Principios Básicos y Aplicaciones Ingenieria Antisismica PDF

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Principios Básicos y Aplicaciones Ing. Ronald Santana Tapia INGENIERÍA ANTISÍSMICA PRINCIPIOS BÁSICOS Y APLICACIONES Es propiedad del autor, ninguna parte de este libro puede ser reproducida o trasmitida, mediante algún sistema o método electrónico o mecánico (Incluyendo el fotocopiado, la grabación...

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Principios Básicos y Aplicaciones

Ing. Ronald Santana Tapia

INGENIERÍA ANTISÍSMICA PRINCIPIOS BÁSICOS Y APLICACIONES

Es propiedad del autor, ninguna parte de este libro puede ser reproducida o trasmitida, mediante algún sistema o método electrónico o mecánico (Incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de recuperación y almacenamiento de información), sin consentimiento por escrito del autor.

© Autor-Editor: Ing. Ronald Santana Tapia Av. Argentina S/N Pilcomayo Telef.: 986399195 Huancayo –Perú

Ilustración: Heli Loardo Justo Primera edición, 2013. Tiraje: 500 ejemplares

Hecho el Depósito Legal en la Biblioteca Nacional del Perú Nº 2013-11381

ISBN: 978-612-00-1322-9

Impreso en: International Star Student ISS-PERÚ. Av. Argentina S/N Pilcomayo. Huancayo, agosto, 2013

DEDICATORIA:

Este texto fruto de muchos años de trabajo e investigación en el campo de la ingeniería sismorresistente, está dedicado con mucho cariño y afecto a mi hermana Herlinda Marlene quién en estos tiempos es la imagen y ejemplo de quien en vida fue mi adorada y entrañable madre Herlinda Cerafina.

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AGRADECIMIENTO:

Deseo expresar mi gratitud y reconocimiento a mis alumnos del ciclo de verano 2012-III de la FIC-UNCP; a Roy Marmolejo, a Katherine Bastidas, a Konrad Claros, a Julio Cruz, a Davi Huamán, a Diego Conde, a Ángel Santos, a Cristian Aliaga, a Andeer Álvarez, a Wilmer Quispe, a Joseph Alarcón, a Yony Escobar, a Hugo Gonzales, a Roly Leiva, a Joel Mattos, a Mario Rodrigo, a Fiorella Condor, a Vladimir Gaspar, a Emilio Orellana, a Niik Gamarra, a Jhon Camargo, a Jan Olivares, a Charly Rodríguez y a todas las personas que contribuyeron directa e indirectamente a la cristalización de este libro. Por el apoyo y sugerencias en el digitado de los capítulos del presente texto, mil gracias y les deseo de todo corazón éxitos en su vida profesional y personal.

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PROLOGO Con mucha satisfacción me permito presentar este libro desarrollado por un gran Ingeniero Civil dedicado a la investigación científica para el desarrollo del país. Puedo decir que esta publicación es de gran importancia para los estudiantes y profesionales dedicados al área de ingeniería estructural ya que encontrarán en este libro soluciones a los problemas con una metodología didáctica para entender el comportamiento de las estructuras bajo acciones de las fuerzas sísmicas. Como se sabe, hoy existe un mapa mundial de sismología, donde están clasificados todos los sismos ocurridos y las zonas más proclives a recibirlos debido al plegamiento de las placas tectónicas de la Tierra. Sin embargo, no existe ningún método capaz de detectar dónde y cuándo se producirá un sismo debido al comportamiento no lineal y bastante caótico que tienen los movimientos sísmicos y no es posible determinar y detectar de qué manera se deforman las placas tectónicas y se producen los movimientos rocosos terrestres que podrían anunciar un movimiento telúrico de gran magnitud como el ocurrido en Haití. Por el momento, la única manera de reducir los daños y el número de víctimas en las zonas susceptibles de sufrir un terremoto es entender los principios básicos de ingeniería sismo resistente para poder realizar un diseño estructural con criterios adecuados siendo el objetivo principal de esta publicación.

