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INGENIERIA ESTRUCTURAL (página 2)




Enviado por yaniar79



Partes: 1, 2

4. Principios de
ingeniería estructural en zonas
sísmicas

Antecedentes
Durante tiempos históricos se tiene conocimiento
de terremotos que
han ocasionado destrucción en ciudades y poblados de todos
los continentes de la tierra. Un
elevado porcentaje de los centenares de miles de víctimas
cobradas por los sismos, se debe
al derrumbe de construcciones hechas por el hombre; el
fenómeno sismo se ha ido transformando así en una
amenaza de importancia creciente en la medida en que las
áreas urbanas han crecido y se han hecho más
densas. Las soluciones
constructivas más duraderas han sido aquellas capaces de
resistir las acciones
externas y del uso; entre las acciones externas, en vastas
extensiones de nuestro planeta, deben incluirse las acciones
sísmicas.
Hasta hace poco, las soluciones adoptadas para resistir las
acciones sísmicas se desarrollaron esencialmente
analizando los
efectos de los terremotos en las construcciones, sin el apoyo
teórico de causas y características de los sismos, ni de
información cuantitativa sobre la naturaleza de los
movimientos del terreno. Un ejemplo de adaptación
progresiva a las sacudidas telúricas, lo constituye las
edificaciones de la segunda capital de
Guatemala, hoy
mejor conocida como Antigua. Algunas de sus edificaciones,
monumentos en la actualidad, han resistido con daños
moderados las acciones de los sismos en una de las zonas
más activas de Centro América, durante varios siglos; las
soluciones constructivas, con muros de 4 y 5 m de grosor,
bóvedas de 60 cm de espesor, contrafuertes, columnas de
esbeltez reducida, etc., fue el resultado de un proceso de
prueba y error durante los siglos XVI, XVII y parte del
XVIII.

La incorporación y desarrollo de
la Resistencia de
Materiales en
el proyecto de las
edificaciones facilitó la predicción cuantitativa
del estado de
tensiones en las construcciones. De igual modo la
aplicación de procedimientos de
análisis y la incorporación del
acero en la
construcción, incrementaron sensiblemente
la seguridad en las
edificaciones. mediados del presente siglo, los problemas
específicos de la Ingeniería Sísmica
progresivamente dejan de ser resueltos en base a observaciones y
comienza a desarrollarse una disciplina
fundamentada sobre bases científicas, con un cuerpo
organizado de conocimientos, programas de
investigación para entender ciertos
problemas no resueltos y una fértil interacción
entre ciencias
básicas de un lado (geofísica, sismología),
y la experiencia de ingenieros proyectistas y constructores por
el otro.

Capacidad de predicción
La idea prevalente sobre el vocablo predicción es el de un
pronunciamiento determinístico sobre un evento futuro de
naturaleza no determinística tal como la magnitud, sitio,
día y hora de un futuro sismo. Una revisión sobre
este aspecto y sus implicaciones de prevención, permite
afirmar lo siguiente:
a) No se poseen aún teorías
generales en base a las cuales se puedan hacer predicciones
confiables sobre futuros sismos. De
una manera general, la predicción debe verse como una
probabilidad
condicional a ser revisada a medida que se produce nueva
información.1 Para ello se requiere como
mínimo:
1 Lo dicho también es aplicable a algunos
aspectos de la Ingeniería Sismorresistente. La
mayoría de los Códigos de diseño
y mapas de
zonificación sísmica, que en su momento
representaron la mejor predicción sobre las acciones de
diseño antisísmico se han ido ajustando en el
transcurso del tiempo y es
previsible que año sufran modificaciones. Con frecuencia
estos cambios están motivados, justificados y/o aceptados,
como consecuencia de los efectos constatados de un determinado
terremoto.
b) La estrategia
más eficiente para limitar las pérdidas materiales,
es la de proyectar y construir utilizando racionalmente los
conocimientos de la Ingeniería Sismorresistente.
c) La experiencia demuestra que una vez admitida una
predicción, es posible tomar medidas de defensa civil que
reduzcan sustancialmente el riesgo de
pérdidas de vidas así como de cierto tipo de
pérdidas indirectas.
A los fines de la Ingeniería Estructural interesa
enfocarnos en la capacidad de pronosticar la respuesta y el
desempeño de
edificaciones existentes bajo la acción de sismos. Es
decir, dada una edificación ubicada en cierto escenario
sísmico, evaluar las consecuencias de esa exposición.

