REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA NÚCLEO CARACAS INGENIERÍA SÍSMICA CARRERA: INGENIERÍA CIVIL. SECCIÓN D01. TURNO DIURNO.
SISMOS
Facilitador:
Presentado por:
Prypchan Andreas
Orsini Wilfredo C.I. V-24.210.37 Cabeza Ruth C.I V-25.014.963 Caracas, octubre del 2016. INTRODUCCIÓN
Una edificación, es sismo resistente cuando se diseña y construye con una adecuada configuración estructural, con componentes de dimensiones apropiadas y materiales con una proporción y resistencia suficientes para soportar la acción de fuerzas causadas por sismos frecuentes. Para tener una casa sismo resistente se deben cumplir unas condiciones en cuanto a la colocación de los muros, el grueso de las paredes, si son divisorios, la forma de colocar las vigas de amarre, las cintas de culata y cómo lograr la continuidad que estos elementos deben tener al momento de construir para que actúen adecuadamente durante un sismo. Aun cuando se diseñe y construya una edificación cumpliendo con todos los requisitos que indican las normas de diseño y construcción sismo resistente, siempre existe la posibilidad de que se presente un terremoto aún más fuerte que los que han sido previstos y que deben ser resistidos por la edificación sin que ocurran colapsos totales o parciales en la edificación. Por esta razón, no existen edificios totalmente sismo-resistentes. Sin embargo, la sismo resistencia es una propiedad o capacidad que se le provee a la edificación con el fin de proteger la vida y los bienes de las personas que la ocupan. Por lo tanto esa es la misión principal de un ingeniero civil, el usar toda la información disponible y el saber que es un sismo en si, para poder expresarlo en los cálculos necesarios para llevar a un diseño de edificación sismo resistente permitiendo que la estructura, no necesariamente se mantenga en pie, si no, que esta proporcione el tiempo suficiente para que las personas que lo están habitando tengan oportunidad de salir de estos y no obtener pérdidas de vidas humanas.
SISMO
Un sismo son sacudidas o movimientos bruscos del terreno, generalmente producidos por disturbios tectónicos o choques de las capas tectónicas (ocasionado por fuerzas que tienen su origen en el interior de la Tierra) y volcánicos, producido por la extrusión de magma hacia la superficie. En ambos casos hay una liberación de energía acumulada que se transmite en forma de ondas elásticas, causando vibraciones y oscilaciones a su paso a través de las rocas sólidas del manto y la litosfera hasta 'arribar' a la superficie terrestre. El término es sinónimo de terremoto o seísmo, aunque en algunas regiones geográficas los conceptos de sismo o seísmo se utilizan para hacer referencia a temblores de menor intensidad que un terremoto. Los terremotos pueden ser superficiales (0-70 km), intermedios (70-300Km) o profundos (300-700 km). Etapas de un sismo: El hipocentro o foco sísmico: es el punto interior de la Tierra donde tiene lugar el sismo. Si se traza una línea vertical desde el hipocentro hasta la superficie, nos encontramos con el epicentro (el punto sobre la Tierra donde las ondas sísmicas repercuten con mayor intensidad). Epicentro: lugar de la superficie terrestre más cercana al hipocentro. En este punto es donde el terremoto provoca más daños. Ondas sísmicas: se propagan en círculos. A medida que se alejan del epicentro pierden intensidad. El movimiento sísmico se propaga mediante ondas elásticas, partir del hipocentro. Son oscilaciones que se propagan desde una fuente (foco o hipocentro) a través de un medio material elástico (sólido y líquido) transportando energía mecánica. Se clasifican en Corpóreas y Superficiales. Las Corpóreas viajan por el interior de la Tierra y se clasifican en Primarias (P) y Secundarias (S). Las Superficiales, como su nombre lo indica, se desplazan por la superficie del planeta y se dividen en Ondas Love (L) y Ondas Rayleigh (R).
Ondas sísmicas. Tipos de Ondas: Ondas Primarias (P): La primera característica de esta onda es que comprime y expande la roca, en forma alternada en la misma dirección en que viaja. Estas ondas son capaces de viajar a través de las rocas sólidas, así como de líquidos, por ejemplo, océanos o magma volcánico. Las ondas "P" son capases de transmitirse a través de la atmósfera, por lo que en ocasiones son percibidas por personas y animales como un sonido grave y profundo. Ondas Secundarias (S): Viajan más lento que las ondas P, por lo que
arriban
con
posterioridad
a
la
superficie
terrestre.
