Código ACI para el Diseño
Sísmico
El objetivo principal de las disposiciones especiales es
garantizar una adecuada capacidad bajo los desplazamientos
inelásticos oscilantes producidos por la carga
sísmica.
Las disposiciones se aplican a pórticos, muros,
diafragmas y cerchas en zonas de "amenaza sísmica alta",
correspondientes a las zonas 3 y 4 del UBC y a pórticos,
incluyendo sistemas de losa en dos direcciones, en zonas de
"amenaza sísmica moderada" correspondientes a la zona 2
del UBC. No se establecen requisitos especiales para estructuras
sometidas a amenaza sísmica baja o nula.
Debe considerarse el efecto de elementos no
estructurales en la respuesta global de la estructura, al igual
que la respuesta de los elementos no estructurales mismos.
También deben tenerse en cuenta los elementos
estructurales que no están específicamente
dimensionados para soportar cargas sísmicas.
Para garantizar una adecuada ductilidad y capacidad bajo
rotación inelástica, el Código ACI 21.1.4
especifica una resistencia del concreto mínima de 21MPA.
Para concreto con agregados ligeros, se establece un
límite superior en la resistencia del concreto de 35MPA;
este límite se basa en una falta de evidencia experimental
para concretos ligeros con resistencias mayores.
MEJORAS EN EL
TIEMPO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
El Análisis Estructural es una rama antigua de la
Ingeniería Civil, que se aplica en la ingeniería
civil, podemos decir que es el responsable del diseño,
planeamiento y cálculo de la parte estructural, (que forma
un sistema integrado de vigas, columnas, losas, muros, presas,
túneles, zapatas de cimentación y otros), que lo
empleamos en los edificios urbanos, construcciones industriales,
puentes, estructuras de desarrollo hidráulico y
demás obras. Su propósito es la de obtener
estructuras eficaces que resulten apropiadas a partir del punto
de vista resistente. En un sentido práctico, la
ingeniería estructural es la aplicación de la
mecánica Newtoniana para el diseño de elementos y
sistemas estructurales, que mayormente se necesita resolver
problemas de alta complicación que se solucionan mediante
técnicas de cálculo diferencial e integral de
diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones
diferenciales y métodos numéricos.
La ingeniería estructural es considerada como una
reciente, a partir de 1683 cuando Galileo invento analizar una
viga. Hasta entonces, se seguía un criterio
empírico.
Entre los experimentos realizados por Galilei se
encuentran los siguientes:
En la actualidad para estas pruebas se utilizan maquinas
que realizan las pruebas de esfuerzo con muestras (probetas) de
el material a evaluar con mecanismos que marcan la cantidad de
carga aplicada para que la probeta llegue a la rotura.
En la actualidad también se han creado programa
para modelar, analizar y diseñar las estructuras ya sea en
el plano o en el espacio. Entre ellos podemos citar:
Y a estos cada cierto tiempo los fabricantes van
lanzando versiones nuevas con mejoras que van simplificando el
tiempo del cálculo de las estructuras y agregándole
nuevas herramientas para hacer más eficiente el uso del
programa y que los resultados arrojados por estos sean más
cercanos a lo real.
Diseño
sísmico de edificaciones
La Ingeniería Sismo-resistente es una
propiedad o atributo de que se dota a una edificación,
mediante la aplicación de técnicas de diseño
de su configuración geométrica y la
incorporación en su constitución física, de
componentes estructurales especiales que la capacitan para
resistir las fuerzas que se presentan durante un movimiento
sísmico, lo que se traduce en protección de la vida
de los ocupantes y de la integridad del edificio
mismo.
Es una tecnología que diseña y ejecuta
procesos constructivos con elementos estructurales, distribuidas
previa aplicación de principios básicos como la
simplicidad, simetría, resistencia, rigidez y continuidad
de las obras, que les permita resistir los usos y las cargas
sísmicas a que estarán sometidas durante su vida
útil y también a los sismos.
Conceptos
Generales del Diseño Antisísmico
Se han de tener en cuenta:
Propiedades de los materiales de
construcciónCaracterísticas dinámicas del sistema
del edificioCaracterísticas de las cargas de
flexión de los componentes del edificio.
