2 efectos de los sismos
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ESTRUCTURAS 3 Manuel Suazo Uribe Arquitecto EFECTOS DE LOS SISMOS
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ESTRUCTURAS 3
Manuel Suazo Uribe
Arquitecto
EFECTOS DE LOS SISMOS
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
Los terremotos se asocian a
grandes daños a nivel de
poblaciones e infraestructura.
MAREMOTOS O TSUNAMIS
Las olas marinas generadas por los
tsunamis pueden ser altamente
destructivas.
Su energía y su capacidad
destructiva se incremente en la
medida que la profundidad del mar
es menor.
Actualmente en Chile se trabaja en
una Norma para el Diseño
estructural en zonas afectas a
Tsunamis.
Los terremotos se asocian a
grandes daños a nivel de
poblaciones e infraestructura.
MAREMOTOS O TSUNAMIS
Las olas marinas generadas por los
tsunamis pueden ser altamente
destructivas. Su energía y su
capacidad destructiva se
incremente en la medida que la
profundidad del mare es menor.
Actualmente en Chile se trabaja en
una Norma para el Diseño
estructural en zonas afectas a
Tsunamis.
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
ASENTAMIENTOS, SUBSIDENCIA Y
FRACTURA DE TERRENO
A nivel de fallas superficiales, se
pueden producir fracturas, en terrenos
saturados y mal compactados.
Las vibraciones del terrenos pueden
producir la compactación de depósitos
de material sin cohesión (suelos
granulares: arenas), con un
consiguiente asentamiento de
terrenos, colapsando obras de
ingeniería o de edificación.
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
Deslizamiento de rocas en Cocholgue, Procesos de remoción en
masa inducidos por el terremoto del 27F de 2010 en la franja costera
de la Región del Biobío, Chile; Mardones, Rojas; 2012
AVALANCHAS Y DESLIZAMIENTOS
Las oscilaciones producidas por el terremoto pueden producir grandes desprendimientos de masa
a gran escala dando origen a deslizamientos y avalanchas, que pueden afectar a grandes áreas
con gran violencia.
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
LICUEFACCIÓN
La licuefacción de suelo describe el comportamiento de suelos poco cohesivos, que estando sujetos
a la acción de una fuerza externa (una carga), en ciertas circunstancias pasan de un estado “sólido”
a un estado “líquido”, o adquieren la consistencia de un líquido pesado.
En cambio en suelos mas cohesivos (roca, suelos duros) la amplificación de la onda es menor,
reduciendo su efecto superficial.
Laguna Lo Galindo, Procesos de remoción en masa inducidos por el
terremoto del 27F de 2010 en la franja costera de la Región del
Biobío, Chile; Mardones, Rojas; 2012.
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
COLAPSO DE INFRAESTRUCTURA URBANA : REDES, INCENDIOS
La ruptura de redes de gas a nivel urbano puede generar conflagraciones, vale decir, grandes
incendios, que se extienden a grandes áreas por un periodo largo de tiempo.
El suministro de servicios básicos para la población se puede interrumpir: agua potable, vialidad, etc.
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
VICTIMAS y PERDIDAS ECONOMICAS
Las Victimas directas son el numero de fallecidos producto del
terremoto.
Indirectas se asocian a la destrucción de vivienda.
Las pérdidas económicas pueden ser muy elevadas y producir un
severo impacto sobre la economía de un país: destrucción de
vialidad afecta la comercialización, la destrucción de industrias
desacelera la producción, etc.
El objetivo primordial del Diseño Sismo Resistente (DSR) es el de
proteger la vida humana y reducir al mínimo los daños materiales
causados por los terremotos.
EFECTOS GENERALES DE LOS TERREMOTOS
OBRAS CONSTRUIDAS
La pérdida de obras construidas puede ser cuantiosa: ciudades enteras
han sido reducidas a escombros. Las edificaciones de adobe sobre
terrenos blandos y sin un adecuado sobre cimiento han colapsado
producto de las solicitaciones laterales o asentamientos asociables al
sismo.