Ph. D. Ing. Mohamed Mehdi Hadi Mohamed

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P R E FA C I O El deseo más grande que alimente en mi ser y que hoy se hace realidad, es precisamente el de escribir este texto de ingeniería antisísmica, curso del cual vengo enseñando por muchos años en universidades de Lima y ahora en la FIC-UNCP de Huancayo mi tierra natal. Al escribir este texto no pretendo ser riguroso en su contenido, más bien trato de desarrollar los temas en forma didáctica y simple en cumplimiento al silabo propuesto por la FIC-UNCP y que tiene como referencia los propuestos por universidades prestigiosas como UNI y la PUCP de Lima; a las aplicaciones prácticas de casos reales se adjunta un compilado de información importante que existe dispersa en la literatura del medio físico y virtual y que fueron desarrollados por investigadores nacionales y extranjeros del campo de la ingeniería estructural y del diseño sismorresistente. Sin duda alguna y si Dios me permite, buscare mejorar en una próxima edición. El campo de la ingeniería antisísmica es amplio y fascinante, existe mucho por explorar e investigar, es así que en la actualidad se van creando nuevas técnicas y metodologías de análisis y diseño sismorresistente buscando que nuestras estructuras presenten una mejor performance o desempeño estructural ante las acciones impuestas por el sismo. Si bien este texto está limitado al estudio del análisis sísmico de estructuras en el rango lineal y elástico por los métodos estático y dinámico, busca que nuestras estructuras tengan un comportamiento sísmico satisfactorio acorde con la filosofía y principios que exige la norma peruana E-030. En efecto, busca que para sismos severos la estructura no debería colapsar ni causar daños graves a las personas, y para sismos moderados la estructura debería soportar experimentando posibles daños dentro de límites aceptables. El diseño por capacidad, práctica común en países desarrollados como EE.UU., Japón y Nueva Zelanda, debe ser incorporada en la norma peruana E-060, como un método alternativo al del diseño por resistencia que exige nuestra norma; asimismo el diseño sismorresistente de la norma E-030 que considera un solo nivel de demanda sísmica catalogado como Sismo de Diseño (10% de probabilidad de excedencia en 50 años de iv

vida útil de la estructura), debe ser complementada con evaluaciones para otros niveles de demanda sísmica como lo propuesto por el ATC-40 (Sismo de Servicio, Sismo de Diseño y Sismo Máximo) o como el que propone el Comité Visión 2000 del SEAOC de los EE.UU. (Sismo Frecuente, Sismo Ocasional, Sismo Raro y Sismo Muy Raro), a fin de prever el colapso parcial o total de la edificación. En efecto, la propuesta de la norma E-030 de diseño sismorresistente solo considera un nivel de movimiento del terreno para el cual la edificación no debería colapsar, no reconociendo que pueden ocurrir daños sustanciales y grandes pérdidas asociadas a sismos de naturaleza más frecuente o de periodos de retorno menores. 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 es necesario el diseño por múltiples niveles de comportamiento estructural ante la contingencia de movimientos sísmicos del terreno. Finalmente, lo que buscamos es que las estructuras presenten un mejor comportamiento ante distintos niveles de intensidad del sismo, y que para ello es imprescindible incursionar en los análisis no lineales para estudiar el real comportamiento de las estructuras a distintos niveles del sismo, aprovechando de las mismas su capacidad de ductilidad, de sobre resistencia, de aumento del amortiguamiento en niveles de respuesta alto y último por endurecimiento y resiliencia de disipar energía más allá del límite elástico, que nos permite obtener estructuras técnica y económicamente óptimas. Si el lector desea ahondar en el tema del diseño sismorresistente por comportamiento o performance estructural puede recurrir al texto que publiqué en el 2011, titulado “DISEÑO SÍSMICO POR DESEMPEÑO”. Antes de finalizar esta presentación debo dar gracias infinitas a mis alumnos del ciclo de verano 2012-III, de la Facultad de Ingeniería Civil, de la Universidad Nacional del Centro del Perú FIC-UNCP, por su valioso e incondicional apoyo en la digitación y revisión de los temas contenidos en el presente libro, permitiéndome cristalizar uno de mis más anhelados deseos. Con un abrazo fraternal a todos y cada uno de ustedes, expreso mi gratitud y reconocimiento al mismo tiempo que les brindo mi amistad sincera e incondicional que espero perdure por siempre. Huancayo, agosto de 2013. ING. RONALD SANTANA TAPIA Docente Asociado UNCP-FIC Área de Estructuras v

