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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
FACULTAD DE ARQUITECTURA DISEÑO Y URBANISMO
CARRERA DE ARQUITECTURA
ESTRUCTURAS III
Tema:
ACCIONES SISMICAS
Ing. José María Canciani
Arq a . Cecilia Cei
Año Académico: 2009
ACCIONES SISMICAS
La acción de los sismos sobre los edificios y el comportamiento de éstos frente a una solicitación
de tal naturaleza es compleja. Aunque se ha adelantado mucho al respecto, especialmente en
algunos países, aún queda mucho por estudiar y experimentar. Además existen diferencias en
los recursos tecnológicos, económicos y naturales entre las diferentes naciones, y aún entre
distintas regiones de un mismo estado.
En los últimos 10 años en ciudades importantes a nivel mundial se han dado sismos
catastróficos que han provocado la muerte de más de 100,000 personas. En la mayoría de los
casos las fallas se han debido a problemas de mala calidad de los materiales utilizados en la
construcción, ausencia o deficiencias en el diseño estructural o composición arquitectónica
inadecuada.
Gran parte de las construcciones existentes en zonas sísmicas no se ciñen a un criterio de
diseño adecuado que las haga razonablemente seguras en caso de terremotos. Contando sólo
con conocimientos rudimentarios y el deseo de aumentar la seguridad sísmica, muchas veces
las obras se han encarecido exageradamente y hasta se han sobredimensionado elementos que
con su excesivo peso contribuyen al derrumbe de la estructura.- O bien a la inversa, haciendo
caso omiso del efecto sísmico, se construyen edificios incapaces de mantenerse en pie aún ante
la presencia de sismos débiles.
Por lo tanto, para evitar que los terremotos devengan en catástrofes, es necesario disminuir la
vulnerabilidad de las construcciones , lo que se logra mediante el desarrollo, actualización
permanente y aplicación efectiva de reglamentos para construcciones sismorresistentes.
Es por esto que en 1972 se crea el Instituto Nacional de Prevención Sísmica (INPRES), que
en 1983 crea el Reglamento Argentino para Construcciones Sismorresistentes (CIRSOC
103).Interesa fundamentalmente el aspecto preventivo de esta norma, que tiene los siguientes
objetivos:
¾ Evitar pérdidas de vidas humanas y accidentes, que pudieran originarse por la ocurrencia de
cualquier evento sísmico, protegiendo los servicios y bienes de la población durante el sismo.
¾ Evitar daños en la estructura y en los componentes de la construcción en sismos de
frecuente ocurrencia, o reducirlos al mínimo en los de mediana intensidad.
¾ Evitar que en las construcciones se originen daños y colapsos que pongan en peligro a las
vidas de las personas o que inutilicen a esas construcciones en el caso de sismos severos o
extraordinarios.
¾ Lograr que las construcciones esenciales de servicios de emergencia sigan funcionando, aún
en sismos destructivos.
Por todo lo expuesto, en el presente apunte se tratarán, en forma simplificada los siguientes
temas:
I.
Características Generales de los Fenómenos Sísmicos
II.
El efecto que estos provocan en los edificios , en particular sobre su comportamiento
estructural , que incluye la determinación de las características de magnitud y distribución
de las cargas sísmicas y el dimensionamiento o las verificaciones pertinentes.
III.
Recomendaciones sobre el diseño (arquitectónico, estructural, etc.) y las
prevenciones constructivas , de ejecución y de control a tener en cuenta para este
tipo de solicitación.
CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SISMOS
Los sismos son fenómenos geológicos.
Los instrumentos de medición han permitido detectar dos tipos de sismos:
I.
Microsismos: movimientos sísmicos no perceptibles por el hombre y detectado
solamente por instrumentos.
II.
Macrosismos: se refiere al conjunto de temblores y terremotos.
Se analizarán estos últimos, pues los microsismos no comprometen la estabilidad de las
construcciones.
ZONAS SISMICAS
Los sismos no ocurren con igual frecuencia ni intensidad en todas las regiones de la tierra.
En general y a grandes rasgos, se puede decir que la s zonas sísmicas se agrupan alrededor de
2 amplios círculos que rodean la tierra:
El 1º es el llamado Círculo Circumpacífico que rodea el océano pacífico.
El 2º es el llamado de los Mares Mediterráneos que comprende las cuencas marítimas
producidas por grandes hundimientos tales como el Mar Mediterráneo y el Caribe, la cuenca de
Célebes con la situada al Sur de China y el Mar Rojo, atravesando luego la línea del Ecuador.
Irradian de este 2º círculo dos zonas bastante activas: una de Africa Oriental hasta el Cabo de
Buena Esperanza y otra que comprende las zonas montañosas del Cáucaso, Himalaya e Irán.
TEORIA SOBRE EL ORIGEN DE LOS SISMOS
Los sismos ocurren preferentemente en zonas de perfil accidentado, especialmente las
ocupadas por cordilleras y montañas geológicamente nuevas, donde puede suponerse que las
rocas todavía no han alcanzado su equilibrio definitivo y estable. La causa directa de los sismos
podría buscarse entre las tres siguientes:
I.
Derrumbamiento de cuevas subterráneas de grandes dimensiones
II.
Erupciones volcánicas
III.
Formación de fallas, rupturas y dislocaciones de capas enteras de la costra terrestre.
Estos son los llamados sismos tectónicos : los de mayor importancia tanto en número,
como en extensión y gravedad.
El origen de los sismos se debe a fenómenos mecánicos, los cuales se proveen de la energía
necesaria de las características térmicas de la tierra. Así, en última instancia el origen de los
sismos es térmico, gracias a la radioactividad y al proceso de enfriamiento del planeta.
Una vez acumulada la energía, se produce el sismo por factores secundarios tales como el
geomagnetismo. La ausencia de estos factores puede prolongar el tiempo de inactividad
sísmica.
