Diseno sismico

“Aportes del Diseño Sísmico Basado en el Comportamiento (DSBC) a las Normas de

Sueldos y Cimentaciones y el Diseño Sismorresistente de Edificaciones”

Ing. Abel Ordóñez Huamán – Universidad Nacional de Ingeniería

Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú

1. DISEÑO SÍSMICO BASADO EN EL

COMPORTAMIENTO (DSBC)

La determinación de los desplazamientos

generados durante el sismo y el efecto en

las estructuras asociado al nivel de daño que

puede ocasionar, sobre todo en suelos blandos

y muy blandos, son los fundamentos del

DSBC. El DSBC ha establecido que el efecto

del sismo en suelos blandos genera

desplazamientos y deformaciones muy grandes

que una estructura diseñada mediante

metodologías convencionales (basados en

las actuales normas nacionales e

internacionales de diseño) no lo soportaría,

de ahí, los niveles muy altos de daños que se

producen actualmente, en las edificaciones en

todo el mundo.

El DSBC es el resultado de estudios

multidisciplinarios de sismología, geotecnia,

dinámica de suelos y el comportamiento

estructural. El DSBC determina las variables más

importante del sismo: a) aceleración; b)

desplazamientos; c) velocidad; d) duración; y e)

período y/o frecuencia de las ondas sísmicas,

basado en el perfil de rigidez cortante del

terreno por lo menos en los primeros 30

metros de profundidad, los cuales son

medidos a través de ensayos geofísicos de

última generación denominados MASW

(“multichanel analysis of superficial wave”), en

las relaciones empíricas experimentales de las

variaciones de la rigidez cortante del terreno y

el amortiguamiento o disipación de la energía

con el nivel de deformaciones, informaciones

que existen en la literatura internacional, y la

aplicación de los análisis de amplificación sísmica

utilizando programas de la familia Shake, a fin de

estudiar el potencial de resonancia sísmica

que pueda producirse en el terreno de

fundación e identificar el modelo de falla de la

estructura correspondiente.

El DSBC se viene aplicando en la ingeniería

nacional en los proyectos más importante del

sector minero, basado en tal experiencia, en el

presente trabajo se presentan aportes en las

consideraciones de diseño de las estructuras y en

la determinación de las condiciones geotécnicas

de los suelos de cimentación, a fin de reducir los

altos niveles de daños que se tienen actualmente

debido a la ocurrencia de sismos severos.

El DSBC es una práctica que se está difundiendo

en el diseño de estructuras en muchos países y

1


en el Perú (Ref. 1 y 2). El comportamiento del

terreno de fundación y estructura geotécnicas

bajo cargas sísmicas ha sido tratado desde 1987

por la Sociedad Internacional de Mecánica de

Suelos e Ingeniería Geotécnica (ISSMGE) y

sus últimos aportes se ha resumido en la

última Conferencia Internacional sobre Diseño

Basado en el Desempeño en la Ingeniería

Geotécnica Sísmica (Ref. 3).

El movimiento del terreno y las deformaciones

producidas por el sismo constituye la etapa más

importante en el DSBC, sobre todo de

terrenos blandos. El terreno es un continuo

tridimensional con variación espacial y con

relaciones esfuerzo-deformación no lineales.

Los últimos terremotos ocurridos en el

mundo, indican que las estructuras con

diseño convencional, no son capaces de

soportar las grandes deformaciones del

terreno blando que se producen durante el

sismo.

El DSBC está basado en el criterio de los

desplazamientos tolerables del terreno en

concordancia con los criterios de diseño de las

estructuras. De acuerdo a Newmark (Ref. 4),

cuando se evalúa el efecto que produce el

sismo en las estructuras, se debe considerar

todas las características del sismo, donde la

aceleración máxima no necesariamente es el

factor principal en la respuesta sísmica. El

efecto de la velocidad, el desplazamiento y

la duración del sismo pueden ser de igual o de

importancia en la respuesta sísmica.