Para un diseño adecuado del edificio se debe
de definir la categoría a la que pertenece el edificio y
hacer una planificación adecuada del diseño que
consistirá en:
Planificación del edificio, conceptos
básicos a cumplir: simetría, regularidad,
separación en bloques, simplicidad y área
cerrada.Escoger el lugar. Es muy importante la estabilidad
del suelo: estabilidad de la losa, arenas muy débiles
y arcillas inestables.Diseño estructural: depende mucho del
material y es el factor más importanteResistencia al fuego: se ha de tener en cuenta a la
hora de escoger los materiales
Para un buen diseño estructural
sismorresistente se ha de tener en cuenta lo
siguiente:
Un buen suelo de base
Utilizar un mortero de junta de ladrillos de buena
calidadSe han de poner paredes de cizalla en lugares
concretosLosas de techo y suelo han de estar suficientemente
ligadas a las paredes
Siempre es mejor una estructura deformable que una muy
rígida.
Diseño Sismico de Puentes
Se propone un procedimiento de diseño
sísmico de columnas de puentes de concreto reforzado,
basado en desplazamiento, en el que se establece el cumplimiento
de dos niveles de desempeño: servicio y supervivencia. La
capacidad de desplazamiento de las columnas de sección
rectangular y circular se calcula con expresiones
empíricas en función de las dimensiones de la
sección, de su cuantía de refuerzo longitudinal, de
la carga axial, del refuerzo de confinamiento y de la
esbeltez.
En muchos casos la falla por sismos de puentes de
concreto se ha atribuido a insuficiencia en la capacidad de
desplazamientos de sus columnas para absorber las grandes
demandas de deformación inelástica inducida por la
vibración de la estructura.
DISEÑO
BASADO EN DESPLAZAMIENTO
En los últimos años se ha estado
implementando el diseño basado en desplazamiento dentro
del diseño sísmico de puentes. La razón de
adoptar este procedimiento obedece a que los estados
límites de daño pueden relacionarse adecuadamente
con los límites de deformación, que a su vez son
convertidos en
desplazamientos equivalentes, con los cuales el
daño estructural puede ser controlado eficientemente mejor
que con límites de resistencia. Dentro de los
métodos de diseño basado en desplazamiento existen
diferentes enfoques: diseño basado en desplazamiento
directo, espectro del punto de fluencia y espectro de
capacidad.
El procedimiento basado en desplazamiento directo, se
deriva en gran medida del método de la estructura
substituta desarrollado por Gulkan y Sozen (1974), para modelar
un sistema inelástico con propiedades elásticas
equivalentes. Con este enfoque se busca proveer al miembro de las
características apropiadas, en cuanto a tamaño de
la sección y cantidad de refuerzo y detallado, para
desarrollar un
desplazamiento predeterminado para el sismo de
diseño. Dentro de este procedimiento, generalmente se
diseña para un comportamiento asociado a la respuesta
última, por lo que se selecciona un desplazamiento
objetivo.
Estados Limites.
Estado Limite de servicio.
Estado Limite de supervivencia.
El estado límite de servicio de un puente urbano
corresponde al caso en que se pueda garantizar la
operación inmediata del mismo después de un sismo,
sin que para ello se requieran reparaciones. Para las columnas,
esto se hizo corresponder a que no se presente agrietamiento
residual perceptible. El control del ancho de grieta residual se
considera más importante que el agrietamiento
máximo producido bajo la acción sísmica, ya
que del primero dependen tanto los efectos sicológicos del
agrietamiento, como los posibles problemas de deterioro y
corrosión. Se suele considerar que pasan desapercibidos
anchos de grietas inferiores a 0.25 mm.
En el estado límite de supervivencia se acepta
que en las columnas de puentes se presente daño severo,
pero sin colapso para cuidar la integridad de los usuarios. Esto
implica proveer a las columnas de la capacidad de
deformación suficiente para resistir las demandas de
deformación ante un sismo extraordinario. Esto da lugar a
definir el estado límite de supervivencia de la columna
con base en una capacidad de desplazamiento lateral, la cual no
debe ser superada por la demandada por el sismo de
diseño.