FOCO SÍSMICO Y EPICENTRO
El punto donde se inicia la fractura se llama FOCO SISMICO. Corresponde al centro de
perturbación mecánica y desde allí se supone que se inicia la irradiación de la energía. El punto
de la superficie de la tierra ubicado directamente sobre el foco se denomina EPICENTRO. Las
perturbaciones mecánicas producidas en el foco sísmico se propagan en forma de ondas
sísmicas a través de la tierra, dando origen a los movimientos vibratorios del suelo. Estos
movimientos pueden ser medidos por instrumentos especiales: los sismógrafos. El registro
gráfico del movimiento del suelo es el sismograma.
ONDAS SÍSMICAS
Durante el sismo el suelo se mueve en forma oscilatoria, tanto en sentido horizontal como
vertical. El movimiento del suelo se desarrolla en forma más o menos aleatoria, especialmente
en el epicentro, área central del sismo. Estos desplazamientos se caracterizan por su
aceleración, intensidad y velocidad máximas, factores que dependen de la distancia y
profundidad del foco sísmico y la geología del lugar. La energía sísmica es transmitida por el
suelo a la construcción que le es solidaria, y esta reacciona por inercia frente a los movimientos
sísmicos deformándose o disipando en alguna otra forma de trabajo interno la energía recibida.
Se presentan 3 formas distintas de ondas sísmicas:
I.
Longitudinales:
Son ondas de compresión y dilatación periódicas y sus vibraciones tienen la misma
dirección que la de propagación de onda. Se las asimila a las ondas sonoras. Tienen la
mayor velocidad de propagación-
II.
Transversales:
Las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación. Un equivalente son
las ondas luminosas-
III
Superficiales:
Se propagan como su nombre lo indica, en las capas más superficiales de la tierra,
en el subsuelo. Se la compara con las ondas marítimas. Su velocidad de
propagación es la más lenta.
La componente vertical de estas ondas no representa, en general, mayor peligro
para las estructuras ya que solo compromete la compresibilidad de las mismas.
En cambio la componente horizontal y sus características: a) amplitud y b)
frecuencia, deberán tomarse en cuenta en los cálculos estructurales tendientes a
obtener estructuras asísmicas.
Los períodos de las ondas sísmicas son bastante variables. Cerca del epicentro se reducen los
períodos a duraciones de sólo 0,5 a 0,3 seg. y, por lo tanto mayor frecuencia de onda. Estos son
los que más interesan el las aplicaciones prácticas.
Como todas las ondas, las sísmicas satisfacen las
leyes de reflexión y refracción. Cada vez que se
encuentran con diferentes capas terrestres. Esto
significa que los rayos sísmicos no siguen líneas
rectas en el interior de la tierra ya que la densidad de
la misma aumenta con su profundidad, sino que
describen curvas
MOVIMIENTO OSCILATORIO:
OSCILACIÓN: Movimiento de un punto que se
desplaza alternativamente en un sentido y en otro,
pasando siempre por las mismas posiciones.
PERIODO (T): Tiempo que se tarda en hacer una
oscilación completa.
FRECUENCIA: Número de vibraciones por unidad de
tiempo en un fenómeno periódico. Es inversamente
proporcional al período
AMPLITUD: Valor que caracteriza la intensidad del
fenómeno oscilatorio, el cual puede corresponder a: un
INTENSIDAD Y MAGNITUD SISMICA : ESCALAS DE MEDICION.
La medida de intensidad de un sismo se establece en grados que corresponden a determinadas
escalas de intensidad sísmica previamente establecidas basadas en la sensación de las
personas y en la observación de los efectos sobre las construcciones provocados por el sismo.
Por ello, la intensidad corresponde a una descripción cualitativa del sismo. La escala de
intensidad sísmica más ampliamente usada en la actualidad es la Escala Modificada de
Mercalli (1931) que comprende 12 grados. (revisada en 1964)
Para poder clasificar a los sismos en forma cuantitativa en relación con la violencia del
movimiento del suelo surge la determinación de su magnitud, medida objetiva, instrumental,
relacionada con la energía liberada por el movimiento sísmico. La magnitud se expresa en la
Escala de Richter que corresponde a mediciones efectuadas sobre un sismograma obtenido de
un sismógrafo normal, ubicado a 100 km. del epicentro.
EL SUBSUELO Y LA INTENSIDAD SISMICA
Los rayos sísmicos atraviesan el suelo y debido a la heterogeneidad del mismos las ondas
sísmicas no solamente cambian de dirección, sino que también quedan sometidas a efectos
tanto de absorción como de resonancia, provocados por el material atravesado. Esta resonancia
es posible si las características elásticas del subsuelo están de acuerdo con la frecuencia de las
vibraciones sísmicas, en cuyo caso la intensidad puede incrementarse enormemente.
Las construcciones levantadas sobre rocas (suelos rígidos) podrán estar sometidas a
movimientos oscilatorios cuya amplitudes verticales alcancen algunos centímetros, y a
aceleraciones aún mayores que la de la gravedad; pero los movimientos horizontales tendrán
amplitudes pequeñas, y aceleraciones menores a 1/10 de la gravedad. Por esto sus estructuras
podrán ser más o menos elásticas con respecto a los esfuerzos horizontales, pues las rocas en
que se encuentran fundadas pueden considerarse prácticamente indeformables y por lo tanto no
se producirán asentamientos desiguales al presentarse tales esfuerzos.
En cambio, en suelos de relleno, sin cohesión, en capas de más de 80m de profundidad hasta la
roca firme (no rígidos), las construcciones deben ser suficientemente rígidas para evitar los
asentamientos y soportar los esfuerzos horizontales.
SOLICITACIONES A QUE DAN ORIGEN LOS SISMOS
DISTRIBUCIÓN DE LOS ESFUERZOS DE ACUERDO
ESTRUCTURAL
AL
COMPORTAMIENTO
El fenómeno sísmico es un movimiento oscilatorio, pudiendo ser esas oscilaciones
a) Oscilación Vertical
b) Oscilación horizontal:
1. Esfuerzo global sobre el edificio
2. efecto individual en los elementos estructurales.