En ese sentido la ingeniería sísmica actual está

considerando con mayor interés los

desplazamientos inducidos durante el sismo,

como variable principal del DSBC y no sólo la

aceleración, debido a que los registros de

aceleraciones por encima de 1G de terremotos

recientes no necesariamente resultaron en

grandes daños. Kokusho (Ref. 5) indica que

durante el sismo de San Fernando (1971) y

Northridge (1994) en EEUU., la aceleración pico

del terreno (PGA) de 1.0G y 1.8G no

generaron mayor daño estructural en las

áreas aledañas. El sismo de Nigata (2004) en

Japón con aceleración 1,7G en Tokamachi no

produjo mayor daño, y así se tienen muchos

casos de ocurrencias similares.

Es necesario que el DSBC sea incorporado en los

estudios de microzonificación sísmica, en las

normas técnicas de suelos y cimentaciones

y en el diseño sismorresistente de

edificaciones, a fin de reducir los altos niveles

de daños producidos actualmente por los

sismos, de esta manera será posible revisar y

reforzar los diseños de las edificaciones

existentes, sobre todo en Lima, lugar donde se

espera un sismo severo.

2. AMPLIFICACIÓN SÍSMICA DEL TERRENO

Los métodos analíticos utilizados para

estudiar la amplificación sísmica del sitio

con el objetivo de evaluar de manera

rigurosa el efecto del sismo, han sido

estudiados en el pasado, estableciendo un

apropiado registro tiempo-historia de

aceleraciones en roca basal para el

modelamiento de la respuesta dinámica (Ver

Cuadro 1), el modelamiento de la respuesta

dinámica (Ver Cuadro 1), el modelamiento

de la respuesta dinámica unidimensional y

aplicando el programa SHAKE (ref. 6),

PROSHAKE, SHAKE91 y SHAKE2000.

2

El análisis 1-D permite estimar los esfuerzos

cortantes, las aceleraciones, velocidades y

desplazamientos horizontales inducidos por el

sismo. En el modelo del análisis dinámico 1- D,

las aceleraciones del sismo son asumidas que

se producirán en el basamento rocoso,

configurando una columna unidimensional

de suelo. A partir del basamento rocoso,

las ondas de corte horizontales se propagan

verticalmente y son reflejadas en la superficie

del depósito.

Las propiedades dinámicas de los materiales

que configura el perfil fueron estimadas de

los resultados de las pruebas de medición de

ondas superficiales de corte, Vs y las

características físicas del material de

fundación. (Ref. 7, 8 y 9). Las propiedades

dinámicas, como el módulo de corte y el

amortiguamiento, se estiman a partir de la

literatura técnica existente (Hardin, 1972;

Seed e Idriss, 1970; Seed et ál., 1984;

Vucetic y Dobry,1991), implementada en la

librería del PROSHAKE.

Las mediciones de los perfiles de velocidades

de ondas superficiales de corte se realizan por

el método de análisis multicanal de ondas

superficiales (MASW) (Park et al., 1999; Xia et

al., 1999; Miller et al., 1999). El método tiene un

análisis de procesamiento de generación

reciente, lo que resulta aún más fácil que

cualquier otro método, presentando ventajas

técnicas comprobadas. Se debe indicar que los

ensayos MASW al medir ondas de cortes

superficiales arrojan valores 30% menores,

comparados con los ensayos de refracción

sísmica, los cuales no serían precisos.