El esquema operativo de los algoritmos
diseñados para tal evaluación
es el que se da en el cuadro 1.
Cuadro 1.

 

Caracterización del escenario
sísmico

Caracterización de la
edificación expuesta

Respuesta

Vulnerabilidad a sismos

Consecuencias de la exposición

La secuencia anterior es válida,
tanto para e edificaciones como para conjuntos
dispuestos en una o más localidades.

Desempeño inadecuado
En el proyecto de edificaciones que puedan quedar sometidas a
acciones sísmicas, es fundamental entender su comportamiento
probable: cómo se va a deformar, cuales son sus regiones
críticas y, sobre todo, evitar fallas prematuras que
limiten la reserva resistente de la estructura.
En aquellos casos donde sea previsible que la estructura entre en
el rango inelástico, debe garantizarse una conducta
dúctil.
El golpeteo entre edificaciones adyacentes ha sido la causa de
daños importantes y fallas prematuras de edificaciones de
varias plantas, en
especial cuando estas se encuentran a diferente nivel.
Los grandes paños de pared de mampostería no
reforzada deben evitarse, pues se ha demostrado en
múltiples ocasiones que resultan inestables durante
sacudidas sísmicas intensas. Por ejemplo, los muros de
mampostería de fachada de la unidad de reuniones del
Centro Médico de México,
sin refuerzos y uniones, perdieron estabilidad con el terremoto
del 19 de Septiembre de 1985.

Estrategia de las normas
vigentes
A diferencia de otras sobrecargas, los sismos generan acciones
dinámicas de signo alternante; es decir, las oscilaciones
de la edificación durante su respuesta, superponen a las
solicitaciones debidas a la gravedad terrestre otras de signo
alternante (pueden ser momentos flectores, fuerzas axiales o
fuerzas cortantes).
Bajo la acción de sismos fuertes, de la intensidad
prevista en las normas, se admiten daños estructurales
importantes. Estos pueden incluso llegar a ser tan importantes
que, sin alcanzar el estado de
ruina o inestabilidad, requieran la demolición de la
edificación.

Selección del sitio
Los bordes de mesetas —excepcionales por su vista
panorámica— presentan mayor azarosidad cuando se
encuentran en áreas amenazadas por sismos, especialmente
son evidentes los fenómenos de inestabilidad de sus
taludes por otras acciones naturales. Algo similar puede decirse
de las zonas al pié del talud.
En algunas normas se exige la evaluación de la estabilidad
del talud cuando la edificación se encuentra en sus
cercanías.
Fenómenos de licuefacción en suelos sueltos
saturados son frecuentes en las riberas de ríos. Las
pilas de este
puente rotaron bajo la acción de un sismo y el tablero
simplemente apoyado del lado derecho se hundió en el
río.
En áreas de topografía abrupta se observa un mayor
movimiento del
terreno. Tal es el caso de área del Canal Beagle, en
Viña del Mar, donde un conjunto de edificaciones
nominalmente iguales ubicadas en el tope de un cerro, sufrieron
daños importantes como consecuencia del terremoto de Marzo
de 1985, a diferencia de otras iguales ubicadas al pié del
cerro, que no se dañaron.

Acciones de diseño
Aceleración máxima del terreno
Las acciones sísmicas establecidas en las normas se
caracterizan por la aceleración máxima de la
componente horizontal y son seleccionadas a partir de un estudio
generalizado de la amenaza sísmica. En término
medio y según el país, se encuentran asociadas a
probabilidades de excedencia que oscilan entre 10% y 40% en 50
años, lo cual representa períodos de retorno de 475
a 100 años.
De una manera general, en obras civiles muy importantes y en
todas aquellas donde el mal funcionamiento puede tener
consecuencias catastróficas, es necesario alcanzar un
nivel consistente de protección contra las acciones
sísmicas tanto en las edificaciones como en las
instalaciones, sistemas y
componentes. Estos, además de soportar las acciones
gravitacionales previstas, deben quedar diseñados de modo
tal que puedan resistir los efectos de aquellas combinaciones de
acciones cuya probabilidad de ocurrencia simultánea no se
considere remota.
Tabla 1. Criterios para la selección
de los sismos de diseño (aceleración máxima
de la componente horizontal).