Los edificios son deformables en menor o mayor medida de acuerdo a las solicitaciones que los
afectan y las características de rigidez de las estructuras que los constituyen. En el caso de los
sismos estas solicitaciones están determinadas por las oscilaciones que ellos provocan en el
terreno sobre el cual se encuentra fundado el edificio, teniendo en cuenta las condiciones
elásticas del mismo incluyendo particularmente las de esa fundación.
De acuerdo a lo anterior cabe distinguir entre:
1. Efecto de las oscilaciones Verticales
2. Efecto de las oscilaciones Horizontales
EFECTO DE LAS OSCILACIONES VERTICALES: En este caso el sismo tenderá,
alternativamente a levantar el edificio y luego a
hacerlo descender. Por el principio de acción y
reacción (ver fig.) en el primer ejemplo producirá
un efecto de compresión vertical, y en el segundo
de tracción. El edificio es en general pesado y es
calculado para importantes cargas verticales,
por lo tanto las solicitaciones debidas los sismos,
son resistidas sin dificultad debido a los
coeficientes de seguridad adoptados para las
cargas estáticas verticales.
EFECTO DE LAS OSCILACIONES HORIZONTALES: En el mismo edificio sometido al efecto
de oscilaciones horizontales, las fuerzas derivadas
de la inercia actuarán también en uno y otro
sentido.
Un
temblor
que
produzca
movimientos
horizontales del suelo puede provocar, en las
diferentes partes de la estructura y en su conjunto,
esfuerzos que no alcancen a ser absorbidos y
sobrepasen los coeficientes de seguridad que se
consideraron al suponer la existencia de cargas
verticales solamente.
Puesto que los edificios resisten relativamente
bien la variación de cargas verticales según se
dijo anteriormente, el máximo peligro lo presentan
las fuerzas horizontales producidas por el sismo.
Por este motivo y a los fines de cálculo se ha
asimilado a la fuerza sísmica a un empuje
horizontal que en un sentido y en otro actúa
sobre la estructura alternativamente
MAGNITUD DE LOS ESFUERZOS SISMICOS
La magnitud de la fuerza sísmica global actuante sobre un edificio depende de 2 factores:
1. La masa de la estructura: un edificio pesado al tender a quedar en reposo desarrollará
fuerzas de inercia mayores que un edificio liviano, debido a su masa más grande
2. Grado de violencia del sismo: La fuerza sísmica será proporcional a la intensidad de la
acción sísmica, representada por la aceleración correspondiente.
Es decir:
F= M. a
Siendo:
F: fuerza sísmica
M: masa del edificio (M = p/g)
a: aceleración.
De esos dos factores sólo es posible modificar el primero (masa de la estructura) ya que el 2º no
es susceptible de ser controlado por el hombre en general.
Alivianando la estructura es más fácil resistir el esfuerzo horizontal
PUNTO DE APLICACIÓN DE LA ACCION SISMICA
La acción sísmica global, a los fines de aplicación práctica, se reduce a un empuje horizontal
aplicado en el centro de gravedad del edificio, por donde pasará la resultante de los esfuerzos
horizontales parciales originados en las masas de los distintos elementos de la construcción.
NOTA: es conveniente hacer notar la diferencia
entre centro de gravedad (centro de masas) y
centro geométrico de la estructura
Este empuje tiende a producir 2 efectos:
1. Tendencia a deslizarse la parte superior del
edificio separándose de la base fija al terreno
(corte). En general los edificios entran en colapso
por este esfuerzo.
2. Tendencia del conjunto de la estructura a
volcarse. Este efecto aumenta cuanto más alto se
encuentra el centro de gravedad o de masas. Es
el caso de los llamados edificios de péndulo
invertido, o sea aquellas estructuras donde por lo
menos la mitad de la carga gravitacional está en el
tercio superior de su altura total y tienen un solo
elemento de soporte en la dirección que se
analiza. Al estar más arriba aumentará el peligro
de volcamiento
COMPORTAMIENTO SISMICO DE LAS ESTRUCTURAS ELEMENTALES
Es necesario hacer un breve análisis de la acción del sismo sobre las estructuras (y sus partes)
y del efecto que dicha acción produce en los distintos elementos estructurales y en el edificio en
su conjunto, llamando efecto a los daños producidos por causa directa del sismo y que son
proporcionales a su magnitud. Esta acción y efecto deben ser diferenciados de las fallas que
son daños que se originan en defectos o errores de diseño o construcción, que se ponen en
evidencia durante el sismo.
Los esfuerzos producidos por un movimiento sísmico son siempre oscilantes debido al cambio
alternado del sentido de la solicitación (vibración) y por lo general provocan esfuerzos
alternados de tracción y compresión y cambios de sentido en los esfuerzos de corte y
flexión en los distintos elementos de la estructura.
Estos cambios de las cargas son muy peligrosos para la estabilidad de un edificio, ya que las
acciones debidas al peso propio y la sobrecarga (que son las básicas del cálculo) son siempre
cargas estáticas y de sentido fijo.
Los elementos estructurales simples combinados en conjunto constituyen la estructura del
edificio, su esqueleto resistente, indispensable para resistir las solicitaciones a que estará
sometido.
Se analizarán a continuación 2 casos simples:
1.
PILAR AISLADO, EMPOTRADO EN SU BASE Y LIBRE EN SU EXTREMO SUPERIOR:
Ej.: pilar de un puente, poste de luz, etc. Al
producirse el sismo el pilar queda sometido a 2
tipos de fuerzas: a) un sistema vertical
proveniente de las cargas gravitatorias (peso
propio de la construcción
y sobrecarga
aplicadas), que como simplificación se lo supone
aplicado en el extremo superior (N) y que
producirá un esfuerzo de compresión. b) un
sistema de fuerzas horizontales de inercia
proporcionales a las anteriores y aplicadas en los
respectivos centros de masa (F). Estas van a
producir esfuerzos de flexión. Es decir que habrá
una solicitación de flexión compuesta. Además F,
de acuerdo a lo analizado anteriormente, puede
actuar en cualquier dirección del plano horizontal.