EFECTOS
HIDRODINAMICOS EN EL ANALISIS SISMICO EN PRESAS
BOVEDAS
La respuesta de una presa sola a una excitación
sísmica es la típica de un sistema de varios grados
de libertad cuyas matrices de masa, rigidez y amortiguamiento son
independientes del contenido de frecuencias de la
excitación. En cambio, a cusa de la presencia del agua
embalsada, tanto las características dinámicas como
la respuesta de la presa son distintas las de situación de
embalse vacio.
Por una parte, el movimiento del terreno origina unos
efectos inerciales en la masa de agua, cuya vibración
transmite ondas de presión hidrodinámica, las
cuales inciden sobre el trasdós de la presa. Por otra, la
propia presa, en su vibración produce unas ondas de
presión que se transmiten y se propagan por el medio
fluido; al reflejarse dichas ondas en los contornos del embalse,
pueden volver a incidir sobre la propia presa, cuyo resultado son
unas presiones hidrodinámicas que se suman a las
anteriores.
Reseña histórica.
Los primeros estudios en este campo fueron llevados a
cabo por Hm westergaard. Resolvió el problema
bidimensional consistente en el cálculo de las presiones
hidrodinámicas sobre el paramento vertical de una presa
rígida de sección triangular, sometida a una
excitación horizontal armónica del terreno y en la
dirección del rio. Asimismo, considero compresible el agua
del embalse, cuyo fondo supuso horizontal y de extensión
infinita hacia agua arriba (westergaard, 1933). Westergaard
obtuvo una expresionanalitica para la distribución de la
amplitud de las presiones hidrodinámicas sobre el
trasdós; mostro que estas tienen fase opuesta a la
aceleración del terreno, por lo que se podían
interpretar como una fuerzas equivalentes de inercia,
correspondientes a una ciertas masas de agua que acompaña
solidariamente a la presa en su movimiento de solido
rígido. La evaluación de dicha masa de agua se
realiza a partir de la igualación de las fuerzas de
inercia de la misma con la fuerza hidrodinámica ejercida
sobre el trasdós de la presa, a causa de su movimiento.
Esta analogía formo lavase del concepto de masa
añadida.
PRESIONES HIDRODINAMICAS.
Durante un seísmo, la presa y el embalse entran
en un estado de vibraciones forzadas que dan lugar a unas
presiones hidrodinámica sobre el paramento de agua arriba
de la presa, las cuales se suman a las hidrostáticas.
Dichas presiones de origen dinámico son por tanto acciones
a considerar para el análisis de la respuesta de una
excitación sísmica. Por ello, cuanto más
aproximadamente se determinen aquellas, mejor se podrá
estimar esta ultima.
Como se ha indicado anteriormente, las presiones
hidrodinámicas se producen por una parte a causa del
movimiento (de solido rígido) del terreno, y por otra, a
causa de la flexibilidad de la presa. Incluso se podrían
considerar también las producidas por la
deformación del terreno que rodea al embalse, aunque son
de escasa importancia.
INTERACCION EMBALSE-PRESA –BOVEDA
La coexistencia de dos medios (la presa y el embalse) en
contacto entre si mediante una interface, da lugar a que, por ser
flexibles, ambos interaccionen.
Esto repercute sobre las presiones
hidrodinámicas, pero además sobre las
características dinámicas y sobre la respuesta de
la presa a una excitación sísmica. En la
situación de embalse parcial o totalmente lleno, la
respuesta dinámica de la presa viene afectada por unos
términos hidrodinámicos, que modifican las
propiedades de la presa, mediante la introducción de unas
masas, amortiguamientos y fuerzas adicionales.
METODOS NUMERICOS
DE ANALISIS DEL SISTEMA PRESA BOVEDA-EMBALSE.
Las primeras tentativas de estudio de la respuesta del
sistema formado por la presa y el embalse fueron de tipo
analítico, ensayos en modelos mecánicos o bien
mediante analogía eléctrica. El advenimientos de
los ordenadores y el desarrollo de diversos métodos
numéricos han hecho posible un avance considerable en el
estudio del problema.de esta forma se ha conseguido representar
configuraciones geométricas complejas.