 

Objetivo de Diseño

Periodo Medio de Retorno

Criterio de Diseño

Minimizar daños menores, o la
disrupción de operación en plantas
industriales

1 a 2 veces la vida de la
edificación

Respuesta elástica

Control de daños en componentes
críticos. Estabilidad estructural

4 a 6 veces la útil

Respuesta elástica. Cedencia incipiente
en las zonas más solicitadas

Estabilidad de embalsas. Interrupción de
funcionamiento de plantas nucleares. Estabilidad de
equipos en subestaciones eléctricas de alto
voltaje

De mil a 3 mil años

Agotamiento resistente

Tabla 2. Coeficiente de importancia y
períodos medios de
retorno.

 

Ubicación de la
localidad

Ao (2)

Coeficiente de Importancia

A'o =  Ao

Probabilidad de que A'o sea excedido (2) en
un tiempo de:

Periodo Medio de Retorno (3)
(años)

1 año

50 años

100 años

Zona de peligro sísmico
elevado(1)

1,0

0,30g

0,0021

0,100

0,190

473

0,30g

1,2

0,36g

0,0012

0,059

0,115

818

1,5

0,45g

0,0006

0,031

0,061

1597

Zona de peligro sísmico modera do
(1)

1,0

0,15g

0,0021

0,101

0,192

496

0,15g

1,2

0,18g

0,0010

0,050

0,098

973

1,5

0,225g

0,0004

0,021

0,041

2374

Acción simultánea de varias
componentes
De una manera general, el movimiento del terreno debido a sismos
puede descomponerse en seis componentes: tres traslaciones y tres
rotaciones. Dado que la mayoría de las edificaciones
responden esencialmente a las componentes traslacionales
horizontales (X e Y), es común que las componentes
rotacionales sean ignoradas totalmente y que el efecto de la
componente vertical (Z) sea despreciada; cuando esta componente o
su efecto, sea importante, es preciso incorporarlo y considerar
el efecto combinado S según la expresión: donde S
representa el efecto debido a la componente traslacional del
movimiento del terreno indicada en el
subíndice.

Caracterización de las acciones de
diseño
Espectros de respuesta elástica
Los espectros describen la máxima respuesta de estructuras
idealizadas como un grado de libertad,
sometidas a la acción de un movimiento sísmico
(acelerograma) conocido. El procedimiento a
seguir para la determinación rigurosa de los espectros se
ilustra en la Figura 4. Los espectros para el diseño
(Figura 4d) se determinan a partir de estudios
estadísticos de familias de movimientos sísmicos,
para osciladores con el mismo porcentaje de amortiguamiento
referido al crítico. En la Tabla 3 se dan valores para
diferentes tipos de materiales y niveles de tensiones.

Tabla 3. Valores de amortiguamiento.

 

Nivel de tensiones 

Tipo y Condición de la
Estructura 

Porcentaje de Amortiguamiento Crítico
(%)

Tensiones de servicio que no excedan un 50% de las
cadentes

a) tuberías vitales;

1 a 2

b) miembros de acero, soldados: concreto pretensado; concreto muy
reforzado, con pequeños agrietamientos;

2 a 3

c) concreto armado con fisuración
pronunciada

3 a 5

d) miembros de acero apernados; estructuras de
madera.