Del lado que actúa F habrá tracción, que debe
restarse de la compresión uniforme producida por
N, y en el lado opuesto habrá compresión.
La magnitud de la tensión de tracción suele alcanzar valores considerables y son pocos
los materiales que resisten adecuadamente estos esfuerzos.. También la tensión de
compresión aumenta y por esto debe dimensionarse el pilar teniendo en cuenta estos 2
últimos esfuerzos.
2.
MARCO DE 2 PILARES EMPOTRADOS EN SU BASE Y CON VIGA SUPERIOR DE
UNION: Ej. pórtico. Generalmente la viga recibe a N. El sismo provoca F (proporcional a
N; F= ζ.N siendo ζ= factor de proporcionalidad)
que actúa horizontalmente a la altura de la viga.
En el sentido del plano formado por el marco (viga
y pilares), F produce flexión en los 2 elementos.
En el sentido perpendicular al marco, los pilares
se calculan como empotrados en el terreno y
libres arriba, solicitados por:
F1 = ζ N1 y F2 = ζ N2
Siendo N1 y N2 las reacciones en los apoyos
producidas por N. Por lo tanto la acción más
desfavorable
es la producida por los
esfuerzos horizontales perpendiculares a su
plano.
Estos diferentes elementos estructurales (pilares, vigas, tabiques, pórticos, etc.) debidamente
distribuidos y orientados en la planta del edificio, pueden o no estar ligados entre sí mediante
diagramas de gran rigidez (entrepisos) que permiten la distribución adecuada de las fuerzas
horizontales entre los elementos resistentes. La ausencia o existencia de diagramas determina
dos tipos de estructuración que son fundamentalmente diferentes desde el punto de vista de las
solicitaciones horizontales.
En el primer caso (entrepisos deformables), los entrepisos no constituyen un diafragma
rígido y por lo tanto no existe condición de compatibilidad de deformaciones. Cada elemento
resistente al sismo tomará la parte del empuje que actúa directamente sobre él. No será posible
por esto que elementos más resistentes colaboren con los de menor resistencia, resultando, en
general, estas estructuras menos seguras. No son recomendables en la construcción
antisísmica, salvo en el caso de edificios menores en los que no se generan grandes esfuerzos
de corte. (fig.1)
En el segundo caso, el esfuerzo cortante sísmico será transmitido por el diafragma rígido
(losa de entrepiso) a los elementos sísmicos (muros y pórticos) en forma tal que la
deformación de cada elemento sea compatible con la condición de diafragma rígido.(fig.2)
En caso que la planta sea simétrica, es decir que haya una razonable coincidencia entre los
centros de masa y rigidez, se tendrá solo un efecto de traslación bajo la acción del empuje
sísmico. Cuando la planta sea asimétrica –o sea que no coinciden los centros de masa y
rigidez- además de la traslación aparecerá una torsión, que será tanto más importante cuanto
mayor sea la excentricidad del centro de masas respecto al centro de rigidez.
EJEMPLO
1. Estructura en el espacio, compuesta de pilares, tabiques y vigas con diafragma rígido
(tablero indeformable)
Esta estructura es simétrica cuando actúa la
fuerza sísmica (F) paralela a la dirección “X”; en
este caso, se producirá un desplazamiento
horizontal del entrepiso (diafragma) que arrastra
consigo a todos los elementos resistentes a los
esfuerzos horizontales (tabiques, pórticos) por
estar éstos fuertemente unidos a ella en sus
extremos
superiores
e
inferiores.
El
desplazamiento es igual en todos los puntos,
entonces porque el entrepiso es indeformable y
los elementos estructurales son simétricos (en
este caso en particular hay simetría geométrica y
resistente).
Cuando F Actúa paralela al eje “Y”, ésta será
tomada casi en su totalidad por el tabique, ya que
la línea de pilares tiene rigidez despreciable en
esta dirección. Por consiguiente habrá sobre el eje
“Y” del tabique una fuerza igual y contraria a F (-F)
que equilibrará a esta. Ambas constituyen un par
(F.d) que tiende a hacer rotar la losa en su plano,
además del desplazamiento producido por la
acción directa de F.
Este efecto de torsión debe ser resistido por los
elementos estructurales dispuestos según el eje
“X” (pórticos 1,2y 3). En este caso el centro de
torsión (0) , alrededor del cual gira la estructura es
el baricentro del tabique.
Muchas veces el efecto de torsión es mayor que el
desplazamiento.
2. Estructura de 2 ó más pisos , compuesta por muros, vigas, pilares y con diafragmas
rígidos (tableros indeformables)
Siendo:
n: número de pisos
K: un piso cualquiera
l<k<n
Sobre el tablero (losa) del piso K, actúa FK que es
un determinado porcentaje de la carga
gravitacional (FK = % NK) y que será soportada,
según la dirección que actúa, por los distintos
elementos estructurales, de acuerdo a lo ya
analizado. La estructura del nivel K está soportada
a su vez por la del nivel K-1 (quien soporta
también FK-1 y NK-1). Por consiguiente la carga
va aumentando al acercarse a los niveles
inferiores, siendo máxima en la base de la
construcción.
El Cálculo es más complejo cuando no hay
simetría de rigideces, ya que se producen los
mencionados efectos de torsión.
DETERMINACIÓN DE LAS ACCIONES SÍSMICAS Y SUS VERIFICACIONES
La respuesta de las estructuras a los efectos de los sismos es, como éstos, de carácter
dinámico, y por consiguiente dependerá de las características elásticas de las estructuras en
cuestión.
Una estructura rígida se comportará en forma diferente a una estructura elástica deformable.
En el primer caso la respuesta será estática, y en el segundo será dinámica.
Para una primera verificación global, se supone al edificio como infinitamente rígido (sólido
indeformable), correspondiendo entonces efectuar la verificación al volcamiento (igual
verificación que para el caso de edificios sometidos a la acción del viento.
Debe cumplirse
Me
>1,5
Mv
Siendo:
Me: Momento estabilizador
Mv: Momento volcador.