Los análisis de amplificación sísmica se han

realizado sobre depósitos de gravas con arenas

y limos, gradación variada, (GM, GW-GM, GP-

GM y SM), con partículas angulosas a sub

angulosas y bloques entre 4” a 7” de diámetro,

de reciente formación, ensayos de S.P.T. entre

10 y 35, con densidad suelto a medianamente

denso, con valores de velocidad de ondas

superficiales de corte Vs(30) con el ensayo

MASW entre 340 y 440 m/s. Los efectos

Cuadro 1: Registros de Sismos Representativos del Perú

Sismo (registrado) Aceleración Registrado Desplazamiento

Calculado

Periodo E.Fourier

(g) (cm) (seg)

Tarapacá 2005 (Arequipa) 0.13 3.0 <0.1

Pisco 2007 (Lima) 0.05 2.5 0.3-1.5

Arequipa 2001

(Moquegua)

0.30 5.0 0.4-1.0

Tarapacá 2005 (Moquegua) 0.05 0.3 0.1

Yurimaguas 2005

(Moyobamba)

0.14 7.0 0.3-4.0

Tarapacá 2005 (Tacna) 0.12 2.8 0.2-0.5


3

de sismo de subducción (de períodos de

ondas cortas entre 0.1 y 1 seg) generan en el

terreno el fenómeno de resonancia sísmica,

amplificando las aceleraciones de 1.5 a 3.5

veces.

En depósitos de arenas y limos, (SM, ML, SP-

SM), de reciente formación, ensayos de S.P.T.

entre 4 y 30, densidad suelto a medianamente

denso, sin presencia de nivel freático, con

velocidades de ondas superficiales de corte

Vs(30), entre 200 y 270 m/s, bajo el efecto de

un sismo continental (de períodos de ondas

largas mayores a 1 seg), resulta en la

resonancia sísmica y la amplificación de los

desplazamientos de 1.2 a 2.2 veces (ver Foto 1

al 4). Las estructuras sobre este tipo de

suelo deben ser diseñadas realizando

algunas consideraciones especiales,

mejorando las condiciones de cimentación

considerando una mayor profundidad de

cimentación, remoción y reemplazo del suelo

superficial con suelos gravosos, y/o

reforzando el suelo superficial con capas de

geomallas. (Ref. 10 y 11).

En la Tabla 1 se presenta la relación que

existe entre las características del terreno de

fundación y la amplificación sísmica a

nivel de superficie de las aceleraciones y

desplazamientos producidos por las ondas

sísmicas al atravesar el depósito de suelo

(basado en los datos de la Ref. 1). Se ha

considerado la categorización del terreno de

fundación del IBC (2009), basado en los niveles

de niveles de daños generados en sismos

pasados en los EE.UU. los mismos que se son

esperados en futuros eventos. Resultado de las

relacionadas presentadas, se explica que los

altos niveles de daño correspondiente a suelos

blandos (tipo D) y muy blandos (tipo E) se

deben al efecto producidos por los

desplazamientos excesivos que ocurren

durante el sismo, variable que no ha sido

considerado por el IBC (2009) y menos por la

Norma Técnica Peruana de Suelos y

Cimentaciones y Norma Sismorresistente, por

ello, a manera de aporte se presentan las

recomendaciones correspondientes.

Foto 1: con cimentación piloteada al fondo y edificio colapsado con

cimentación superficial no soportó los efectos del excesivo desplazamiento

del terreno durante el sismo de Chile 2010

Foto 2.Desplazamiento excesivos del terreno durante el sismo que afectan

el adecuado comportamiento de la estructura, cuando no se cibsuderab kis

detakkes dek duseli de acyerdi ak efecto real del sismo. Sismo de 2010 en

Chile


4

Foto 3: Evidencias de excesivos desplazamientos sobre losa de

cimentación muy superficial (diseño basado en modelo inercial, no

considera el efecto de los desplazamientos horizontales y verticales)

Foto 4: Excesivo desplazamiento horizontal del terreno generan fuerzas de

arranque en los pilotines

Velocidades de onda de corte, Vs(30) m/s

Tipo de Terreno IBC, 2009

E S.Granular Suelto (SPT<15)

Arcilla Blanda (qu<1 kg/cm2)

D S.Granular Medianamente Denso (15<SPT<50) Arcilla

Rigida (1<qu<2 kg/cm2)

C S. Granular Denso (SPT >50) Arcilla Dura (qu>2 kg/cm2)

B Roca Fracturada

180 360 750


5

Nivel de Daño Esperado durante el sismo debido al Tipo de Terreno

Excesivo/Colapso Desplazamientos excesivos

(d >10-15 cm).