5 a 7

Tensiones a nivel cedente o cercanos a la
cadencia

a) tuberías vitales

2 a 3

b) miembros de acero, soldados; concreto
pretensado sin pérdida completa de la
pretensión;

5 a 7

c) concreto pretensado con pérdida la
pretensión

a 10

d) concreto armado;

7 a 10

e) miembros de acero apernados: estructuras de
madera

10 a 15

 

De una manera general, las condiciones del subsuelo
influyen en los contenidos frecuenciales del movimiento y por
tanto en la forma de los espectros. En la Figura 5 se describe en
forma cualitativa cambios esperados en la aceleración
máxima del terreno y en las formas espectrales, para tres
registros: un
sitio cercano ubicado en suelo firme
ó roca (1), superficie de depósito aluvional (2) y
un sitio alejado en el suelo firme (3).

Espectros de diseño
Tal como se indicó en la sección de estrategias de
normas vigentes, es común admitir que la
edificación pueda hacer incursiones importantes en el
rango inelástico (post-elástico). Por esta
razón en el diseño se utilizan espectros de
respuesta elástica a partir de un factor de
reducción que depende del factor de ductilidad D
garantizando por el sistema
resistente a sismos.

VALORES TIPICOS DE D

 

Sistema Resistente a sismos

Rango de valores de D

Acero bien detallado

Concreto armado

Bien detallado

Detallado insuficiente

Pórticos; elementos sometidos a la
flexión

5 – 7

4 – 6

2,5 – 3,5

Pórticos y muros; dual 

3 – 5

2 – 3

Pórticos diagonalizados

3 – 4

2,5 – 3,5

1,5 – 2

Muros estructurales

3 – 4

1,5 – 2

 

Las normas aceptan, implícita ó
explícitamente, que bajo esas acciones intensas las
edificaciones comunes incursionen en el rango de deformaciones
inelásticas; es decir, daños estructurales, que
pueden incluso ser de naturaleza irreparable.
De una manera general, se puede considerar que estos son los
estados previos a la condición límite de ruina o
desplome; de hecho, parte importante de las pérdidas
materiales está representada por el riesgo de ruina o
desplome de la edificación. Es evidente de lo anterior,
que la capacidad de predecir dicho estado límite
está asociada a una incertidumbre mayor y requiere
consideración especial.

Configuración y Estructuración
La experiencia ha demostrado que la configuración de la
edificación y su estructuración juegan un papel muy
importante en el diseño a solicitaciones sísmicas
intensas. Los estudios analíticos confirman las
observaciones de campo según las cuales, edificaciones
irregulares dan lugar a elevadas demandas localizadas de
resistencia y/o ductilidad; esto conduce a una respuesta
inadecuada, a menudo de consecuencias catastróficas, ya
que la estructura portante no alcanza a desarrollar
íntegramente su capacidad portante.

Irregularidades en planta
Plantas de configuración irregular han tenido un mal
desempeño a sismos intensos. Por ejemplo plantas
triangulares, generalmente ubicadas en parcelas de la misma
forma, conducen a distribuciones de rigidez asociadas a fuertes
torsiones.
Los extremos de plantas con entrantes pronunciados, con formas en
U,C ó H, tienden a responder de modo independiente al
resto de la edificación creando esfuerzos adicionales no
previstos. Su corrección a posteriori es posible, tal como
se ilustra en este caso de Caracas afectado por el terremoto de
1967.

Irregularidades en elevación
Cambios bruscos en la distribución vertical de masas, resistencia
o rigidez conducen a situaciones altamente vulnerables a 
sismos, como la que se ilustra. No es conveniente disponer
grandes masas aisladas en las partes superiores de edificaciones
elevadas pues durante la respuesta dinámica de la edificación son de
esperar amplificaciones importantes del movimiento. El tanque de
almacenamiento de
agua en el
último nivel del Centro de Oncología (PB + 7
niveles), probablemente fue el causante de fallas en columnas;
nótese que la entrada de ambulancias se encuentra
obstruida.
Otras irregularidades en elevación pueden ser creadas por
elementos no estructurales, cuya interacción con la
estructura portante suele ser ignorada en el modelo
matemático, tal como se constata en el edificio de 10
plantas de la figura.