INTRODUCCIÓN El Perú es un país localizado en una zona de alta amenaza sísmica por pertenecer al cinturón sísmico circumpacífico región en la que se producen más del 80% de los sismo de origen tectónico en el mundo, comprende las costas del Océano Pacifico de las tres Américas, las Islas Aleutianas, las Islas Curiles, Japón, Filipinas y Nueva Zelandia. En esta zona se da la convergencia de subducción de la Placa Oceánica de Nazca que se introduce por debajo de la Placa Continental Sudamericana generando terremotos de magnitud elevada. Otra causa no menos importante para el Perú son los sismos (movimientos del terreno) de origen geológico cuya actividad sísmica representa un 10% del total de sismos ocurridos en nuestro territorio nacional y que es originado por fallas geológicas activas distribuidas en la cordillera de los Andes con terremotos menos frecuentes y de menor magnitud; las principales fallas activas del Perú son: Tambomachay (Cusco), Cordillera Blanca (Ancash), Huaytapallana (Junín), Quiches (Ancash), Rioja-Moyobamba (San Martín). Los terremotos causan daño en las construcciones y muertes, estas se incrementan por un deficiente comportamiento sísmico de las estructuras. Dicho comportamiento deficiente puede dar lugar a colapsos parciales e incluso totales de las estructuras, así como la aparición de otros peligros colaterales, tales como incendios o explosiones, que en ocasiones incrementan las perdidas. A pesar de que las normativas existentes de diseño sismorresistente mejoran día a día, enriquecidas con la información obtenida a partir de nuevas investigaciones y experiencias dejadas por los propios sismos, todavía continúan ocurriendo catastróficas perdidas, incluso en aquellos países en los que los estudios en el campo de la ingeniería sísmica y dinámica estructural constituyen actividades prioritarias. Este texto Ingeniería Antisísmica - Principios Básicos y Aplicaciones proporciona las bases fundamentales para que el lector pueda capacitarse en el desarrollo del análisis sismorresistente de estructuras convencionales y especiales y que incluyen el estudio del fenómeno sismo, del efecto de este sobre las estructuras y el estudio de la dinámica estructural buscando predecir el comportamiento de las edificaciones acorde a la filosofía y principios del diseño sismorresistente de la norma E-030.