El método de las diferencias finitos ha sido
empleado por alguno autores (shul"man, voronkova, priscu e tal.)
para el estudio bidimensional del dominio fluido (wertergaard e
tal. 1933).
El método de los elementos finitos constituye la
herramienta más poderosa hasta el momento, para el estudio
del comportamiento conjunto de la presa bóveda y embalse.
Ha sido empleado por numerosos autores, algunos de los cuales
declaran que es un método efectivo y practico de
representar los efectos del embalse, por lo que no hay
razón aparente para continuar adoptando modelos de masas
añadidas de tipo westergaard para el análisis de
presas bóveda (clough e tal. 1985).
Innovaciones en el diseño sísmico de
estructuras de acero
El diseño sismorresistente ha ido evolu-cionando
en saltos discretos con cada nuevo terremoto, cambiando sus
para-digmas y los objetivos de diseño, para prevenir que
los efectos negativos obser-vados en las estructuras existentes
vuel-van a ocurrir en el futuro.
Originalmente, el objetivo principal del diseño
sismorresistente de estructuras, consistía en proveer
suficiente resistencia de modo de poder soportar el terremoto
más grande conocido hasta el momento. Luego, se
reconoció que no era necesa-rio diseñar las
estructuras para fuerzas tan potentes, si es que se
permitía que desarrollaran deformaciones
inelásticas controladas, es decir daño, con lo que
se acuñó el concepto de ductilidad.
Innovaciones en marcos de momento
Marcos con conexiones postensadas (PT)
Este tipo de marco puede ser clasificado como un marco
de momento con unio-nes semirrígidas. La innovación
consiste en la utilización de cables de acero para
postensar la viga a la columna y proveer de esa forma una
conexión de momento, como se muestra en la Figura
2(a).
Este sistema estructural persigue dos objetivos
principales: el primero es con-seguir una estructura que
después de ser sometida a un terremoto vuelva a su
posición original, es decir, no presente deformaciones
laterales remanentes; y el segundo es concentrar el daño
en ángu-los u otros elementos de sacrificio, que provean
la disipación de energía.
El diseño de la conexión se hace
conside-rando los estados límite o de fallas posi-bles.
Debido a que los cables de acero de alta resistencia no poseen
gran ductili-dad, las recomendaciones para el diseño de
este tipo de conexiones (Garlock et al, 2007) establecen
la siguiente secuencia de estados límite:
• Descompresión: Corresponde al ins-tante en
que el momento generado por el sismo supera el nivel de
pre-tensión aplicado inicialmente a la co-nexión y
ésta comienza a abrirse.
• Fluencia de elementos secundarios: Corresponde al
momento en que los elementos encargados de disipar energía
comienzan a fluir.
• Fluencia de la viga: Corresponde al momento en
que la viga comienza a desarrollar plastificación
significati-va.
• Fluencia de los cables: Corresponde al momento en
que los cables alcan-zan su tensión de
fluencia.
• Fractura de los cables: Corresponde al momento en
que los cables alcanzan su tensión de rotura.
Marcos con vigas de sección reducida
(RBS)
El objetivo de reducir la sección de la viga es
el de tener una conexión viga-columna más
resistente que la viga, de manera que las deformaciones
plásticas se de- sarrollen en la sección reducida
de la viga. De esta forma, la sección reducida
actúa como un fusible limitando las ten-siones en la
región menos dúctil en las cercanías de la
conexión viga-columna. La reducción de la
sección de la viga puede ser constante o variable tal como
lo muestra la Figura 3.
Innovaciones en marcos arriostrados
Marcos con arriostramiento restringido al pandeo
(BRBF)
Un marco del tipo BRBF es un marco arriostrado en forma
concéntrica en que los elementos que forman el sistema de
arriostramiento están compuestos por dos elementos
principales: núcleo de acero que resiste la carga axial y
un sis-tema externo que restringe el pandeo del núcleo de
acero (Figura 4).