Lo mismo con estructuras de albañilería simple sin ningún tipo de
refuerzo (o con deficiente) o sin ningún confinamiento de hormigón
armado, o edificios de Hormigón Armado con una deficiente ejecución.
Otro nivel de daño es el de los elementos secundarios del edificio:
muebles, separaciones secundarias, objetos, etc., que pueden afectar su
funcionamiento normal, y que miden la resiliencia
INTRODUCCION A LOS EFECTOS DEL MOVIMIENTO SISMICO EN LOS EDIFICIOS
El cuerpo-edificio debe
resistir las fuerzas de
inercia generadas por
él mismo al oponerse al
movimiento producido
en su base por la
vibración del terreno.
Respuesta Sísmica o
Respuesta Dinámica,
es el efecto o reacción
que se produce en un
edificio como
consecuencia de la
vibración del terreno.
INTRODUCCION A LOS EFECTOS DEL MOVIMIENTO SISMICO EN LOS EDIFICIOS
Para el Ingeniero
Vitelmo Bertero
existen cuatro
factores X1, X2, X3
y X4, como
necesarios para
analizar la respuesta
dinámica de un
edificio.
X1
Identifica la severidad
del movimiento sísmico
en el basamento rocoso.
La severidad es función
de la magnitud estimada
en el foco o Hipocentro
del sismo (MW
) y la
distancia hipocentral
(R1), que es la distancia
entre el foco y el
basamento rocoso del
sitio donde se ubica el
edificio.
X1= f
1 (M
w R
1)
X2
Es la dimensión del movimiento
estimado en la superficie libre del
terreno.
Está determinado por las
características dinámicas de las
diferentes capas del suelo en el sitio
donde se va a ubicar el edificio,
desde el basamento rocoso hasta la
superficie libre.
Está representado por el coeficiente
dinámico (A) que se extrae del
Informe geotécnico respectivo,
sobre la ensayos experimentales.
Puede ser un coeficiente de
amplificación o de atenuación, como
se gráfica en la figura.
X2= X
1 A
X3
Es una función que identifica la
severidad del movimiento que se
puede generar en la base del
edificio.
Depende de la dimensión del
movimiento estimado en la
superficie libre del terreno (X2) y de
los efectos debidos a la interacción
suelo-cimentación representado por
el coeficiente (I) el cual se obtiene
de los estudios geotécnicos y
estructurales.
X3= X
2 I => X
1 A I
X4
Identifica la predicción de la deformación del edificio en
términos de unidades lineales.
Está relacionado con la magnitud del movimiento
estimado en la base del edificio (X3) y las características
dinámicas del sistema estructural previsto representado
por un operador dinámico (D)
X4= X
3 D => X
1 A I D
X1
: Severidad del movimiento sísmico en el basamento rocoso.
X1= f
1 (M
w R
1)
MW
: Magnitud estimada en el foco o Hipocentro
R1: Distancia hipocentral
X2: Dimensión del movimiento estimado en la superficie del
terreno.
X2= X
1 A
A: Coeficiente dinámico de amplificación o atenuación, según las
Características dinámicas de las diferentes capas del suelo que se
extrae del Informe geotécnico.
X3
: Identifica la severidad en la base del edificio.
X3= X
2 I => X
1 A I
I:interacción suelo-cimentación, depende del estudio geotécnico y
del diseño estructural.
X4
: Identifica la deformación del edificio.
X4= X
3 D => X
1 A I D
D: características dinámicas del sistema estructural previsto.
Consecuentemente, la Respuesta Sísmica o Respuesta Dinámica de un
edificio debido a la vibración del terreno depende de:
a. Factores Externos: El movimiento estimado de la
superficie libre del terreno local ante un sismo
probable.
b. Factores Internos: La capacidad de resistencia del
edificio ante las deformaciones producidas por el
movimiento del terreno en su base, determinada por las
características dinámicas de sus componentes.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
CORTE BASAL
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
CORTE BASAL
Rojas, A. (2010). Proyecto Arquitectónico en Zonas Sísmicas. Palibrio, Bloomington, IN, USA.
“ El Cortante (Corte) Basal es la fuerza
que se transmite por un sismo, a un
edificio, a partir de su base y es igual
al producto del coeficiente sísmico (C),
por el peso del edificios (mg).