Alto Desplazamientos Altos (d>5-

10cm) Aceleraciones (fuerzas inerciales) altos

Medio Desplazamientos Bajos (d<5cm) Aceleraciones

(fuerzas inerciales) altos

Bajo Desplaz. muy Bajo (d<1cm)

Aceleracio nes Bajos

Comentarios y Recomendaciones a las Normas de Edificaciones

La NTP no considera el comportam. deformac. Del terreno. Se recomienda cimentaciones profundas y/o mejoramiento del terreno de cimentación. Se recomienda estructuras flexibles y/o metálicas. Se recomienda estudios y diseños especializados.

La NTP no considera el comportamiento deformacional del terreno. Se recomienda cimentaciones superficiales reforzadas y profundidad de cimentación (2.5-4.5 metros) y/o mejoramiento del terreno de cimentación.

De acuerdo a la NTP debe recomendarse el mayor valor del parámetro de suelo, S. Se recomienda cimentación convencional

De acuerdo a la NTP debe recomendars e el valor intermedio del parámetro de suelo,S.

Tabla 1: Relación entre el Tipo de Terreno, Daños Esperados en las Edificaciones y

Recomendaciones a las Normas de Edificaciones

Es importante resaltar el enfoque y la metodología deformacional aplicada para estudiar el

comportamiento sísmico del terreno y el efecto en las edificaciones. La aplicación del concepto

deformacional, debe ser extensivo al estudio del fenómeno de licuación sísmica de arenas sueltas y

saturadas y al efecto de ablandamiento cíclico de arcillas blandas, temas no considerados en el

presente trabajo.


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REFERENCIAS:

1. Ordóñez H. A. “Fundamentos del Sismo en el Terreno y las Estructuras”. V Congreso de

Ingeniería Estructural, Sísmica y Puentes”. ICG. Lima 22 y 23 de junio 2012.

2. Ordóñez H. A. “Diseño Sísmico Basado en el Comportamiento (DSBC) de Terraplenes y

Pavimentos”. IX Congreso Internacional de Obras de Infraestructura Vial & Expo Vial y

Transporte”, ICG. Lima 14 y 15 de setiembre 2012.

3. Kokusho T., Tsukamoto Y., Yoshimine M. “Performance-Based Design in Earthquake

Geotechnical Engineering from Case History to Practice”. CRC Press. 2009.

4. Newmark, N.M. “Effects of the earthquakes on dams and embankments”. Geotechnique, Vol.

15, No. 2, pag. 139-160. 1965.

5. Kokusho T. “PDB in Earthquake Geotechinical Engineering and Energy-Based Design”.

Proceedings of the International Conference on Performance-Based Design in Earthquake

Geotechnical ngineering”. 2009.

6. Schnabel P. B., Lysmer J., Seed H. B. “SHAKE: a computer program for earthquake response

analysis of horizontally layered sites”. University of California. 1972.

7. Japanese Society of Civil Engineers. “Dynamic Analysis and Earthquake Resistant Design”.

Volume 3. Dams, Nuclear Power Plants, Electrical Transformers and Transmission Lines,

Abovegroud Stotage Tanks and Piping. A.A. Balkema. 2001.

8. Kramer S.L. “Geotechnical Earthquake Engineering”. Prentice Hall. 1996.

9. Towhata I. “Geotechnical Earthquake Engineering”. Springer. 2008.

10. Tatsuoka F. “Recente practice and research of geosynthetic-reinforced earth structures in

Japan”. Tokyo University of Science, Japan. 2011.

11. The Japanese Geotechnical Society. “Geo-hazards during earthquakes and Mitigation

measures”. July 2011.

En: “VI Congreso Internacional de la Construcción & Expo de la Construcción” ICG.

Lima, 23 y 24 de Noviembre de 2012.


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