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Los temas tratados en el presente libro son: Conceptos Básicos de Sismología e Ingeniería Sísmica, Peligro Sísmico, Estructuración y Predimensionamiento de Sistemas Estructurales, Estudio de la Rigidez Lateral (factores de los cuales depende la rigidez latera), Análisis de la Dinámica Estructural e Importancia de la Ductilidad de las Estructuras, Registros Sísmicos y Espectro de Respuesta (método determinístico y método probabilístico), Análisis Sísmico de Edificaciones (método estático y método dinámico), Estudio y Análisis de la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente NTE E030 vigente y Estudio de la Vulnerabilidad Estructural por Amenaza Sísmica. Finalmente debo mencionar que las lecciones que nos dejaron los sismos pasados nos obligan a mejorar nuestro código de diseño sismorresistente determinístico y entrar en el campo probabilístico de análisis no lineales que nos permitan estudiar el comportamiento esperado de las estructuras ante diferentes niveles de intensidad de demanda sísmica. Considerando aún que la ocurrencia de los fenómenos sísmicos está fuera de control de la ciencia, la conclusión inmediata es la necesidad de aplicar métodos más rigurosos que minoren en lo posible el daño esperado en las estructuras tanto nuevas como existentes. De esta necesidad nacen los estudios de la Ingeniería Basada en Desempeño Sísmico tema del que escribí en el año 2011 el texto al que titule “Diseño Sísmico por Desempeño” y que está a disposición de los interesados que quieran profundizar en este campo amplio y fascinante en la que hay mucho por investigar. Quiero terminar esta introducción no sin antes dar las gracias a Dios por darme salud y pueda de esa manera culminar con éxito la presente publicación cumpliéndose de esa manera uno de mis deseos anhelados. Agradecer asimismo a todas las personas que contribuyeron directa e indirectamente para la culminación de este importante trabajo que espero sea de utilidad tanto para los estudiantes de la carrera de ingeniería civil como para los profesionales dedicados al dictado de cátedra, a la construcción, al diseño y a la investigación en el campo de la ingeniería sísmica y dinámica estructural.

Ing. Ronald Santana Tapia Docente Asociado UNCP - FIC

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CONTENIDO DEDICATORIA…………………………………………………………….………………………………… i AGRADECIMIENTO……………………………………………………………….……………………….. ii PROLOGO………………………………………………………………………………….………………..

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PREFACIO…………………………………………………………………………………………………… iv INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………….……...

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CAPÍTULO I SISMOLOGÍA BÁSICA

Página

1.1 INTRODUCCIÓN……………………..………………………………………………….……. I-1 1.2 ESTRUCTURA DE LA TIERRA…..…………………………....................................

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1.3 CONCEPTOS BÁSICOS DE SISMOLOGÍA………………………………….................. I-3 1.3.1 SISMO………………………………………………………….…………………….....

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1.3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS SISMOS…………………………….……………………

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1.3.3 CAUSA DE LOS SISMOS Y LA TECTÓNICA DE PLACAS……………………….. I-5 1.4 EFECTOS DE LOS SISMOS………………………………………………………………… I-8 1.5 FALLAS GEOLÓGICAS……………………………………………………………………… I-9 1.6 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y REGISTROS DE UN SISMO……………………

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1.6.1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN……………………………………………………

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1.6.2 REGISTROS DE UN SISMO………………………………………….……………..

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1.7 DEFINICIONES RELACIONADAS AL SISMO.…………………………………………..

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1.7.1 FOCO O HIPOCENTRO………………………………………………………………

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1.7.2 EPICENTRO…………………………………………………………….……………..

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1.7.3 ONDAS SÍSMICAS……………….……………………………………………………

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1.8 AMPLIFICACIÓN DE LAS ONDAS SÍSMICAS………………………………………….

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1.9 LA LICUACIÓN O LICUEFACCIÓN DE SUELOS…………………………………………. I-24 1.10 PELIGRO SÍSMICO…………………………………………………………………………. I-26 1.10.1 PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL PELIGRO SÍSMICO…………………… I-27 1.10.2 PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA EVALUACIÓN DEL PELIGRO SÍSMICO ……………………. ……………………………………………………….. I-27 1.10.3 DETERMINACIÓN DE LAS FUENTES SISMOGÉNICAS………………………… I-27 1.10.4 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS SISMOLÓGICOS………………… I-29 1.10.5 EVALUACIÓN DEL PELIGRO SÍSMICO…………………………….…………….. I-33 1.11 PELIGRO SÍSMICO Y LA NORMA E-030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE”………. I-38 1.12 PROBLEMAS DE APLICACIÓN…………………………………………………….……. I-40 1.13 PROBLEMAS PROPUESTOS……………………………………………………………. I-50