La base se considera el nivel a partir
del cual los desplazamientos son
apreciables, así, si la edificación
cuenta con sótanos bajo el nivel de
banqueta (nivel de acera), la base se
considerara el nivel de banqueta
cuando el suelo sea duro y evite el
desplazamiento de los sótanos
respecto al mismo suelo. Si por el
contrario, el suelo es muy blando y
permitirá que la cimentación se
desplace respecto a el, la base se
considerara desde el nivel de
desplante de la cimentación. “
Por ejemplo, en un cuerpo de pie sometido a una aceleración, podemos decir que la resistencia
al corte basal esta dada por la oposición natural al deslizamiento entre el zapato y el piso: el roce
o fricción. Vale decir, una condición de contorno equivalente a un suelo blando en una
edificación.
Ahora, si pudiésemos anclar o empotrar nuestros zapatos a nivel de la base, podríamos describir
el modo de vibrar del cuerpo. Primero todo el cuerpo tendería a “irse” hacia un lado. Luego,
moviendo distintas partes del cuerpo en función de la excitación se formarían distintas formas o
modos que buscarían el equilibrio dinámico..
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
CORTE BASAL
Rojas, A. (2010). Proyecto Arquitectónico en Zonas Sísmicas. Palibrio, Bloomington, IN, USA.
De la misma manera, un edificio sometido a solicitaciones sísmicas, puede deformarse adoptando
distintos tipos de “figuras”. Las llamamos FORMAS O MODOS DE VIBRACIÓN y se representan en
un modelo de péndulo de masas discretas.
Cada esfera representa una concentración de masa de la estructura: por ejemplo en EE, la cabeza y
cadera son dos zonas donde hay mas masa en nuestro cuerpos. En un edificio las esferas representan
las losas porque son concentraciones de masa y de rigidez .
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
CORTE BASAL
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Supongamos que el
sismo desplaza
horizontalmente a un
modelo simple y
flexible, en la misma
dirección y sentido.
Debido a la flexibilidad
de las columnas, la
losa superior y la parte
superior de las
columnas tenderán a
quedarse en su
posición original hasta
que la reacción a las
fuerzas inerciales
horizontales generadas
las llevará a moverse
en la misma dirección y
sentido, buscando
restituir su posición
relativa original.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Si el terreno deja de moverse, la parte superior oscilará horizontalmente de un lado a otro de
acuerdo al Periodo de vibración de la estructura (T), hasta recobrar su posición de reposo.
En este modelo se desarrollaran desplazamiento horizontales: traslaciones.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Para edificios con sistemas combinados (pórticos y muros) la magnitud de la Traslación
dependerá de la mayor o menor rigidez del sistema en función de la densidad de muros.
Para dos sistemas de distinta configuración pero con igual densidad de muros, las
traslaciones serán iguales.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Para edificios flexibles de más plantas, cada una se moverá de manera y en tiempos
diferentes, tratando de recuperar su posición original en relación al piso inferior.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Y todo esto considerando que probablemente el terreno ha comenzado a moverse
nuevamente en igual dirección pero en sentido contrario, produciendo nuevos
desplazamientos horizontales.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
El terreno se moverá horizontalmente y
con él la base del edificio, que se
desplaza de su posición original una
distancia conocida como
desplazamiento absoluto del terreno.
La parte superior reaccionara a las
fuerzas de inercia y cada uno de los
diafragmas se desplazara una
distancia adicional con relación al
inferior, este desplazamiento horizontal
relativo se conoce como deriva.
La sumatoria de todas las derivas
relativas máximas será el
desplazamiento total de la losa
superior o deriva de la losa superior. Si
sumamos el desplazamiento absoluto
del terreno tendremos el
desplazamiento absoluto de la losa
superior.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Comparando las magnitudes relativas de las deformaciones producto de las cargas verticales
(pp, su, etc.) versus las debidas a solicitaciones horizontales (viento, sismo), es importante
indicar que las deformaciones del primer caso son mucho menores que las del segundo.