Pero, como en la realidad el edificio no es totalmente rígido, sufre desplazamientos horizontales
y verticales, y eventualmente giros (construcciones asimétricas), corresponde determinar el valor
de cada una de las fuerzas sísmicas aplicadas en cada uno de los niveles FK para obtener el
esfuerzo de corte producido por esas fuerzas, y así poder dimensionar y/o verificar cada uno de
los elementos estructurales que están ubicados en el entrepiso considerado (nivel K).
Esta segunda etapa de cálculo y verificación no será realizada en el presente trabajo, por estar
fuera de los objetivos del mismo.
Se hará la verificación global al volcamiento que, a los efectos de un predimensionado del
volumen (y masa) a construir en su totalidad, permite conocer su factibilidad.
Para ello y en base a lo ya expuesto, se analizarán las estructuras considerando las acciones
sísmicas horizontales actuantes según 2 ejes ortogonales (x e y ).
Los métodos de cálculo para determinar la magnitud de las excitaciones sísmicas (Reglamento
INPRES- CIRSOC 103/83, basado en la NAA 80) son los siguientes:
1. Método Estático
2. Método Dinámico
La elección de procedimiento a seguir se realiza considerando las limitaciones indicadas
específicamente para cada uno de ellos. (ver reglamento)
En este caso se seguirá el método estático, aplicable a estructuras de configuraciones regulares
de distribución de rigideces y de masas, tanto en elevación como en planta. Este procedimiento
consiste en esquematizar la excitación sísmica mediante sistemas de fuerzas estáticas
proporcionales a las cargas gravitacionales.
en edificios de mayor complejidad deberán usarse los métodos dinámicos.
El esfuerzo de corte (Vc) producido por las acciones sísmicas horizontales en la base de la
construcción, paralelo a la dirección considerada se determinará solo con la siguiente expresión:
Vc =C . W
Nota: Se utilizará la nomenclatura
del INPRES – CIRSOC 103/83
Siendo
Vo = esfuerzo de corte en la base de la construcción paralelo a la dirección considerada
C = coeficiente sísmico de diseño
W = carga gravitatoria total de la construcción.
A continuación se verá como se determinan cada uno de estos valores
A. COEFICIENTE SISMICO DE DISEÑO
Contempla los siguientes aspectos
1.
2.
3.
4.
5.
Período fundamental de la construcción
Sismicidad de la región
Tipo de suelo de fundación
Destino de la Construcción
Características de la estructura
A.1 Período fundamental de la construcción (T)
Según se lo definió anteriormente es el tiempo que tarda el edificio en hacer una oscilación
completa. Para un predimensionado se lo determina mediante fórmulas empíricas.
A.2 Sismisidad de la región
Esta da una idea de la intensidad y la frecuencia de los fenómenos sísmicos en la región
considerada, ya que de ésta dependerá en gran medida la magnitud de la fuerza sísmica que
actuará sobre el edificio en el momento de producirse el terremoto, condicionando así el diseño
de la construcción.
El territorio de la Argentina se divide en 5 zonas de acuerdo al grado de peligrosidad sísmica
(ver mapa fig. 1 y tabla 1 del reglamento), que varían desde una peligrosidad muy reducida hasta
una muy elevada.
Cuando el lugar de emplazamiento del futuro edificio coincide con una línea que delimita 2
zonas, se deberá considerar el emplazamiento en la zona de mayor peligrosidad aplicando el
criterio de seguridad.
A.3 Tipo de suelo de fundación:
Como también ya se ha expresado las condiciones locales del manto del suelo sobre el que se
asienta la construcción tienen gran influencia en la respuesta sísmica de la misma
Los suelos pueden ser, desde el punto de vista dinámico:
1. Estables
2. Inestables.
3.
1. Estables: se clasifican de acuerdo a lo indicado en la Tabla 3 del reglamento en 3 tipos:
Tipo I: muy firmes y compactos
a) rocas: σt > 2MN/m2 * (= 20 kg/cm2)
b) rígidos: 0,3MN/m2 *< σt < 2MN/m2
(= 3kg/cm2 < σt < 20kg/cm2)
Tipo II: intermedios 0,1MN/m2 < σt < 0,3 MN/m2
(1kg/cm2 < σt < 3kg/cm2)
Tipo III: blandos y poco densos: σt < 0,1 Mn/m2 (= 1kg/cm2)
2. Inestables: se deberán realizar estudios preliminares precisos y lo más completos posibles,
a causa de la posibilidad de asentamientos diferenciales permanentes, derrumbes de
taludes, licuefacción de suelos granulares saturados, etc.
A.4 Destino de la construcción:
Con el objeto de establecer los requerimientos de previsiones sismorresistentes, las
construcciones se agrupan de acuerdo a sus funciones y con la trascendencia que puedan tener
eventuales daños o colapsos de las mismas en caso producirse un sismo, en 4 grupos:
Grupo A0:
Construcciones que cumplen funciones esenciales y cuya falla producirá efectos catastróficos:
Ej.: centros militares, hospitales, centrales de bomberos, instalaciones de servicios sanitarios,
centrales de comunicación, de energía, aeropuertos, depósitos de sustancias tóxicas, radio
activas o combustibles.
Grupo A:
Construcciones con alto factor de ocupación, donde se guarden contenidos de gran valor para la
comunidad y/ o interés para la producción.
Ej.: sedes de edificios públicos, edificios educacionales, cines, teatros, templos, estadios,
museos, archivos, bancos, grandes hoteles, edificios comerciales, y/o industriales de elevada
densidad.
Grupo B:
Construcciones cuyo colapso produciría pérdidas de magnitud intermedia.
Ej.: viviendas, edificios privados de habitación, edificios comerciales, industriales y de uso
público no comprendidos en el grupo A
Grupo C:
Construcciones cuya falla produciría pérdidas de escasa magnitud y no causaría daños a las
construcciones de los grupos anteriores.
Ej.: tinglados, establos, construcciones precarias.
En la tabla 2 del reglamento se establecen los valores del factor de riesgo δd según el grupo a
que pertenezca la construcción
Construcción
δd
Grupo A0
1,4
Grupo A
1,3
Grupo B
1
Para las construcciones del grupo C no se requiere el análisis bajo las acciones sísmicas.