Muros de corte de placas de acero
(SPSW)
Un marco tipo SPSW es un sistema de- sarrollado para
resistir cargas laterales, que utiliza paneles de relleno
formados por planchas de acero conectados a vigas (elemento
horizontal de borde) y columnas (elemento vertical de borde), e
instalados en uno o más vanos a lo lar-go de la altura del
marco de manera de formar un muro voladizo (Figura 6). Un marco
tipo SPSW sujeto a ciclos de de-formaciones inelásticas,
exhibe una alta rigidez inicial presentando un comporta-miento
dúctil, características que permi-ten la
utilización de este tipo de marco no sólo en el
diseño de nuevas estructuras sujetas a cargas
sísmicas, sino que tam-bién en la reparación
y reforzamiento de estructuras existentes.
Errores en el
diseño sismico resistentes en
edificaciones.
LOS TERREMOTOS son uno de los
fenómenos mas imprevisibles y difíciles de evitar
cual sea la intensidad que tenga, producen efectos negativos
sobretodo en la construcción. Por lo que es necesario un
adecuado diseño de la estructura y elección del
material de construcción con el fin de conseguir
construcciones sísmicas.
En países empobrecidos, generalmente, una
gran parte de la población no tiene la formación
necesaria para realizar una construcción adecuada, siendo
este sector el más afectado debido a los
terremotos.
En su orden de importancia existen algunos
criterios relevantes al momento de definir el sistema
constructivo de determinada edificación así
como:
– SEGURIDAD : que cumpla con las normas
sismorresistentes del país.
– PRESUPUESTO: que se ajuste al
presupuesto que tiene previsto el dueño del
proyecto.
–ESTETICA: que sea armónico con el medio
que lo rodea y agradable a la vista de espectadores.
El objetivo de las normativas sismorresistentes es
evitar la perdida de vidas humanas y reducir el daño y el
costo económico que puedan ocasionar los terremotos no
sufran daños relevantes ante sacudidas sísmicas
pequeñas, puedan resistir sin daños estructurales
ante movimientos sísmicos moderados y puedan evitar el
colapso ante las sacudidas mas fuertes previsibles con una
probabilidad razonable, aunque con posibles
daños.
Objetivo del reglamento para construcción
sismorresistentes
El objetivo pude resumirse
en:
1-evitar perdidas de vidas humanas y accidentes
que pudieran originarse por la ocurrencia de cualquier evento
sísmico.
2-Evitar daños en la estructura y en las
componentes de cada construcción, durante terremotos de
frecuente ocurrencia.
3-Evitar que se originen colapso total o parcial
en las construcciones es, que puedan poner en peligro la
seguridad de las personas durante terremotos muy severos, de
ocurrencia extraordinaria.
Los principios de la sismo resistencia
La geometría de la edificación debe
ser sencilla en planta y en elevación. Las
formas complejas, irregulares o asimétricas causan
un mal comportamiento cuando la edificación es sacudida
por un sismo. Una geometría irregular favorece que la
estructura sufra torsión o que intente girar en
forma desordenada. La falta de uniformidad facilita que en
algunas esquinas se presenten intensas concentraciones de fuerza,
que pueden ser difíciles de resistir.
Éxitos y fracaso del diseño sismos
resistente
Antecedentes
El diseño de sismo resistente ha evolucionado
desde sus planteamientos más primitivos establecidos a
finales del siglo pasado en Japón y comienzos del presente
en Italia, hasta el sistema de codificación actualmente
predominante en muchos países el cual se denomina
aquí codificación moderna. El sismo de mesina en
1905 podría considerase de origen de un intenso; los
italianos dieron el ejemplo en tal caso y el sismo de Tokio en
1923, reforzó las inquietudes de los ingresos japoneses
sobre el tema.
Éxito y
fracasos de los códigos
La ingeniería de construcción es un vivido
ejemplo de la aprendiza del hombre por ensayo y error con el fin
de soportar mejor sus investigaciones analíticas y en
ciertos casos las experimentales. Si una construcción es
avería, los ingenieros observan, modifican y construyen de
nuevo. Si lo nuevo se comporta mejor, la medida o medidas que
condujeron a la mejora. Piensan a hacer parte del patrimonio
técnico. En el caso de los sismo se aprende revisando lo
bueno y lo malo.
