B. Edificaciones para actividades educativas con una capacidad mayor a 300 estudiantes. Edificios usados para colegios o educación para adultos con una capacidad mayor a 500 estudiantes. Edificios para centros de salud con 50 o más pacientes residentes incapacitados, pero no incluidas en el Grupo A. Todas las edificaciones con una ocupación mayor a 5,000 personas no incluidas en los Grupos A o B. Edificaciones y equipo en estaciones de generación de energía, y otras instalaciones públicas no incluidas en el Grupo A y requeridas para mantener operación continua. Todas las obras de habitación, oficinas, comercio o industria y cualquier otra edificación no especificada en los Grupos A, B, C y E.
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Factor I
1.50
1.50
1.00
1.00
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E
Edificaciones Misceláneas
CSCR-02-4
Construcción agrícola y edificios de baja ocupación. Galpones y naves de almacenamiento de materiales no tóxicos y de baja ocupación. Tapias y muros de colindancia cuando no representan riesgo elevado a transeúntes. Obras e instalaciones provisionales para la construcción.
0.75
Adicionalmente, las recomendaciones de la normativa usan como referencia los siguientes tipos estructurales [4.2]: • • • • •
Marco (acero, concreto y madera) Dual (combinación de marcos y muros en donde los marcos tomen al menos el 25% de la demanda de cortante) Muro ( muros de concreto estructural o mampostería estructural o bien con marcos arriostrados de acero) Voladizo (tanques elevados, chimeneas, torres, naves industriales) Otros (todos los tipos estructurales que no pertenezcan a ninguno de las categorías anteriores)
Los requisitos de regularidad tanto en planta como en elevación son los siguientes [4.3] Requisitos de regularidad en planta • Eccentricidad máxima. • Separación de frecuencias de oscilación laterales y rotacionales • Sin entrantes ni reducciones superiores al 15% de la dimensión en planta correpondiente • Sin aberturas en el diafragma de más de un 50% del área bruta. • Sistemas resistentes ortogonales o paralelos entre sí o bien simétricos con respecto a los ejes ortogonales. • Dos o más ejes de resistencia en cada dirección ortogonal Requisitos para regularidad en elevación • Continuidad desde la cimentación hasta el nivel superior. • Sin desfaces horizontales en ningún nivel. • Continuidad de la rigidez a la tranlación lateral. • Diafragmas rígidos en todos los niveles excepto en el techo. • Continuidad en la resistencia a fuerzas laterales. • Distribución homogénea de los pesos de cada nivel. • Continuidad en la ubicación de los centros de masa de cada piso. Ductilidad de elementos y componentes [4.4.1] Se consideran dos niveles de ductilidad •
Ductilidad local óptima: Los elementos y componentes satisfacen los requisitos para ductilidad óptima definidos para cada material estructural. De forma alterna, la capacidad de deriva de 0.0025 sin pérdida de resistencia superior al 20% a verificar mediante pruebas.
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•
CSCR-02-5
Ductilidad local moderada: Los elementos y componentes satisfacen los requisitos para ductilidad moderada definidos para cada material estructural.
4. COEFICIENTE SÍSMICO [5] El coeficiente sísmico C se obtendrá a partir de siguiente fórmula: C=
aef I FED SR
donde: aef =
aceleración pico efectiva de diseño, expresada como fracción de la gravedad, obtenida en la Tabla 2.2 para la zona sísmica y el sitio de cimentación correspondientes a la edificación.
I
factor de importancia de la edificación, según Tabla 4.1.