Estructuración
El sistema estructural debe definir claramente alineamientos
resistentes a las solicitaciones sísmicas, cuya
contribución a la capacidad portante se pueda cuantificar
de modo inequívoco. El sistema reticulado celular
ilustrado, eficiente para sobrecargas gravitacionales, da lugar a
estructuras excesivamente flexibles y débiles, tal como se
evidenció en el pasado terremoto de México en
1985.
La construcción de este edificio de 25 pisos, ubicado en
una zona de elevado peligro sísmico, fue detenida por ser
inadecuada se estructuración en su dimensión
más larga.

Verificación de la seguridad
Como resultado de estudios de investigaciones
hechas hasta el presente, es evidente que ha aumentado el nivel
de confianza en la predicción tanto de las acciones
esperadas como de la respuesta probable. Tales estudios revelan
que el necesario balance entre seguridad y economía puede
lograrse a costo de un
cierto riesgo, expresado como probabilidad de excedencia de
ciertos estados límites.
Este aspecto plantea la necesidad de revisar la responsabilidad por cierto tipo de daños
como consecuencia de acciones sísmicas futuras, y
así se establece en las normas modernas.
En todo caso, toda edificación y cada una de sus partes
debe tener la resistencia, la rigidez y la estabilidad necesaria
para comportarse satisfactoriamente y con seguridad de alcanzar
los estados límites que puedan presentarse durante su vida
útil. De una manera formal, en la verificación de
la seguridad se pueden distinguir cuatro tipos de acciones:
permanentes, variables,
accidentales y extraordinarias. Estas conducen a las siguientes
situaciones de diseño:
i) situaciones permanentes ó persistentes, cuya
duración es del mismo orden de la vida útil de la
estructura;
ii) situaciones variables ó transitorias, que, aún
cuando son de duración menor, tienen una elevada
probabilidad de ocurrir a lo largo de la vida útil de la
edificación. Es el caso de las combinaciones de peso
propio y sobrecargas de servicio extremas;
iii) situaciones accidentales, caracterizadas por su corta
duración y pequeña probabilidad de ocurrencia
(sismos intensos, vientos, cambios extremos de temperatura);
iv) situaciones extraordinarias, que pueden presentarse en casos
excepcionales y dar lugar a catástrofes (explosiones,
incendios,
impactos, etc.).

5. Conclusión

En conclusión el estudiante de ingeniería
civil debe tener curiosidad de detenerse en las obras de
construcción para observar los procesos
constructivos para irse empapando en lo que será su
ejercicio profesional.
Todo buen profesional de la ingeniería estructural debe
poseer sólidos conocimientos sobre los materiales usados
en las obras, esto unido al buen juicio y la virtud de poder
balancear correctamente la estética, las formas estructurales, las
técnicas constructivas.
El reto futuro de la ingeniería estructural
consistirá en la determinación de las propiedades
básicas de los materiales de construcción
tradicional y el desarrollo de nuevos materiales más
económicos, más livianos y más duraderos.
Esto se hará considerando la estructura molecular de los
cuerpos y otros métodos
sofisticados de medición.
El campo de la ingeniería estructural esta estrechamente
ligado a la comparación sistemática de los
resultados de los modelos
analíticos con los experimentales sometidos a los efectos
de los efectos naturales como eventos
meteorológicos y sismológicos.
La ingeniería sísmica debe llamar nuestra atención ya que nuestro país se
encuentra dentro de la zona insular sísmica que abarca
todo el caribe y Centroamérica. La ingeniería
sísmica tiene entre otras las siguientes funciones:

  • Identificar las áreas en las cuales se
    considere más probable la ocurrencia de un sismo
    importante, en un plazo corto de tiempo;
  • Seleccionar los parámetros o indicadores
    que resulten más confiables.
  • Contar con los medios adecuados para medirlos u
    observarlos sistemáticamente durante lapsos de tiempo
    que suelen ser de varios años.
  • Que las estructuras no sufran daños bajo la
    acción de sismos menores.
  • Que las estructuras resistan sismos moderados, con
    algunos daños económicamente reparables en
    elementos no estructurales
  • Que las estructuras resistan sismos intensos sin
    colapsar, aunque con daños estructurales
    importantes.

 

 

 

 

Autor:

Junior Rosario

Partes: 1, 2
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