Si en algunas región del mundo se hubieran
diseñado y construido varios centenares de edificios de
diferentes alturas y formas siguiendo la más moderna
codificación sisma resisten, si la amenaza sísmica
se hubiera evaluado con base en una buena información
tectónica y apreciable información sísmica
instrumental, si las condiciones de respuesta local se hubieran
evaluado y establecido con la vigilancia apropiada como para
sacudida por un sismo tal que los registros instrumentales lo
mostraran compatible con las previsiones de la amenaza
sísmica loca, entonces existiría un escenario
apropiado para intentar hablar estadísticamente de
éxito o fracaso del diseño y la construcción
sismo resistente. Hasta donde el autor con este escenario
todavía no se ha dado.
Éxito serial aquel que se dedujera de un correcto
comportamiento estadísticamente valedero. Resultar sin
daños no necesariamente será un éxito;
téngase en cuanta que una construcción sin
daño pudo comportarse bien, pero con base en un
diseño excesivamente costoso. Éxito es la
correspondiente a un comportamiento apropiado, sin sobrepasar las
necesidades reales. Una construcción no afecta, cercana a
otras similares si afectadas, puede haber sido favorecida por
condiciones muy locales que pudieran enmascara el relativo
éxito frente a la prueba que la sometió al
sismo.
Fracaso correspondería a aquello que construido
siguiendo la normalización se daño con un sismo
similar al máximo previsto por el código de una
localidad.
Mal confinamiento del concreto
Como en los casos anteriores abunda la
descripción de las fallas de elementos estructurales,
principalmente columnas, debido a su pobre confinamiento de su
núcleo resistente. Sin embargo, ya desde comienzos de la
década de 1960-1970 el fenómeno se había
estudiado en profundidad.
Descripción del problema: si hay un refuerzo
transversal abundante y poco espaciado, la resistencia ultima y
la capacidad de deformación a la rotura del concreto
reforzado aumentan notoriamente, ofreciendo seguridad extra en
los sistemas estructurales. Si esta condición no se da,
los elementos resistencia a la tradición diagonal se agota
antes que la dispone a flexión no tienen entonces
capacidad de disipar energía en el rango inelástico
y se ven sometidos a fallas frangibles.
Conclusión
Conforme pasa el tiempo cobra más importancia el
tema "sísmico". Hemos visto como en los últimos
días el mundo ha sido sorprendido por repentinos
terremotos que en algunos casos ponen de manifiesto la existencia
de una pobreza estructural carente de un adecuado diseño
sísmico. Por citar una comparación está el
caso del terremoto que azoto a Haití, este devasto casi
por completo todas las edificaciones de ese país. Chile
también fue afectado por un terremoto, cien veces mayor
que el de Haití, pero sus edificaciones no sufrieron
tantos daños, esto debido a que cuenta con normas
antisísmicas. Esta son razones por la cual debe
conformarse un proceso de aprendizaje de la comunidad
técnica profesional para evitar que las tragedias tengan
graves consecuencias que lamentar, esto es debido a que existen
construcciones diseñadas con el código local que
han sido destruidas o fuertemente afectadas. En estos casos el
código aplicado resulto deficiente. Donde esto ha ocurrido
se han preocupado por mejorar las deficiencias para obtener
mejores códigos.
Con solo unos principios básicos muy elementales
compartidos por los ingenieros diseñadores y los
constructores, una comunidad estaría elevadamente
protegida contra la acción de sismos intensos futuros. Los
principios son conocidos, pero poco difundidos. Solo en la
década pasada los diferentes seminarios, talleres,
congresos, y publicaciones de difusión comenzaron a surtir
efecto para entrenar mejor a los ingenieros comenzaron a surtir
efecto para entrenar mejor a los ingenieros relacionados con el
diseño y la construcción resistente al efecto de
los sismos.
BIBLIOGRAFIA E
INTERNETGRAFIA
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Robert Nina S.
Toribio A. Fernández
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Carlos F. Moreta
Víctor A. Martínez
Jonathan Cedano M.
Ramón A. Olivo M.
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