=
FED = factor espectral dinámico, es la modificación en aceleración que sufre un sistema de un grado de libertad con respecto a la aceleración del suelo y es función de la zona sísmica, del sitio de cimentación, de la ductilidad global asignada µ y del período. Este valor se presenta en los gráficos adjuntos para sitios en roca y suelo blando en la ciudad de San José. SR = factor de sobre-resistencia según se define en el Capítulo 3, inciso 3(d). Cuando se utilicen los métodos de análisis estático o dinámico de los artículos 7.4 y 7.5, la sobre-resistencia será igual a 2.0 para estructuras tipo marco, dual y muro, e igual a 1.2 para estructuras tipo voladizo y otros. Cuando se utilicen los métodos alternos de análisis del artículo 7.7, la sobre-resistencia será 1.2 sobre la capacidad última calculada en el análisis, para todos los sistemas estructurales.
Factor espectral dinámico, FED, para sitios de roca, S1 - ZONA III (amortiguamiento ζ = 5%; ductilidades µ= 1, 1.5, 2, 3, 4, 6) 10,000
Pseudo aceleración, g
1,000
Pseudo aceleración, g
Factor espectral dinámico, FED, para sitios de suelo S4 - ZONA III (amortiguamiento ζ = 5%; ductilidades µ= 1, 1.5, 2, 3, 4, 6) 10,000
Elástico, µ=1.0 µ=1.5 µ=2 µ=3 µ=4 µ=6
0,100
Elástico, µ=1.0 µ=1.5 µ=2 µ=3 µ=4 µ=6
1,000
0,100
0,010
0,001 0,010
0,100
1,000
Período (seg)
10,000
0,010 0,010
0,100
1,000
Período (seg)
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10,000
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CSCR-02-6
5. FUERZAS DE DISEÑO, MÉTODOS DE ANÁLISIS Y DERIVA MÁXIMA Combinaciones de carga [6.2] Se estipulan cuatro combinaciones de carga de acuerdo a lo siguiente [6.2]: CU = 1.4 CP CU = (1.2 CP + 1.6 CT) + 1.6 CE CU = 1.05 CP + f1 CT ± CS + CE CU = 0.95 CP ± CS + CE donde: CU = carga última. CP = carga permanente. CT = carga temporal. CS = carga sísmica. CE = carga por empuje. y donde el factor f1 está dado por: f1 =
0.5 para edificaciones de baja probabilidad de ocupación plena de carga temporal a la hora del sismo.
f1 =
1.0 para edificaciones con alta probabilidad de ocupación plena de carga temporal a la hora del sismo, tales como: bodegas, sitios de reunión pública, estacionamientos públicos, etc.
f1 =
0.0 para techos.
Análisis y diseño simplificado [17] Para viviendas de uno y dos pisos, se presentan requisitos descriptivos simplificados para construcciones de hasta 250 m² cuyas estructuras satisfagan algunas reglas específicas. Método de análisis estático [7.4] Se permite el uso del método de análisis estático para estructuras regulares en planta y elevación con una altura de hasta cinco pisos. V=CW donde: V = cortante en la base o valor total de las fuerzas sísmicas horizontales. C = coeficiente sísmico obtenido según indicaciones del Capítulo 5.
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W =
CSCR-02-7
N
∑W
, peso total de la edificación para efectos sísmicos.
i
i =1
Wi = peso asignado al nivel i, calculado para efectos sísmicos conforme al artículo 6.1. N=
número total de pisos del edificio.
La distribución de las fuerzas sísmicas por nivel está dada por la ecuación: Fi = V
Wi hi N
∑W k =1
k
hk
donde: Fi =
fuerza sísmica aplicada al nivel i.
V = cortante en la base. hi =
altura del nivel i sobre el nivel de base.
Las fuerzas sísmicas Fi se aplicarán en el centro de masa de cada nivel i. El período natural de la edificación puede ser calculado por el Método de Rayleigh. Método dinámico [7.5] Se debe utilizar en todos los casos en los cuales no es posible aplicar el método estático. La combinación modal debe efectuarse en concordancia con los métodos SRSS o CQC según sea pertinente. Métodos alternos de análisis [7.7] Se permiten dos métodos alternos de análisis no lineal: el método de capacidad espectral con espectros inelásticos de ductilidad constante combinado con análisis de empuje lateral y análisis no lineal de respuesta en el tiempo. Consideraciones de Torsión [7.5e] Todos los edificios irregulares en planta deberán ser sometidos a un análisis modal tridimensional que considere el acoplamiento lateral torsional incluidos al menos tres grados de libertad por nivel. Consideraciones de efecto P-∆ [7.8.b] No se requiere si se satisfacen las limitaciones de deriva. Se requiere si se utilizan los métodos alternos de análisis para derivas de hasta 50% mayores que los límites establecidos.