CAPÍTULO II ANÁLISIS DE LA NORMA E-030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” 2.1 INTRODUCCIÓN……………….……………………………………………………….…… II-1 2.2 ANTECEDENTES DE LA NORMA E-030………………………………………………… II-1 2.3 ALCANCES, FILOSOFÍA Y PRINCIPIOS DE LA NORMA E-030..…………..……….…. II-2 2.3.1 ALCANCES………………………………………………..……………………………. II-2 2.3.2 FILOSOFIA Y PRINCIPIOS DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE………………… II-2 2.4 PRESENTACIÓN DEL PROYECTO………………………………………………………… II-3 2.5 PARÁMETROS DE SITIO……………………………………………………………………. II-3 2.5.1 ZONIFICACIÓN………………………………………….………………………………. II-3 2.5.2 CONDICIONES LOCALES……………………………..……………………………… II-5 2.6 FACTOR DE AMPLIFICACIÓN SÍSMICA…………………………………………………. II-8 2.7 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO SÍSMICO……………………. II-9 2.8 CATEGORÍA DE LAS EDIFICACIONES……………………………………………………. II-10 2.9 CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL DE LAS EDIFICACIONES………………………. II-11 2.9.1 IRREGULARIDAD ESTRUCTURAL EN ALTURA….………………………………. II-12 2.9.2 IRREGULARIDAD ESTRUCTURAL EN PLANTA…..……………………………… II-14 2.10 SISTEMAS ESTRUCTURALES……………………………………………………………. II-16 2.11 FACTOR DE REDUCCIÓN “R”………………………………….…………………………. II-18 2.12 CATEGORÍA, SISTEMA ESTRUCTURAL Y REGULARIDAD DE LAS EDIFICACIONES……………………………………………………………………………. II-18 2.13 DESPLAZAMIENTOS LATERALES……………………………….………………………. II-19 2.14 ANÁLISIS SÍSMICO DE EDIFICIOS………………………………………………………. II-20 2.14.1 ANÁLISIS SÍSMICO ESTÁTICO……………………..………………………………. II-21 2.14.2 ANÁLISIS SÍSMICO DINÁMICO………………….…..……………………………… II-25 2.15 CIMENTACIONES……………………..……………………………………………………. II-28 2.15.1 CAPACIDAD PORTANTE……….…………………..………………………………. II-28 2.15.2 MOMENTO DE VOLTEO……..………………….…..……………………………… II-29 2.15.3 ZAPATAS AISLADAS Y CAJONES………………..……………………………….

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2.16 ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES, APÉNDICES Y EQUIPO…………..………… II-29 2.17 EVALUACIÓN Y REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS DAÑADAS POR SISMOS…. II-30 2.18 PROBLEMAS DE APLICACIÓN………………………………………………………..…. II-31 2.19 CUESTIONARIO DE PREGUNTAS……………………………………………………..…. II-41

CAPÍTULO III RIGIDEZ LATERAL DE SISTEMAS ESTRUCTURALES 3.1 RIGIDEZ LATERAL DE ELEMENTOS VERTICALES……………………………….…… III-1 3.2 CÁLCULO DE LA RIGIDEZ EQUIVALENTE….…………………………………………… III-6 3.2.1 ELEMENTOS EN PARALELO……………………………..………………………….. III-6 3.2.2 ELEMENTOS EN SERIE……..……………………………………….……………….. III-9 3.2.3 PROBLEMAS DE APICACIÓN……………………………………….……………….. III-11 3.3 SISTEMAS CON ELEMENTOS RÍGIDOS…………………………………………………. III-15 3.3.1 CONSIDERACIONES BÁSICAS………………………..…………………………….. III-15 3.3.2 MÉTODOS DE ANÁLISIS………………………………………..…………………….. III-16 3.3.3 EJEMPLO ILUSTRATIVO………………………………………..…………………….. III-23 3.4 SISTEMAS CON ELEMENTOS FLEXIBLES………………………………………………. III-28 3.4.1 MÉTODO DE MUTO……………..………………………..…………………………….. III-28 3.4.2 MÉTODO DE WILBUR-BIGGS…………………………………..…………………….. III-31 3.4.3 PROBLEMAS DE APLICACIÓN………………………………..…………………….. III-32 3.4.4 PROBLEMAS DE CÁLCULO DE LA RIGIDEZ LATERAL CONSIDERANDO EL APORTE DEL ACERO DE REFUERZO………..……………………….………….. III-50 3.5 PROBLEMAS PROPUESTOS………………..……………………………………………. III-65