Movimiento de arriba hacia abajo y de lado a lado, que sacude la superficie del suelo vertical y horizontalmente. Este es el movimiento responsable del daño de las construcciones. Ondas Love (L): Su movimiento es el mismo que el de las Ondas S, sólo que restringido a los intervalos de interacción entre las diferentes capas de la superficie terrestre. Viajan más rápido que las Ondas Rayleigh, Ondas Rayleigh (R): Tienen un movimiento vertical similar al de las olas de mar. Las ondas superficiales viajan más despacio que las ondas internas. CAUSAS Los terremotos suelen ocurrir en zonas donde la concentración de fuerzas generadas por los límites de las placas tectónicas, da lugar a movimientos de reajuste en el interior y en la superficie de la Tierra. Por este motivo los seísmos de origen tectónico están íntimamente relacionados con la formación de fallas geológicas. Comúnmente acontecen al final de
un ciclo sísmico, que es el período durante el cual se acumula deformación en el interior de la Tierra que más tarde se liberará repentinamente. Dicha liberación se corresponde con el terremoto, tras el cual la deformación comienza a acumularse nuevamente. La causa principal de un temblor es la liberación súbita de energía dentro del interior de la Tierra por un reacomodo de ésta. El manto es el punto donde se desencadenan las fuerzas que dan origen al desplazamiento de los continentes y por ende a los terremotos. Los sismos ocurren por la deformación de las rocas contiguas a una falla activa, que liberan su energía potencial acumulada y producen grandes temblores. Los procesos volcánicos, los movimientos de laderas y el hundimiento de cavidades cársticas también pueden generar sismos. Placas Tectónicas: La corteza terrestre está compuesta al menos por una docena de placas rígidas dichas placas, separadas por cadenas montañosas o fosas, se mueven lentamente, chocando o rozándose unas con otras. Las placas se mueven relativamente entre ellas y en los bordes o zonas de interacción pueden producirse algunos de los siguientes fenómenos: Formación de nueva corteza: El desplazamiento del magma, fundido y muy caliente, que escapa hacia el exterior provoca volcanes y terremotos de magnitud variable. Roce entre placas: Al pasar una al lado de la otra se crean esfuerzos, los cuales se liberan violentamente cuando las rocas llegan a su punto de fractura. Esta situación produce terremotos. Choques entre placas, se pueden describir tres situaciones: a) Choque de dos placas continentales: debido a su poca densidad ninguna se hunde, pero el choque causa que se arruguen formando una cadena montañosa. b) Choque entre una placa oceánica y una placa continental: como la corteza oceánica es más densa, la placa sub-duce, regresa al manto y forma las grandes fosas que se han encontrado en los bordes de los océanos. Como consecuencia del choque se arruga la corteza y se forma una cadena montañosa.
c) Choque de dos placas oceánicas: aquí se hunde la más delgada o más densa de las dos, provocando terremotos y volcanes, como también pueden dar origen a islas volcánicas.
CONSECUENCIAS Entre las principales consecuencias que puede traer consigo un terremoto se encuentran las rupturas del suelo, incendios de diversa gravedad, maremotos o tsunamis y deslizamientos de tierra de muy diversa envergadura. Recomendaciones: Ante todo ello, los principales consejos que hay que seguir cuando se está sufriendo un terremoto son los siguientes: Si está fuera de un inmueble hay que ubicarse en una zona abierta, alejada de cualquier tipo de edificio, y también no colocarse cerca de postes eléctricos. Si se está dentro de un establecimiento o de la casa, lo fundamental es situarse bajo el dintel de una puerta y siempre alejado de ventanas o cualquier otro objeto que pueda romperse y hacernos daño. Si nos quedamos sin luz hay que apostar por linternas y nunca por velas cuya llama pueda provocar un incendio, entre otras recomendaciones. Existen zonas que tienen una mayor tendencia a sufrir sismos. Se trata de aquellas regiones donde la concentración de fuerzas generada por los límites de las placas tectónicas hace que los movimientos de reajuste sean más frecuentes, tanto en el interior de la corteza terrestre como en la superficie de la Tierra. Muchos son los sismos que se han producido a lo largo de la historia en todo el mundo. No obstante, entre los más importantes se encuentra el de Valdivia (Chile) que tuvo lugar en el año 1960 y que alcanzó una magnitud de 9,5.
EVALUACIÓN
Escala de Richter: La escala de Richter es una graduación de la magnitud de los sismos, deducida en 1935 por el geofísico Charles Richter y desarrollada después por él y por Reno Gutemberg. La escala tuvo una definición originalmente, como el logaritmo de la amplitud del movimiento de un sismógrafo estándar situado a 100 km de distancia del epicentro de un sismo. Es también conocida como la escala de magnitud local, y es la escala más utilizada por los sismólogos. Esta escala se emplea para evaluar los daños ocasionados por los sismos, y mide la cantidad de energía liberada de un temblor en su centro o foco, el rango de la escala varía de 1-10 grados, y la intensidad crece de forma exponencial de un número al siguiente. Cuando la tierra empieza a temblar, el sismógrafo inmediatamente registra las ondas sísmicas generadas y las representa en forma de sismogramas, que permiten la mediación de la magnitud o cantidad de energía liberada bajo los parámetros de Richter. La gama de magnitudes de terremotos es muy amplia, desde la vibración más tenue (2 grados) que sólo lo detecta el instrumento, y no es percibida por los seres humanos, hasta los movimientos intensos que derriban construcciones enteras. Un evento con una magnitud de 7 o más, por lo común se considera importante. El terremoto de mayor magnitud que ha podido ser medida hasta ahora, fue el ocurrido en la ciudad de Valdivia (Chile) en 1960, alcanzando una magnitud de 9,5. A continuación se figuran ejemplos de los efectos que pudieran suceder en algunos casos, dependiendo de la energía de cada grado:
3,5 grados: terremoto débil que solo se percibe en los pisos altos. 4,5 grados: tiemblan las ventanas, los muebles y los carros estacionados. 5,5 grados: caen algunos árboles y se producen algunos destrozos. 6.5 grados: daños en algunas estructuras y derrumbamiento de muros. 7,5 grados: destrucción de muchos edificios y hundimientos de postes. Más de 8,1 grados: destrucción total de una ciudad y levantamiento de la corteza terrestre.
La escala de Richter es abierta, esto quiere decir que aunque hasta la actualidad no se ha registrado un terremoto de magnitud mayor de 9.6, es posible que se produzca alguno que supere de 10.