Cuando el pórtico se ve sometido a cargas verticales, las columnas se mantienen dentro de la
misma línea vertical.
En cambio en el pórtico sometido a fuerzas horizontales, el extremo de cada columna tendrá
una deriva incrementado por el desplazamiento delta del piso inferior.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Hablamos de un desplazamiento
que para edificaciones de cierta
esbeltez pueden implicar una
demanda de capacidad resistente
que tienda al infinito, hablamos del
fenómeno PΔ (delta).
Es un efecto de segundo orden
causado por las fuerzas verticales
(P) que se ven desplazadas
horizontalmente por la fuerza lateral
F, produciéndose una distancia Δ
que multiplicada por la fuerza P,
genera un momento volcante
incrementado.
Bajo solicitaciones alternas (sismos)
la distancia Δ, se ve incrementada
por la degradación progresiva de la
rigidez lateral de los elementos
estructurales.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
EL FENOMENO P-DELTA
Para poder evitar la posibilidad de este tipo de
fenómenos, es fundamental el control del
desplazamiento relativo entre cada piso o deriva, lo
que está en función de la rigidez de elementos
estructurales y de la estructura en su conjunto:
mayor rigidez lateral, menor deformación.
También es importante el análisis de la Estabilidad
global de la Estructura, y específicamente el control del
centro de gravedad.
Por lo tanto, el efecto P-Delta puede ser despreciable
para edificios de poca altura rígidos o en algunos casos
flexibles, pero es fundamental controlarlo en la
medida que los edificios son más altos y más aun
en aquellos altos y flexibles.
En estructuras podemos observar distintos fenómenos asociados a la
posibilidad de Inestabilidades: riesgo de volteo, posibilidades de pandeo local
o global, asentamientos diferenciales en terrenos, etc.
En un solido rígido indeformable, la estabilidad la podemos definir como la
resistencia que oponen los cuerpos a su volcamiento.
Se mide por la fuerza aplicada a la altura del centro de gravedad y paralela a la
base.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
La estabilidad es proporcional al peso del cuerpo (mg) y al brazo de giro (b), y es inversamente
proporcional a la altura del centro de gravedad sobre la base (h).
Si sometemos un cuerpo con un centro de masa G desplazado (con un elemento de mayor densidad
como el plomo indicado en el dibujo) a una fuerza F el cuerpo va a tender a volcar en torno al punto
O.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
Se pueden observar casos de Inestabilidad asociados a estructuras con discontinuidad vertical de
sus resistencias y rigideces (piso débil) o a fallas de terreno debidas a asentamientos diferenciales,
licuación u otros.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO VOLCANTE
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
CONCEPTO DE TORSIÓN
Podemos encontrar esfuerzos de torsión a nivel de barras, por ejemplo en las vigas de
hormigón armado perimetrales de una losa robusta o en vigas de apoyo para voladizos
perpendiculares a su directriz.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Las tensiones tangenciales τ (tau) provocadas por un momento Torsor actuante en una
sección circular son directamente proporcionales a su distancia al centro: en el centro el
Momento Torsor es nulo, y en el punto más alejado el Momento Torsor es máximo.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Esto significa que en dos tubulares con áreas similares, uno hueco y el otro macizo, el
primer caso admitirá un mayor Momento Torsor que el segundo, pues dispondrá de mayor
cantidad de material para resistir.
RT tubular macizo <<<<< RT tubular hueco
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
La Torsión es un tipo de
tensión complejo pues se
puede asociar a dos tipos
de deformaciones:
Deformación Angular
transversal: el ángulo total
en que gira un punto
cualquiera de la sección
respecto a su centro: Φ(fi).
Deformación Angular
longitudinal: Angulo que
forma una fibra
longitudinal de una barra
después de la torsión en
relación a su posición
inicial: ϒ (ipsilon).
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
TORSIÓN Y ESTRUCTURACION
Por tanto, a nivel de la configuración estructural de una planta, son secciones con mala
capacidad torsional aquellas que no disponen de su área resistente en los puntos más
alejados del centro natural de giro. E inversamente, son secciones con buena capacidad
torsional aquellas que disponen de su área resistente en las zonas más alejadas del
centro de giro.