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CSCR-02-8
Componentes direccionales [7.3] Para cada elemento la carga CS será la más crítica de las siguientes combinaciones: CS = 1.0 CSx + 0.3 CSy CS = 0.3 CSx + 1.0 CSy donde CSx y CSy son las solicitaciones sísmicas en las direcciones horizontales x y y respectivamente. No se considera el componente vertical explícitamente. Estas combinaciones no son requisito para edificaciones regulares en planta con sistemas sismoresistentes paralelos u ortogonales entre sí. Desplazamientos inelásticos [7.8] Cuando se utilizan los métodos de análisis elásticos, la deriva inelástica se calcula mediante: ∆i = ∆e µ SR donde ∆i = deriva inelástica entre pisos ∆e = deriva elástica µ = ductilidad de la edificación SR = sobre-resistencia Adicionalmente, se estipula explícitamente que todas las edificaciones deberán estar separadas entre sí de tal manera que no haya posibilidad de contacto cuando éstas se desplaxen una hacia la otra sus respectivos desplazamientos inelásticos absolutos. Límites de deriva [7.8] En concordancia con la clasificación por ocupación e importancia y por tipo estructural, los límites de deriva se establecen en la siguiente tabla: Tabla 7.2. Límite superior de deriva ∆ i / H i
(1)
según
Categoría de Edificación y Sistema Estructural
(1)
Sistema Estructural (según artículo 4.2)
Edificaciones A y C (Limitación Severa según artículo 4.1)
Edificaciones B, D y E (Limitación Normal según artículo 4.1)
tipo marco tipo dual tipo muro tipo voladizo tipo otros
0.010 0.010 0.008 0.010 0.005
0.016 0.014 0.008 0.016 0.008
Hi = hi − hi−1, altura entre el nivel inferior y superior del piso i.
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CSCR-02-9
Ley de la república para establecimiento de la normativa propuesta La ley de la república que establece la obligatoriedad de la promulgación de la normativa propuesta es la 6119 del 9 de noviembre de 1977, cuyo texto se transcribe.
Ley para el Establecimiento de un Código Antisísmico en Obras Civiles Ley 6119 del 9 de noviembre de 1977 (6082 Alcance Nº187 a la Gaceta Nº242)
Artículo 1º Todas las construcciones y obras civiles, que se realicen en el territorio nacional, deberán cumplir con normas mínimas de diseño y construcción antisísmicos. Artículo 2º El diseño y la construcción antisísmicos tendrán como fines principales proteger la vida y la integridad física de las personas, asegurar la continuidad de los servicios esenciales y minimizar los daños a la propiedad. Artículo 3º El Poder Ejecutivo dictará normas mínimas, por vía reglamentaria, para lo cual recabará la opinión del Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos en calidad de obligado colaborador. Artículo 4º Las normas que dicte el Poder Ejecutivo deberán tener como propósito que todas las construcciones y obras civiles así diseñadas y realizadas: resistan sismos menores sin ningún daño; resistan sismos moderados con algún daño no estructural; y resistan sismos de gran intensidad sin sufrir colapso, admitiéndose algún daño estructural, reparable en lo posible. Artículo 5º El incumplimiento de lo dispuesto en esta ley y en las normas reglamentarias que la complementen, se sancionará en la forma prevista en los artículos 93 y 96 de la Ley de Construcciones (Decreto Ley Nº 833 de 4 de noviembre de 1949 y sus reformas). Artículo 6º Rige a partir de su publicación.
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