Intensidad en Escala de Mercalli: Modificada en 1931 por Harry O. Wood y Frank Neuman. Creada en 1902 por el sismólogo italiano Giusseppe Mercalli, no se basa en los registros sismográficos sino en el efecto o daño producido en las estructuras y en la sensación percibida por la gente. Para establecer la Intensidad se recurre a la revisión de registros históricos, entrevistas a la gente, noticias de los diarios públicos y personales, entre otros medios. La Intensidad puede ser diferente en los diferentes sitios reportados para un mismo terremoto y dependerá de: La energía del terremoto. La distancia de la falla donde se produjo el terremoto. La forma como las ondas llegan al sitio en que se registra (oblícua, perpendicular, etc.). Las características geológicas del material subyacente del sitio donde se registra la Intensidad y, lo más importante; Cómo la población sintió o dejó registros del terremoto. Los grados no son equivalentes con la escala de Richter. Se expresa en números romanos y es proporcional, de modo que una Intensidad IV es el doble de II, por ejemplo. Grado I
Sacudida sentida por muy pocas personas en condiciones especialmente favorables.
Grado II
Sacudida sentida sólo por pocas personas en reposo, especialmente en los pisos altos de los edificios. Los objetos suspendidos pueden oscilar.
Grado III
Sacudida sentida claramente en los interiores, especialmente en los pisos altos de los edificios, muchas personas no lo asocian con un temblor. Los vehículos de motor estacionados pueden moverse ligeramente. Vibración como la originada por el paso de un carro
Grado IV
pesado. Duración estimable Sacudida sentida durante el día por muchas personas en los interiores, por pocas en el exterior. Por la noche algunas despiertan. Vibración de vajillas, vidrios de ventanas y puertas; los muros crujen. Sensación como de un carro pesado chocando contra un edificio, los vehículos de motor estacionados se balancean claramente.
Grado V
Sacudida sentida casi por todo el mundo; muchos despiertan. Algunas piezas de vajilla, vidrios de ventanas, etcétera, se rompen; pocos casos de agrietamiento de aplanados; caen objetos inestables. Se observan perturbaciones en los árboles, postes y otros objetos altos. Se detienen de relojes de péndulo.
Grado VI
Sacudida sentida por todo mundo; muchas personas atemorizadas huyen hacia afuera. Algunos muebles pesados cambian de sitio; pocos ejemplos de caída de aplanados o daño en chimeneas. Daños ligeros.
Grado VII
Advertido por todos. La gente huye al exterior. Daños sin importancia en edificios de buen diseño y construcción. Daños ligeros en estructuras ordinarias bien construidas; daños considerables en las débiles o mal planeadas; rotura de algunas chimeneas. Estimado por las personas
Grado VIII
conduciendo vehículos en movimiento. Daños ligeros en estructuras de diseño especialmente bueno; considerable en edificios ordinarios con derrumbe parcial; grande en estructuras débilmente construidas. Los muros salen de sus armaduras. Caída de chimeneas, pilas de productos en los almacenes de las fábricas, columnas, monumentos y muros. Los muebles pesados se vuelcan. Arena y lodo proyectados en pequeñas cantidades. Cambio en el nivel del agua de los pozos. Pérdida de control en las personas que
Grado IX
guían vehículos motorizados. Daño considerable en las estructuras de diseño bueno; las armaduras de
las estructuras bien planeadas se desploman; grandes daños en los edificios sólidos, con derrumbe parcial. Los edificios salen de sus cimientos. El terreno se agrieta notablemente. Las tuberías subterráneas Grado X
se rompen. Destrucción de algunas estructuras de madera bien construidas; la mayor parte de las estructuras de mampostería y armaduras se destruyen con todo y cimientos; agrietamiento considerable del terreno. Las vías del ferrocarril se tuercen. Considerables deslizamientos en las márgenes de los ríos y pendientes fuertes. Invasión del agua de los ríos
Grado XI
sobre sus márgenes. Casi ninguna estructura de mampostería queda en pie. Puentes destruidos. Anchas grietas en el terreno. Las tuberías subterráneas quedan fuera de servicio. Hundimientos y derrumbes en terreno suave.
Grado XII
Gran torsión de vías férreas. Destrucción total. Ondas visibles sobre el terreno. Perturbaciones de las cotas de nivel (ríos, lagos y mares). Objetos lanzados en el aire hacia arriba.
SELECCIÓN DE ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS REGULARES: Las estructuras regulares no tienen discontinuidades físicas significativas en su configuración vertical, en planta o en su sistema resistente a fuerzas laterales; estas están Formadas por marcos planos con o sin contra-venteo vertical, con o sin muros estructurales, paralelos o casi paralelos, ligados entre sí en todos sus entrepisos a través de sistemas de piso con resistencia y rigidez suficiente para hacer que todos los marcos y muros trabajen en conjunto para soportar las fuerzas laterales debido al sismo o viento, para proporcionar a la estructura, la rigidez suficiente y evitar así el pandeo, en conjunto bajo cargas verticales; como también todos los marcos deben ser simétricos y todas las columnas de un entrepiso deberán tener la misma altura aunque haya entrepiso con diferente altura
ESTRUCTURAS IRREGULARES: Cuando ocurre alguno de los siguientes casos:
No está formada por marcos planos. No están los muros paralelos entre sí. No forman dos sistemas de marcos perpendiculares entre sí. Los sistemas de piso no tienen la rigidez o resistencia suficiente para distribuir
fuerzas laterales de manera uniforme. Cuando zonas importantes de los entrepisos están huecas. Cuando la geometría de los marcos difiere sustancialmente de unos a otros. Cuando algún entrepiso tiene columnas de distinta altura. Una estructura puede ser regular en una dirección e irregular en otra. Ejemplos de Estructuras: a) Regulares: Edificios de departamentos, oficinas. b) Irregulares: Teatros, cines, plantas industriales, auditorios.