RT <<<<< RT
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Para describir el fenómeno rotacional de un edificio, primero distinguir:
Centro de masa (cm) y/o Centro de gravedad (cg)
El cm es el punto hipotético donde se supone que actúa la resultante de todas
las fuerzas que actúan en dicho cuerpo: una fuerza que actúa a través del cm
hace que todas las partículas se trasladen paralelamente la misma distancia y
en la misma dirección de la trayectoria de la fuerza, sin rotación.
El cg es un punto hipotético de un cuerpo en el cual se supone que se
concentra la sumatoria total de su peso (masa por aceleración de la gravedad
terrestre).
Si el cm y el cg coincide, representa un punto único en que actuó la resultante
de cualquier fuerza aplicada a dicho cuerpo y su reacción a las fuerzas y
momentos externos.
Centro de Rigidez (cr)
El cr o centro de resistencia de un cuerpo, es el punto hipotético donde se
concentra la resultante de las fuerzas de reacción a las fuerzas externas que se
aplican a dicho cuerpo.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Interacción entre el centro de masa y el centro de rigidez.
Si el cuerpo tiene una distribución homogénea de su rigidez, el cm y el cg coincidirán en
el mismo lugar, y al aplicar una acción (una fuerza), la reacción actuará en el mismo
punto.
Si la reacción es menor que la acción (fuerza aplicada), el cuerpo tenderá a desplazarse
en la misma dirección y sentido de dicha fuerza, sin rotación (traslación).
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Interacción entre el centro de
masa y el centro de rigidez:
excentricidad.
Pero cuando en un cuerpo existe
un desequilibrio en la
distribución de su masa y de
su rigidez, se produce una
distancia relativa entre su cm
y su cr, generándose un brazo
palanca, conocido como
excentricidad (e).
Al aplicar una fuerza, ésta
actuará en el cm y girará
alrededor del cr, produciendo un
Momento Torsor: se considera
un cuerpo excéntrico cuando
gira alrededor de un punto
que no es su centro
geométrico.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Interacción entre el centro de masa y el centro de rigidez:
excentricidad
Se propone un modelo hipotético suponiendo:
a. las losas funcionan como diafragmas infinitamente rígidos en su plano.
b. la resultante de su peso P actúa en su centro de masa
c. la masa del piso esta conectada a la masa del piso inferior por
elementos estructurales verticales rígidamente unidos
d. la fuerza de inercia producida por las vibraciones del terreno actúan a
través de su centro de masa
e. la base del modelo está empotrada al terreno.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
ROTACIONES
Primer caso.
En el modelo existe distribución homogénea de su resistencia, de su masa y de su rigidez, el
cm y el cr coinciden en el centro geométrico.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
ROTACIONES
Segundo caso.
En el modelo se distribuye irregularmente la rigidez, por tanto, su centro de rigidez cr estará
desplazado en relación a su centro de masa cm.
.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
ROTACIONES
Tercer caso.
En el modelo se observa una masa relativamente significativa desplazada en relación al centro
de rigidez del cuerpo.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
ROTACIONES
Al aplicar una fuerza cortante horizontal (corte basal) el modelo del primer caso se desplazará
horizontalmente si su reacción es inferior. En el segundo y tercer caso, la excentricidad existente
entre cm y cr genera un momento Torsor igual a la fuerza aplicada por la excentricidad.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
El fenómeno torsional debido
a la rotación de una
estructura siempre se debe
considerar en el diseño sismo
resistente.
De hecho, las normas
sísmicas incluyen en el
calculo considerar una torsión
accidental.
Los movimiento torsionales
pueden ser causados por la
asimétrica de la estructura o
por la excitación sísmica
misma.
La asimétrica se puede
encontrar no sólo en plantas
irregulares, sino también por
una distribución no uniforme
de las rigideces.
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
Colapso del primer piso y giro global del Hotel New Society,
Cotabato City, Mindanao, Filipinas, 1976
EFECTOS DE LOS SISMOS SOBRE LOS EDIFICIOS:
MOMENTO TORSOR