A.5 Características de la estructura
Se refiere a la capacidad de disipación de energía sísmica que tiene la estructura por medio
de deformaciones anelásticas (ó plásticas) de la misma. O sea que contempla el grado o la
medida en que la estructura puede absorber parte de la carga sísmica, y es por lo tanto un factor
de reducción
A mayor amortiguación o absorción, menor movimiento vibratorio.
Finalmente el coeficiente sísmico de diseño se expresa mediante la siguiente fórmula
C = Sa . δc
R
Siendo:
C: coeficiente sísmico de diseño
Sa: aceleración equivalente o pseudo aceleración elástica producida por el sismo en función
de las características dinámicas de la estructura. Está expresada como fracción de la
aceleración de la gravedad.
Este valor se obtiene en base a: el período (T), el tipo de suelo de fundación, y a la zona
sísmica en que se encuentra la construcción.
δd : es el factor de riesgo según el destino de la construcción.
R: es el factor de reducción por disipación de energía que varía según el tipo de estructura.
Contempla la posibilidad de que la mayor parte de la estructura participe en forma uniforme
en la disipación de la energía, con deformaciones anelásticas, sin que se produzcan
concentraciones de deformaciones plásticas en sólo algunas zonas de la estructura. Este
concepto se lo lama ductilidad (μ). En edificios altos, generalmente R = μ
O sea que en toda la construcción es deseable que las deformaciones permanentes se
absorban en forma uniforme y pareja.
Para estructuras constantes en toda su altura, simétricas y en el caso específico de tabiques
sismorresistentes de HºAª asociados entre sí por vigas que permitan su
funcionamiento en conjunto, el reglamento indica
μ=4
R= 4
B. Carga gravitatoria total de la construcciónLa carga gravitatoria operante en un determinado nivel (k) durante el sismo está constituida
por las cargas permanentes y una fracción de las sobrecargas de servicio . Es decir:
Wk = Gk +η . LK
Siendo:
Wk: carga gravitatoria operante en el nivel k
Gk: carga gravitatoria permanente
Lk: sobrecarga de servicio
η: factor de simultaneidad y presencia de sobrecargas de servicio.
Los valores de h están en función del destino de la construcción y del factor de
ocupación (Tabla 3). Se establece en base a consideraciones de tipo
probabilístico
Entonces la carga gravitatoria total de la construcción es:
n
W = Σ1 WK
O sea la sumatoria de las cargas gravitatorias operantes en cada nivel ( cada una con su
correspondiente valor de η).
Distribución en la altura de las fuerzas sísmicas laterales o esfuerzo de corte.
Interesa ahora conocer como se distribuye en toda la altura del edificio el esfuerzo de corte, es
decir que porcentaje de carga va a tomar cada entrepiso para poder luego dimensionar cada
nivel.
Para construcciones en torre con las características de las que se analizan la fuerza sísmica
lateral (FK) asociada a la carga gravitatoria (WK) en el nivel K se determinará por medio de la
siguiente expresión:
FK = wk hk
Σn
vº
wk . hk
1
Siendo: Fk: fuerza sísmica (esfuerzo de corte
En el nivel K
Wk: carga gravitatoria concentrada en el
Nivel K
hK: altura desde el nivel considerada hasta el nivel +/- 0,00
Vº : esfuerzo de corte en la base
Σn wk . nk :sumatoria del producto de cada una de las fuerzas Fk por sus respectivas
distancias hk, desde el piso 1 hasta el piso n.
Determinación del momento de vuelco con respecto al plano de fundación.
En la superficie de contacto suelo – fundación el momento de vuelco (Mf) ó (Mv) se determinará
mediante la siguiente expresión:
Mf = 0,9 Σ n Fk. Hk*
1
Siendo: Mf Momento volcador en el nivel de fundación
Fk : la fuerza horizontal de corte aplicada en el nivel k
Hk*: la altura desde el nivel k de la construcción hasta el nivel de fundaciones.
Esta reducción del 10% del Momento volcador sólo se admite para el caso de Mb con respecto
al plano de fundación, no permitiéndolo el reglamento para los otros niveles.
Determinación del momento estabilizador:
Se determina en forma análoga para el caso de la verificación de la carga de viento, con la
siguiente expresión:
Me = W .d
Siendo:
Me: momento estabilizador
W: carga gravitatoria total
d: distancia desde la recta de acción de la resultante
Hasta el punto de giro (A) del edificio.
Una vez obtenidos los valores de Mb y Me, se está en condiciones de
realizar la verificación propuesta al inicio:
Me > 1,5
Mv
Si se cumple esta relación, esto significa obviamente que el edificio resiste el momento volcador
producido por la acción sísmica y además indica con que grado de seguridad se está trabajando.
No obstante como se dijo oportunamente debe tenerse en cuenta que el edificio entra en colapso
por corte.
A los efectos del cálculo no se considera la acción simultánea de las cargas de viento y las
sísmicas.RECOMENTACIONES SOBRE DISEÑO Y PREVENCIONES CONSTRUCTIVAS
Deben procurarse construcciones compactas.Los edificios en forma de L, E, F, H , T, etc., deberán preferentemente separarse o subdividirse
en varios cuerpos compactos e independientes entre sí:
Elevación
Planta
El criterio general de diseño, independientemente del material usado (en cuanto a
predimensionado) es el lograr marcos rígidos e indeformables por medio de los distintos
elementos estructurales (columnas, vigas, tabiques, pórticos).Algunos materiales tienen la suficiente afinidad constructiva como para permitirles trabajar con
conjunto como si fueran un solo elemento (ej.: Hº Aº y ladrillos armados.).Tanto pisos, vigas, tabiques, pilares, marcos rígidos y fundaciones deben formar un conjunto
perfectamente trabado capaz de llevar al terreno las cargas propias y los efectos horizontales
causados por los temblores.