Irregularidades en estructuras verticales: 1) Irregularidad de rigidez, piso suave: es uno en el cual la rigidez lateral es menor que el 70% de la rigidez del piso superior o menor que el 90% del promedio de los tres pisos superiores. 2) Irregularidad de masa (peso): se deberá considerar que existe irregularidad de masa, cuando la masa efectiva de cualquier piso es más del 150% de la masa efectiva de un piso adyacente. 3) Irregularidad geométrica vertical: se deberá considerar que existe irregularidad geométrica vertical cuando la dimensión horizontal del sistema resistente a fuerzas laterales en cualquier piso es más 130% de la de un piso adyacente. No es necesario considerar apartamentos miradores de un piso. 4) Discontinuidad en el plano de un elemento vertical del sistema resistente: una desalineación en el plano de los elementos verticales del sistema resistente a fuerzas laterales, mayor que la longitud de esos elementos. 5) Discontinuidad de capacidad, piso débil: este es uno en el cual la resistencia del piso es menor que el 80% de la resistencia del piso superior. La resistencia del piso es la resistencia total de todos los elementos resistentes al sismo, que comparten el cortante de piso en la dirección en consideración.
Irregularidades estructurales en planta: 1) Irregularidad torsional, a considerarse cuando los diafragmas no son flexibles: deberá considerarse cuando el desplazamiento lateral máximo relativo calculado, incluyendo torsión accidental, en un extremo de la estructura transversal a un eje, es más 12 veces que el promedio de los desplazamientos laterales relativos de piso de los dos extremos de la estructura. 2) Entrantes o salientes: la configuración en planta de la estructura y su sistema resistente a fuerzas laterales se considera que tiene entrantes o salientes cuando, las dos proyecciones de la estructura son mayores que el 15% de la dimensión en planta de la estructura en esa dirección. 3) Discontinuidad del diafragma: diafragmas con discontinuidades abruptas o variaciones en la rigidez, incluyendo los que tienen cortes o aberturas mayores que el 50% de toda el área encerrada por el diafragma. 4) Des-alineamiento fuera del plano: discontinuidades en la trayectoria de una fuerza lateral, tales como el des-alineamiento fuera del plano de los elementos verticales. 5) Sistemas no paralelos: los elementos verticales resistentes a cargas laterales no son paralelos o simétricos a los ejes ortogonales principales del sistema resistente a sismo.
ANALISIS El análisis sísmico de estructuras es una disciplina que se enmarca dentro del campo del Análisis Estructural y tiene como objetivo efectuar una apreciación dela respuesta de una estructura a la ocurrencia de un evento sísmico. En un principio cuestiones que interesaban para conocer los factores sísmicos estaban basadas en resistencia de los materiales, pero este criterio ha evolucionado y actualmente interesan las que se encuentran basadas en desplazamientos, los que dañan a las estructuras, adicionalmente se ha demostrado que la capacidad de predicción en la demanda de resistencia es bastante superior a las posibilidades de predecir los desplazamientos de una estructura, siendo esto muy claro cuando apreciamos una curva de capacidad, donde se
observa que pequeñas variaciones en el cortante basal pueden implicar sustanciales variaciones en el desplazamiento. En términos estáticos se diría que la incertidumbre en la determinación de las acciones basadas en resistencia es inferior a la que se halla presente en las basadas en desplazamientos. Todo este razonamiento más consideraciones económicas han creado el marco en que se viene desarrollando el diseño sísmico basado en desempeño. Los principales procedimientos de análisis sísmico son los siguientes (FEMA, 1997): a) Análisis estáticos lineales: Conocidos como Estáticos Equivalentes. b) Análisis dinámicos lineales: Se usan de dos tipos: Tiempo Historia: Cuando se usan registros de aceleración y las respuestas estructurales se conocen a lo largo de toda la duración del evento sísmico. Espectro de respuesta: Cuando se trabaja con los espectros obtenidos de los registros de aceleración, combinando los aportes de cada modo, a fin de obtener un valor representativo de la respuesta, ya que la falta de simultaneidad de las máximas respuestas en cada modo de vibración implica la necesidad de combinarlas adecuadamente. c) Análisis estático no lineal: Más conocido como push-over, cuya principal característica es la de usar sistemas equivalentes de un grado de libertad, para modelar una estructura de múltiples grados de libertad y nos permiten apreciar respuestas globales de la estructura. d) Análisis dinámico no lineal: Cuando conociendo las propiedades de los materiales constructivos de la estructura y de los elementos de los sistemas estructurales, se hace uso de registros de aceleración, en un cierto número de ellos, para predecir las respuestas del sistema, generalmente las basadas en desplazamientos.