CAPÍTULO IV DINÁMICA ESTRUCTURAL 4.1 ESTUDIO DE LAS ESTRUCTURAS MODELADAS COMO SISTEMAS DE UN GRADO DE LIBERTAD – 1GDL………………………………………………….………….. IV-1 4.2 ESTUDIO DE LOS TIPOS DE MOVIMIENTO VIBRATORIO DE SISTEMAS DE 1GDL…………………………………………………….………………………………… IV-3 4.2.1 MOVIMIENTO LIBRE (NO FORZADO NO AMORTIGUADO)…………………….. IV-3 4.2.1.1 PROBLEMAS DE APLICACIÓN…………..…………..…………………….. IV-7 4.2.1.2 PROBLEMAS PROPUESTOS…………..…………..……………………..

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4.2.2 MOVIMIENTO NO FORZADO AMORTIGUADO……………..…………………….. IV-22 4.2.2.1 PROBLEMAS DE APLICACIÓN…………..…………..…………………….. IV-31 4.2.2.2 PROBLEMAS PROPUESTOS…..………..…………..……………………..

IV-39

4.2.3 MOVIMIENTO FORZADO NO AMORTIGUADO……..…………………………….. IV-41 4.2.3.1 PROBLEMAS DE APLICACIÓN…………..…………..…………………….. IV-44

4.2.3.2 PROBLEMAS PROPUESTOS..…………..…………..……………………..

IV-50

4.2.4 MOVIMIENTO FORZADO AMORTIGUADO……..…………..…………………….. IV-51 4.2.4.1 PROBLEMAS DE APLICACIÓN…………..…………..…………………….. IV-54 4.2.4.2 PROBLEMAS PROPUESTOS..…………..…………..……………………..

IV-63

4.3 RESPUESTA DE LOS SISTEMAS DE 1 GDL A EXCITACIONES DINÁMICAS GENERALES………………………………………………………………………………....

IV-65

4.3.1 EXCITACIÓN POR IMPULSO DE LA MASA……………………………………….. IV-65 4.3.2 EXCITACIÓN POR MOVIMIENTO DE LA BASE DE APOYO…………………….. IV-73 4.3.3 PROBLEMAS DE APLICACIÓN……………………………………………………….. IV-76 4.3.4 PROBLEMAS PROPUESTOS…..…………………………………………………….. IV-98

CAPÍTULO V ANÁLISIS SÍSMICO DINÁMICO DE SISTEMAS DE 1 GDL 5.1 ECUACIONES BÁSICAS DE MÉTODO TIEMPO-HISTORIA……………………….…… V-2 5.2 ECUACIONES BÁSICAS DEL MÉTODO ESPECTRAL……………………………..…… V-4 5.3 ESPECTROS DE RESPUESTA SÍSMICA………..……….…………………………….…. V-4 5.4 CONSTRUCCIÓN DE UN ESPECTRO DE RESPUESTA………………………………. V-5 5.4.1 ESPECTRO DE RESPUESTA DE DESPLAZAMIENTOS…………..…………….. V-6 5.4.2 ESPECTRO DE RESPUESTA DE VELOCIDADES……….………………………. V-8 5.4.3 ESPECTRO DE RESPUESTA DE ACELERACIONES…….………………………. V-10 5.5 CONSIDERACIONES BÁSICAS…….………………………………………………………. V-11 5.6 PROBLEMAS DE APLICACIÓN…….………………………………………………………. V-13 5.7 PROBLEMAS PROPUESTOS……….……………………………………………...