Si los elementos resistentes están distribuidos dentro de un nítido reticulado de líneas
estructurales, la continuidad entre ellos no presenta dificultades de proyecto y simplifica la
construcción.- Así el edificio resistirá como un todo armónico. Pero si la trabazón mecánica de
las partes es deficiente, la acción sísmica se manifiesta “separadamente” sobre cada una de
ellas en forma proporcional a sus masas, significando esto un peligro.-
Y
Planta
X
En la homogeneidad de la estructura influye la calidad y modo de empleo de los materiales. La
falla de un material puede producir una resistencia más baja que la estipulada para un
determinado elemento estructural y provocar el colapso del conjunto. Por lo tanto es
indispensable un estricto control de calidad durante la etapa constructiva.
El reglamento (INPRES- CIRSOC 103/83) RECOMIENDA:
• La estructura debe poseer adecuada resistencia según las 2 direcciones principales de la
construcción y además poseer un mecanismo apto para la resistencia a la torsión.
• En el planteo estructural se evitarán cambios bruscos de rigidez y /o resistencia en elevación
y/o en planta, procurando de una distribución uniforme y continua de éstos.- Asimismo se
evitarán asimetrías de rigideces y de masas.• Se evitarán especialmente los llamados “pisos flexibles“ y “columnas cortas” en la que
predomina la falla frágil originada por corte, que han presentado un mal comportamiento
frente a acciones sísmicas
Columna Corta
Piso flexible
•
La resistencia y rigidez de la estructura debe ser compatible con el sistema de fundaciones y
el tipo de suelo.
•
El sistema estructural debe poseer suficiente rigidez inicial y aceptables deformaciones
totales en estado de agotamiento para que frente a los terremotos frecuentes los daños se
minimicen y frente a terremotos severos los daños provocados por éstos sean económica y
técnicamente reparables. Para lograr esto se tendrán en cuenta la naturaleza del suelo y los
tipos estructurales posibles.
En lo que respecta específicamente a HºAº, algunas recomendaciones a tener en cuenta, según
el reglamento (INPRES-CIRSOC 103/83) son:
•
Empleo de hormigones de la mejor calidad posible, siendo la mínima a utilizar la de
σbk = 17 Mn/m2 = 170 kg/cm2
•
Uso de aceros de dureza natural (DN) con tensión de fluencia 420Mn/m2 = 4200 kg/cm2
(barras nervuradas)
TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES
En lo que respecta a construcciones sismorresistentes se ordenan 3 tipologías
a) Pórticos: constituidos por vigas y columnas donde la acción sísmica es soportada mediante
su resistencia a flexión y corte.
El reglamento detalla espesores, alturas mínimas y luces libres para vigas, así como
también establece espesores mínimos de columnas en función de la forma de su sección y
de la zona sísmica.Las zonas de intersección entre vigas y columnas (nudos) deben diseñarse y construirse de
acuerdo con los siguientes criterios para evitar posibles desplazamientos anelásticos del
pórtico a que pertenecen:
• La resistencia del nudo no puede ser menor que la máxima resistencia del elemento
estructural más débil que a él concurre.
• Se tendrá especial precaución para asegurar un correcto hormigonado.• En caso de terremotos moderados, lo deseable es que su reparación no sea necesaria.
b) Tabiques: La acción sísmica es totalmente soportadas por planos verticales constituidos por
tabiques sismorresistentes de Hº Aº, que son aquellos cuya sección transversal horizontal
cumple la siguiente condición
Lw
Bw
>4
Siendo.
Lw: longitud del tabique
(lado mayor de la
sección horizontal)
bw: espesor del tabique
(lado menor de la
sección horizontal
Estos pueden ser:
I.
Simples: en toda su altura no tienen aberturas regularmente distribuidas ni conexiones
significativas con otros tabiques.- Se clasifican en
A) Esbeltos Hw >2
Lw
Siendo Hw: altura total del tabique
B) Bajos Hw < 2
Lw
II.
Acoplados: sistema estructural formado por un conjunto de 2 ó más tabiques simples
conectados por elementos de significativa rigidez y resistencia en forma regular en toda
su altura. El reglamento especifica las limitaciones dimensionales de los tabiques,
también en función de la zona sísmica.
c) Sistemas mixtos, pórticos y tabiques: la acción sísmica es soportada por una combinación
estructural de ambos. Merecen especial análisis los puntos de conexión entre los 2 tipos.
Diafragmas: están constituidos por losas de entrepisos y/o techos solicitadas en su plano por
acciones sísmicas. Para su dimensionamiento se considerarán las solicitaciones
normales y de corte.
POSIBLES CAUSAS DE LOS DAÑOS:
Inmediatamente después de ocurrir el sismo surge la necesidad de evaluar la magnitud de los
daños y reunir todos los antecedentes necesarios para decidir las medidas de emergencia a
tomar y las tareas de investigación posteriores.
Por lo tanto se analiza la estructura según los factores que pueden explicar el daño:
Estos factores pueden ser:
Errores de concepción:
1. Tipo estructural inadecuado con respecto al tipo de suelo de fundación.
2. Materiales mal elegidos
3. Mala disposición de elementos resistentes.
4. Mala disposición de elementos no resistentes (cornisas)
5. Protección insuficiente de los elementos resistentes.
6. Equivocaciones o errores en la evaluación de las solicitaciones.
7. Idem en el proceso de calculo
8. Mala transmisión de la idea de proyecto (errores de dibujo, etc.)
Defectos de materiales de construcción.
1. Propiedades y características (resistencia mecánicas)
2. Defectos del material
Defectos de ejecución:
1. Calidad geométrica
2. Equipos, Herramientas, y maquinarias
3. Errores de operación
Uso de la estructura
1. Alteraciones de la estructura: eliminación o agregados de elementos, alteración de
secciones, cambios de destino, falta de mantenimiento, etc.