En general, pueden establecerse como objetivos del diseño sísmico: a) Evitar que se exceda el estado límite de servicio para sismos de intensidad moderada que pueden presentarse varias veces en la vida de la estructura.
b) Que el estado límite de integridad estructural no se exceda para sismos severos que tienen una posibilidad significativa de presentarse en la vida de la estructura. c) El estado límite de supervivencia no debe excederse ni para sismos extraordinarios que tengan una muy pequeña probabilidad de ocurrencia. Para la realización de un análisis sísmico es necesario considerar las siguientes etapas: a) La selección de un sistema estructural adecuado: Capaz de absorber y disipar la energía introducida por el sismo. b) El análisis sísmico: Determinación del modelo analítico más representativo de la estructura real. c) El dimensionamiento de la sección: Los métodos de dimensionamiento de las secciones y elementos estructurales no difieren sustancialmente de los que se especifican para otro tipo de acciones, excepto para los métodos de diseño por capacidad. d) Detallado de la estructura. Para lograr un comportamiento dúctil, esto es, detallar sus elementos y conexiones para proporcionar gran capacidad de deformación antes del colapso. En general para el análisis de los movimientos sísmicos se recurren a dos métodos, el método estático y el método dinámico: Método estático: El método de análisis Estático consta esencialmente de los siguientes pasos: a) Calcular fuerzas laterales aplicadas en los centros de masa de los pisos que produzcan efectos equivalentes en la acción sísmica. b) Distribuir las fuerzas laterales del paso 1 a los momentos torsionantes asociados a dichas fuerzas entre los sistemas resistentes a carga lateral que conforman la estructura c) Analizar cada sistema resistente ante las cargas laterales que correspondan. Para ello se puede realizar la valuación de fuerzas sísmicas con o sin estimar el periodo fundamental de la estructura. En el primer caso es necesario calcular las fuerzas cortantes a diferentes niveles de una estructura, en la que se supondrá un conjunto de fuerzas de inercia actuando sobre cada uno
de los niveles, en donde se suponen están concentradas las masas. Dichas fuerzas de inercia se determinarán considerando que las aceleraciones de las masas de la estructura varían linealmente con la altura y que la fuerza cortante basal de la estructura es igual al coeficiente sísmico reducido por ductilidad y multiplicado por el peso de la construcción, independientemente del periodo fundamental de la estructura Para el segundo caso, podrán adoptarse fuerzas cortantes menores que las calculadas, siempre que se tome el valor aproximado del periodo fundamental de vibración de la estructura. En el método estático, el momento torsionante en la estructura en el entrepiso se toma igual a la fuerza cortante de dicho entrepiso multiplicada por la excentricidad de diseño que resulte más desfavorable para cada sistema resistente de la estructura. Para la localización de los centros de torsión de una estructura y la distribución de las fuerzas cortantes y momentos torsionantes entre los sistemas resistentes que la conforman, se recomienda recurrir a un procedimiento basado en el análisis bidimensional de estructuras con sistemas resistentes no ortogonales, en donde el centro de torsión de un entrepiso es el punto de aplicación de la fuerza cortante para producir no solo traslación sino rotación, para lo cual es necesario determinar la rigidez de entrepiso del sistema resistente y las coordenadas de un punto arbitrario de su eje referenciadas en un sistema de coordenadas global. Así mismo, en el momento de volteo obtenido en un nivel puede tomarse igual al cálculo multiplicado por un factor reductivo en función de la relación entre la altura a la que se calcule el momento de volteo y la altura total de la construcción, pero este no debe ser menor que el producto de la fuerza cortante en el nivel en cuestión multiplicada por su distancia al centro de gravedad de la parte de la estructura en que se encuentra por encima de dicho nivel. Cabe aclarar que la utilización del método estático se encuentra limitado a construcciones de altura moderada (no mayor de 60 m., Manual CFE, 1993) y considerando un solo modo de vibración, porque para estructuras de periodos largos, los modos superiores pueden tener mayor importancia que la proporcionada en este método. Método dinámico:
Al realizarse un análisis dinámico es importante recalcar que se pueden consideran todos los modos de vibración de la estructura, generando así una amplia variedad de desplazamientos, considerando para el diseño el más desfavorable. El método de análisis dinámico consta de los mismos pasos básicos del estático, solo que las fuerzas laterales aplicadas en los centros de masa de los pisos se determinan a partir de la respuesta dinámica de la estructura. A diferencia del estático, este tipo de análisis puede realizarse en base al análisis modal espectral o análisis paso a paso, considerando para este último que la respuesta total se encuentre mediante la superposición en el tiempo de las respuestas modales para cada uno de los modos de vibración. En caso de realizar un análisis modal espectral, se deben incluir todos los modos de vibración con periodo mayor o igual a 0.4 segundos, pero en ningún caso podrán considerarse menos que los tres primeros modos de traslación en cada dirección de análisis. Para la determinación del momento de volteo se realizará de igual manera que en el análisis estático. Tomando la otra opción, análisis paso a paso, se puede acudir a acelero gramas de temblores reales o de movimientos simulados, o a combinaciones de estos, siempre y cuando, al igual que en el modal espectral, se usen no menos de cuatro movimientos representativos, independientes entre si, los cuales coincidan con la intensidad, duración y contenido de frecuencia del riesgo sísmico del sitio en cuestión, además de considerar un comportamiento no lineal de la estructura y cualquier incertidumbre que haya en cuanto a sus parámetros. En el análisis dinámico, sin importar su modalidad, es necesario revisar una serie de parámetros a cumplir: a) Revisión por cortante basal: Una vez considerada la dirección de acción del sismo, la relación V/W es menor que 0.8a/Q, se incrementarán todas las fuerzas de diseño y los desplazamientos laterales correspondientes en una porción tal que V/W iguale a este valor. Esto indica que la fuerza cortante basal de diseño no puede ser menor que 80 % de la que arroja un análisis estático tomando en cuenta el periodo fundamental de la estructura.
b) Efectos especiales: Los momentos torsionantes, de volteo, efectos de segundo orden, efectos combinados de los movimientos terrestres y el comportamiento asimétrico se tratarán como se especifica en relación con el análisis estático; la reducción del momento de volteo solo se permitirá para fines de cálculo sobre los momentos de volteo que trabajan en la cimentación. c) Revisión de estados límite: Desplazamientos horizontales. Rotura de vidrios. Choque contra estructuras adyacentes. DISEÑO Las estructuras y sus partes deberán diseñarse y construirse para resistir como mínimo, los efectos de los movimientos sísmicos del terreno. Cuando los efectos del viento obtenidos por un análisis, son mayores que los efectos sísmicos, el diseño por viento lo deberá controlar. Los procedimientos y limitaciones para el diseño de estructuras se deberán determinar considerando la zonificación, características del sitio, ocupación, configuración, sistema estructural y altura de la estructura de acuerdo con el procedimiento de la fuerza lateral estática. A cada sitio se deberá asignar una zona sísmica y a cada estructura se deberá asignar un factor de zona. Para el propósito de diseño resistente a sismos, cada estructura deberá colocarse en una de las categorías de ocupación. Cada estructura deberá ser designada como estructuralmente regular o irregular. La estructura regular no tiene discontinuidades físicas significativas en su configuración vertical, en planta o en su sistema resistente a fuerzas laterales como las características de irregularidad. Las estructuras irregulares tienen discontinuidades físicas significativas en su configuración o en si sistema resistente a fuerzas laterales, estas presentan una o más características. Para este tipo se deberán diseñarse como si tienen irregularidad en planta. En el diseño se deben tomar en consideración los siguientes sistemas:
Sistema de marco de edificio: Es un sistema estructural con un marco espacial esencialmente completo que proporciona el soporte para las cargas gravitacionales. La resistencia a las fuerzas laterales es proporcionada por muros cortante o marcos arriostrados. Sistema de marco rígido: Es un sistema estructural con un marco espacial esencialmente completo que proporciona el soporte para las cargas de gravedad. La resistencia a las fuerzas laterales es proporcionada principalmente por la acción flexionante de los miembros. Sistema doble: Es un sistema estructural que tiene un marco espacial esencialmente completo que proporciona soporte para las cargar de gravedad, además de tener resistencia para las cargas laterales que es proporcionada por dos sistemas que pueden ser de muros contante o marcos arriostrados y marcos rígidos. Los dos sistemas deberán diseñarse para resistir todo el cortante de diseño en la base, en proporción a su rigidez relativa, considerando la interacción del sistema doble en todos los niveles. Sistema estructural no definido. Sistema estructural que no es de edificio. Cualquier estructura deber diseñada usando los métodos estáticos y/o dinámicos.
NORMATIVA: CAPITULO VII 1. Coeficiente sísmico para edificaciones 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 la cual es representada como un coeficiente empleado para ajustar el cálculo de la sobrecarga sísmica horizontal en la base del edificio, a la relación entre el período de vibración de la estructura y el del terreno en el que se asienta. 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, todo se basaba en las construcciones, 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 que fue implementa en los siglos XVI, XVII y parte del XVIII. Para lo que es llevado a la actualidad se descubre que es necesario implementar un cálculo según las características de las zonas por actividades sísmicas, un índice de acción para ello, siendo este el coeficiente sísmico, el cual representa los coeficientes del cortante basal que define la fuerza cortante horizontal que actúa en la base del edificio, como una fracción del peso total del mismo. La manera de efectuar este coeficiente es que las estructuras se analizarán bajo la acción de dos componentes horizontales ortogonales, no simultáneos, del movimiento del terreno. Los efectos correspondientes (deformaciones y fuerzas internas) se combinarán con los de las fuerzas gravitacionales y de otras acciones según correspondan: a) En análisis de los efectos debidos a cada componente del movimiento del terreno deberá satisfacer los siguientes requisitos, con las salvedades que corresponden al método simplificado de análisis: b) La influencia de fuerzas laterales se analizará tomando en cuenta los desplazamientos horizontales, los verticales que sean significativos, los giros de todos los elementos integrantes de la estructura, así como la continuidad y rigidez de los mismos. En particular se considerarán los efectos de la inercia rotacional en los péndulos invertidos.
c) En las estructuras metálicas revestidas de concreto reforzado se podrá considerar la acción combinada de estos materiales en el cálculo de resistencias y rigideces cuando se asegure el trabajo combinado de las secciones compuestas. d) Se revisará que la estructura y la cimentación no rebasen ningún estado límite de falla o de servicio. Se supondrá que no habrá tensiones entre la subestructura y el terreno, debiéndose satisfacer el equilibrio de las fuerzas y momentos totales calculados. e) Se verificará que las deformaciones de los sistemas estructurales, incluyendo las de las losas de piso, sean compatibles entre sí. Se revisará que todos los elementos estructurales, incluso las losas, sean capaces de resistir los esfuerzos inducidos, por muros, fuerzas sísmicas, hundimientos diferenciales, o cualquier otro mecanismo. f) Para el diseño de todo elemento que contribuya en más de treinta y cinco por ciento (35%) a la capacidad total en fuerza cortante, momento torsionante o momento de volteo de un entrepiso dado, se adoptará(n) el(los) factor(es) de resistencia del veinte por ciento (20%) inferior al que le correspondería de acuerdo con las especificaciones correspondientes.