2. Alteraciones de contornos, excavaciones, nuevas construcciones.
NUEVAS TECNOLOGÍAS AISLADORES DE BASE Y DISIPADORES DE ENERGÍA
Aislación sísmica de base – Esta basada en la idea de aislar una estructura del suelo mediante
elementos estructurales que reducen el efecto de los sismos sobre la estructura. Estos
elementos estructurales se denominan aisladores sísmicos y son dispositivos que absorben
mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura. Estos
dispositivos pueden ser de diferentes tipos y formas, los mas conocidos son los basados en
goma de alto amortiguamiento, goma con nucleo de plomo, neoprenicos o fricionales. Al utilizar
estos elementos, la estructura sufre un cambio en la forma como se mueve durante un sismos y
una reducción importante de las fuerzas que actuan sobre ella durante un sismo.
Los mas usados son los de goma de alto amortiguamiento y los neoprénicos.
Aisladores de base
Disipación de energía – Esta basada en la idea de colocar en la estructura dispositivos
destinados a aumentar la capacidad de perder energía de una estructura durante un terremoto.
Toda estructura disipa o elimina la energía de un sismo mediante deformaciones. Al colocar un
dispositivo de disipación de energía en una estructura, estos van ha experimentar fuertes
deformaciones con los movimientos de la estructura durante un sismo. Mediante estas fuertes
deformaciones se incrementa notablemente la capacidad de disipar energía de la estructura con
una reducción de las deformaciones de la estructura. Estos dispositivos se conocen como
disipadores de energía o amortiguadores sísmicos y pueden ser de diversas formas y
principios de operación. Los mas conocidos son en base a un elemento viscoso que se deforma
o con un elementos metálico que logra la fluencia fácilmente.
Disipador Viscoso de Energía
Esquema del Disipador Viscoso de Energía
Los Disipadores Histeréticos incluyen los disipadores metálicos y los disipadores
friccionantes, y dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura.
Los disipadores metálicos están basados en la fluencia de los metales debido a flexión, corte,
torsión o extrusión. Uno de los dispositivos metálicos más reconocidos es el ADAS, que está
compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo
sobre los arriostres.
Los disipadores friccionantes son dispositivos que disipan la energía mediante fuerzas de
fricción que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son
diseñados para deslizar una carga predeterminada, y permanecen inactivos mientras no exista
una demanda sísmica importante sobre el edificio.
Disipador Histerético
EL DISEÑO Y LA TECNOLOGÍA APLICADOS A LA RESOLUCIÓN DE EDIFICIOS
ANTISÍSMICOS
Hasta aquí hemos establecido la problemática de los sismos y los efectos que ellos generan
en los edificios altos, y brevemente el cálculo necesario para su estabilización. Para
asegurar la estabilidad de los edificios, hemos visto que la tecnología avanza cada vez más
en la resolución de los problemas planteados y el diseño propone soluciones de alta
creatividad a los problemas constructivos poniendo en juego los nuevos desarrollos
tecnológicos.
Por eso es oportuno analizar estos ejemplos en los que la tríada -diseño- tecnologíaconstrucción han resuelto en forma eficaz los problemas que se fueron planteando:
EL DISEÑO: TRANS AMERICAN PYRAMID
El primer ejemplo es el edificio Trans American Pyramid un ícono de La ciudad de Chicago.
Vale la pena observar detenidamente sus características: aquí se ha optado por un diseño
piramidal, utilizando en sus fachadas el triángulo que geométricamente es la figura más
indeformable, y además utilizando la forma triangular, por lo tanto su centro de masas va a
estar ubicado en su tercio inferior, lo que disminuye considerablemente su momento volcador
y hace un edificio muy efectivo para resistir cargas como el viento o el sismo. En este
ejemplo queda claro la importancia del conocimiento y la elección de la geometría adecuadas
en el diseño de los edificios para llegar a optimizar su resistencia frente a las cargas
dinámicas, que es la problemática de los edificios en altura
Figura 23: Trans Americxan
Pyramid
•
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1972
William L Pereira
48 Niveles
260 m de altura
Centro de masas
h
LA TECNOLOGÍA: TORRE TAIPEI 101
El Taipei 101 de Taiwán es conocido como el edificio más grande del mundo, pero su atractivo
va más allá de la altura. Su diseño estructural y la seguridad que ofrece ante posibles riegos de
sismos o atentados terroristas, lo convierten en un ejemplo de la ingeniería. Su construcción,
iniciada en 1997
La forma de diseño del Taipei 101 representa el cubo de arroz que se comercializa en esa
ciudad, con la base más pequeña hacía abajo, logrando una simetría escalonada. En total, el
edificio está formado por once cubos. Cada cubo es un módulo de ocho pisos, donde el primero
se reserva a los equipos y maquinarias de mantenimiento de cada módulo.
La resistencia de la estructura del edificio se basa en 8 columnas laterales, y 16 columnas
centrales. Estas últimas forman una mega estructura por donde pasa el ascensor. Las columnas
son un híbrido de metal y hormigón.
Algunos edificios altos, como el Citicorp de Nueva York del que hablamos cuando nos
referíamos al estudio de la acción del viento, el Taipei 101, disponen en los pisos superiores de
un amotriguador de masa. Se trata de un mecanismo simple en términos relativos, ya que
consiste básicamente en un enorme bloque de acero u hormigón colgando como un péndulo o
colocado sobre raíles o una plataforma deslizable. Su misión es contrarrestar los vaivenes y
movimientos laterales habituales en este tipo de edificios, desplazándose en el sentido contrario
a estos.
En el caso del contrapeso del Taipei 101 se trata de una masa con forma esférica de entre 600 y
700 toneladas de peso. Está suspendido por cables entre los pisos 87 y 91 y se calcula que
puede contrarestar movimientos producidos por terremotos de hasta 7 en la escala de Richter y
vientos de hasta 450 Km/h.
Regulador de Masa Taipei 101
Bibliografía
•
Reglamento Cirsoc 103/83
•
Aislación Sísmica.www.cec.uchile.cl
•
Estudio comparativo de edificios con aislamiento sísmico en la base. Universidad de
Santiago de Chile, Departamento de Ingeniería en obras Civiles.
•
Amortiguador de Masa del Taipei 101. Tania Molina.www.arqhys.com