2. Espectros de Diseño Los espectros fueron inicialmente propuestos por Biot en el año 1932 y luego desarrollados por Housner, Newmark y muchos otros investigadores. Actualmente, el concepto de espectro es una importante herramienta de la dinámica estructural, de gran utilidad en el área del diseño sismo-resistente. En forma general, podemos definir espectro como un gráfico de la respuesta máxima (expresada en términos de desplazamiento, velocidad, aceleración, o cualquier otro parámetro de interés) que produce una acción dinámica determinada en una estructura u oscilador de un grado de libertad. En estos gráficos, se representa en abscisas el periodo propio de la estructura (o la frecuencia) y en ordenadas la respuesta máxima calculada para distintos factores de amortiguamiento. El concepto de los espectros comenzó a gestarse gracias a una idea Kyoji Suyehiro, Director del Instituto de Investigaciones de la Universidad de Tokyo, quien en 1920 ideó un instrumento de medición formado por 6 péndulos con diferentes periodos de vibración, con el objeto registrar la respuesta de los mismos ante la ocurrencia de un terremoto. Unos años
después, Hugo Benioff publicó un artículo en el que proponía un instrumento similar al de Suyehiro, destinado a medir el desplazamiento registrado por diferentes péndulos con los cuales se podría determinar el valor máximo de respuesta y construir una curva (lo que hoy conocemos como espectro de desplazamiento elástico) cuya área sería un parámetro indicador de la destructividad del terremoto. Finalmente, fue Maurice Biot en el Instituto Tecnológico de California, quien propuso formalmente la idea de espectros de respuesta elástica. Para explicar en forma conceptual el procedimiento de construcción de un espectro de respuesta consideremos una serie de estructuras de un grado de libertad u osciladores simples con diferentes periodos de vibración, T, y con igual factor de amortiguamiento. Si se someten todos estos osciladores a la acción de un mismo terremoto (utilizando un registro de aceleraciones) cada uno de ellos exhibirá una respuesta diferente, la cual puede representarse, por ejemplo, a través de la historia de desplazamientos. Una vez que hemos calculado la respuesta de los osciladores es posible determinar el máximo (en valor absoluto, dado que el signo no tiene importancia) de cada uno de ellos y volcarlos en un gráfico en función del periodo de vibración, para obtener así un espectro de respuesta. Es decir, que la respuesta máxima de cada oscilador con periodo T representa un punto del espectro. El espectro en los últimos años ha ganado una amplia aceptación como herramienta de la dinámica estructural. Es por ello que se han desarrollado varios tipos, los cuales presentan características diferentes y se utilizan con distintos objetivos. En particular se encuentran tres de los espectros más comunes: Espectros de respuesta elástica: representan parámetros de respuesta máxima para un terremoto determinado y usualmente incluyen varias curvas que consideran distintos factores de amortiguamiento. Se utilizan fundamentalmente para estudiar las características del terremoto y su efecto sobre las estructuras. Las curvas de los espectros de respuesta presentan variaciones bruscas, con numerosos picos y valles, que resultan de la complejidad del registro de aceleraciones del terremoto. Espectros de respuesta inelástica: son similares a los anteriores, pero en este caso se supone que el oscilador de un grado de libertad exhibe comportamiento no-
lineal, es decir que la estructura puede experimentar deformaciones en rango plástico por acción del terremoto. Este tipo de espectros son muy importantes en el diseño sismo-resistente, dado que por razones prácticas y económicas la mayoría de las construcciones se diseñan bajo la hipótesis que incursionarán en campo plástico. Como ejemplo, podemos mencionar los espectros de ductilidad (siendo que ductilidad de desplazamientos es la relación entre el desplazamiento máximo que experimenta la estructura y el desplazamiento de fluencia). Estos espectros representan la ductilidad requerida por un terremoto dado en función del periodo de vibración de la estructura y se grafican usualmente para distintos niveles de resistencia. También, se construyen espectros de aceleración, desplazamiento de fluencia o desplazamiento último de sistemas inelásticos, en donde se consideran distintos niveles de ductilidad o distintos tipos de comportamiento histerético de la estructura. Espectros de diseño: las construcciones no pueden diseñarse para resistir un terremoto en particular en una zona dada, puesto que el próximo terremoto probablemente presentará características diferentes. Por lo tanto, los espectros de respuesta elástica o inelástica, descriptos previamente, no pueden utilizarse para el diseño sismo-resistente. Por esta razón, el diseño o verificación de las construcciones sismo-resistentes, se realiza a partir de espectros que son suavizados (no tienen variaciones bruscas) y que consideran el efecto de varios terremotos, es decir que representan una envolvente de los espectros de respuesta de los terremotos típicos de una zona. Los espectros de diseño se obtienen generalmente mediante procedimientos estadísticos 3. Fuerzas sísmicas en Componentes, Apéndices e Instalaciones Componentes o elementos arquitectónicos Los componentes arquitectónicos y sus apoyos y uniones deben satisfacer ciertos requisitos para que los coeficientes sean apropiados en el diseño. No se requiere que los componentes soportados por cadenas o suspendidos de la estructura satisfagan los requisitos de fuerza sísmica y desplazamiento relativo si cumplen todos los criterios siguientes:
a) La carga de diseño para estos elementos debe ser igual a 1,4 veces el peso operacional. La carga horizontal debe ser aplicada en la dirección que resulte ser más crítica para el diseño. b) Se deben considerar los efectos de interacción sísmica. c) La conexión a la estructura debe permitir el movimiento en cualquier dirección en un plano horizontal. Los elementos arquitectónicos deben ser diseñados para cumplir con los requisitos de desplazamiento sísmico, estos deben ser diseñados considerando la deformación vertical de miembros estructurales en volado. Los tabiques y fachadas solidarios deben aceptar, sin que presenten daños que impidan su uso normal, la distancia lateral libre (holgura) entre los tabiques y las fachadas flotantes con la estructura resistente debe ser igual o mayor que la deformación lateral. Los anclajes de los tabiques y fachadas flotantes se deben disponer de tal forma que permitan la deformación libre de la estructura resistente y a su vez aseguren la estabilidad transversal del tabique. Los paneles de muros no estructurales de fachada o elementos que estén unidos o sirvan de cierre a la estructura deben ser diseñados para satisfacer los requisitos de desplazamientos sísmicos relativos y los movimientos originados por los cambios de temperatura. Tales elementos deben ser soportados directamente por medio de soportes o conexiones mecánicas y conectores. El peso del piso debe incluir el peso del sistema de piso, el 100% de los equipos fijados al piso y el 25% del peso de todos los equipos apoyados y no fijados directamente al piso. La fuerza sísmica debe ser transmitida desde la superficie superior del piso flotante a la estructura de soporte. También se debe considerar el volcamiento de los equipos fijados a los paneles del piso flotante. Se debe evaluar la posibilidad de deslizamiento de las cabezas de los pedestales para determinar su habilidad para transmitir el efecto volcante de los equipos. Las divisiones que estén conectadas al cielo falso y todas las divisiones de altura mayor a 1,8 m deben ser arriostradas lateralmente a la estructura del edificio. Estos arriostres deben ser independientes de cualquier arriostramiento lateral del cielo. Los arriostramientos deben
ser espaciados de manera que limiten la deformación horizontal del extremo superior de la división de manera que sea compatible con los requisitos de deformación del cielo. Apéndices Estructurales Por apéndices estructurales se entienden las subestructuras menores colocadas sobre la estructura principal, que no tenga más de dos niveles y cuyo peso no supere el diez por ciento (10%) del peso del nivel donde se vincula, ni exceda el dos por ciento (2%) del peso total de la edificación. Si la subestructura incumple con estas limitaciones debe incorporarse a la estructura principal y analizarse con alguno del método de análisis dinámicos. En el diseño de estos elementos estructurales deben ser flexibles de manera que estos puedan oscilar verticalmente, etc., deben estar sometidos a acciones mayores que las que se deducen de la aplicación del método estático equivalente, es decir, aplicar cargas estáticas en cada uno de sus niveles para simular el efecto del sismo. La distribución de estas cargas es suponer un primer modo de oscilación de forma triangular y despreciar el efecto de los otros modos. Para el cálculo de las acciones sísmicas se realizará el método dinámico que consiste en determinar todas las posibles respuestas que pueda tener la estructura a partir de sus deformadas (modos) y sus respectivas frecuencias. La respuesta final será la combinación de todas las respuestas (combinación modal) a través de una especie de promedio ponderado (cada modo posee un factor de participación que depende de la masa y dirección del sismo). En caso de aplicar el método dinámico se debe considerar el distinto factor de reducción y el diferente amortiguamiento que puede asignársele al elemento. Existe la posibilidad de usar los espectros de piso. De no adoptarse estos métodos los elementos o partes en cuestión se deberán diseñar para resistir las acciones que se deduzcan, en todo caso, su peso debe ser incorporado al de la estructura principal para su análisis final.
Instalaciones o componentes mecánicos y eléctricos Para efectos de diseño y verificación sísmica, se deben tomar en cuenta dos factores importantes, se tienen:
1. Los equipos cuya operatividad es importante durante y después del sismo, o cuya falla puede ocasionar grandes pérdidas económicas. Equipos cuya falla sea la causa de una falla o mal funcionamiento de un equipo. También se comprenden los equipos cuyo funcionamiento sea indispensable para tareas de emergencia. Se consideran los siguientes: Interruptores de potencias; Transformadores de potencia; Transformadores de instrumentación; Transformadores de servicios auxiliares; Seccionadores; Pararrayos; Subestaciones blindadas y aisladas en SF6; Relés; Condensadores de acoplamiento; Trampas de onda (bobinas de bloqueo); Baterías estacionarias; Cargadores de baterías; Celdas de servicios auxiliares; Grupos electrógenos de emergencia. 2. Equipos necesarios para la operación normal, pero cuyas fallas o mal funcionamiento no afecta el funcionamiento de los equipos mencionados anteriormente. Equipos que implican fallas transitorias del suministro, pero que pueden ser suplidos por redundancia del sistema. Entre ellos se tienen: Equipos de alumbrado; Equipos de corrección de factor de potencia; Bancos de condensadores; Seccionadores de 1 a 23Kv.
CONCLUSIÓN Al examinar y analizar los daños sufridos por algunas estructuras luego de un evento símico, se puede concluir que los terremotos representan uno de los mayores problemas que deben considerar por los ingenieros. La vulnerabilidad de las estructuras depende de los posibles daños que puedan sufrir sus elementos estructurales más importantes ante un sismo, lo cual repercute en el comportamiento de todo el sistema. El planteamiento del problema se basa en el riesgo, que depende de la amenaza y la vulnerabilidad (riesgo = amenaza x vulnerabilidad), al aumentar cualquiera de estos dos parámetros, o ambos a la vez, aumenta el riesgo de la estructura y resulta más difícil cumplir el objetivo de salvar vidas y propiedades. La incertidumbre es la principal
característica del problema porque no se sabe cuándo y dónde va a ocurrir un sismo, tampoco su magnitud y duración. Cabe destacar que la contribución del sismo en las cargas puede controlar el diseño estructural. Es muy importante tener en cuenta que mientras los esquemas arquitectónicos – estructurales se alejan más de los esquemas simples, las edificaciones son más castigadas por los sismos.
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http://www.arquitectura21.com/2012/03/miembros-a-flexocompresion-estructurasregulares-e-irregulares.html http://es.slideshare.net/azuca92/criterios-para-diseo-estructural.
