Danos estructurales debido a sismos,.pdf

Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil. Departamento de Estructuras. Proyectos estructurales.

Daños estr Daños estructura ucturales les debido a terremotos ter remotos.. Causas y consecuencias.

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Prof. Orlando Ramírez Karem Lisseth Pino C.I 19.146.004 19.146.004 David José Mogollón C.I 18.965.334 18.965.334 Claudia Patricia Graterol C.I 18.796.294 18.796.294

21-3-2013

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2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013.

Introducción.

La ocurrencia de daños en una estructura durante un sismo, atiende a muchos factores, pero entre ellos el más importante es la vulnerabilidad estructural; la vulnerabilidad estructural se refiere a la susceptibilidad que presenta una estructura a sufrir daños durante la ocurrencia de un sismo, es una característica intrínseca de la estructura, y determina su comportamiento. La definición de vulnerabilidad lleva implícita dos términos, los cuales son la afectación y el daño. La afectación está directamente relacionada con la vulnerabilidad funcional y se refiere al nivel de perturbación que sufre una estructura a nivel funcional, por otra parte el daño es el grado de deterioro físico que sufren los diferentes elementos de una estructura. El daño sísmico puede ser estructural y no estructural, dependiendo de si el elemento en cuestión forma o no, parte del sistema resistente de la edificación; además puede clasificarse según la gravedad y según el esfuerzo que la origine. El nivel de daño estructural que sufrirá una edificación depende tanto del comportamiento global como local de la estructura. Está relacionado con la calidad de los materiales empleados, las características de los elementos estructurales, su configuración, esquema resistente y obviamente, con las cargas actuantes. La naturaleza y grado de daño estructural pueden ser descritos en términos cualitativos o cuantitativos, y constituye un aspecto de primordial importancia para verificar el nivel de deterioro de una edificación, así como su situación relativa con respecto al colapso estructural, que representa una situación límite donde se compromete la estabilidad del sistema.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. Daños estructurales debido a terremotos. 1. Parámetros de vulnerabilidad y daños en las estructuras.

Las estructuras en general son elementos vulnerables más importantes, ya que los daños sufridos por ellas repercuten directamente en las victimas que pueda ocasionar un sismo. La resistencia de las estructuras sujetas a sismos está influida por su diseño y su configuración, es decir, el tamaño, naturaleza y localización de sus elementos resistentes y de aquellos no estructurales estructurales que afectaran directamente su respuesta ante un sismo. Diseños asimétricos con discontinuidades de rigidez, tanto en planta como en elevación, pueden pueden hacer que la la estructura se comporte comporte de un modo inadecuado, ocasionando fallas e incremento de la vulnerabilidad de esas edificaciones, es entonces cuando nos encontramos con que generan los danos más comunes en las estructuras. Durante la ocurrencia de un sismo, se generan sobre la estructura desplazamientos horizontales (predominantemente), verticales y efectos torsionales; la torsión es una de las principales causantes de daños por los sismos en las edificaciones y se deben, generalmente, al desequilibrio en la distribución de rigideces y masas en una edificación. Una estructura puede tener simetría estructural y/o geométrica, siendo la primera la más influyente en la respuesta de una estructura ante un sismo; a medida que una estructura es más simétrica, disminuye el riesgo de concentración de esfuerzos, el momento torsor en planta y el comportamiento de la estructura más predecible. 1 Aunque las causas que dan lugar a daños en una estructura pueden ser debido a múltiples factores, como el uso de materiales de baja calidad, suelo pobre, o la mala ejecución de una obra, la Norma Venezolana COVENIN 1756-1:2001 “EDIFICACIONES SISMORRESISTENTES” en su capítulo 6, presenta una serie de irregularidades tanto en planta como en elevación que, en caso de existir en la estructura, serian causas por la cuales se generarían los daños más comunes; por otro lado en el capítulo 10, también se expone uno de los motivos más importantes por el que se generan danos en una estructura, como es el desplazamiento lateral de un nivel, mejor conocido como deriva.

Figura 1. Asimetría en planta y elevación.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. 2. Causas más comunes de daños estructurales por sismo. ·

Edificación de estructura irregular.

Se considera irregular la edificación que en alguna de sus direcciones principales presente alguna de las características siguientes: 2 A) Irregularidades Irregularidades verticales. a.1) Entrepiso blando. La rigidez lateral de algún entrepiso, es menor que 0,70 veces la del entrepiso superior, o 0,80 veces veces el promedio de las rigideces de los tres entrepisos superiores.

Figura 2. Entrepiso blando.

a.2) Entrepiso débil. La resistencia lateral de algún entrepiso, es menor que 0,70 veces la correspondiente resistencia del entrepiso superior, o 0,80 veces el promedio de las resistencias de los tres entrepisos superiores.

Figura 3. Entrepiso débil.

a.3) Distribución de masas de uno de los pisos contiguos. Cuando la masa de algún piso exceda 1,3 veces la masa de uno de los pisos contiguos.

Figura 4. Irregularidad de masas.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. a.4) Aumento de la masa con la elevación. La distribución de masas de la edificación crece sistemáticamente con la altura.

Figura 5. Irregularidad de masa.

a.5) Variaciones en la geometría del sistema estructural. La dimensión horizontal del sistema estructural en algún piso excede 1,30 la del piso adyacente.

Figura 6. Variaciones en la geometría.

a.6) Esbeltez excesiva. El cociente entre la altura de la edificación y la menor dimensión en planta de la estructura a nivel de base exceda a 4.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. a.7) Discontinuidad en el plano del sistema resistente a cargas laterales. De acuerdo con alguno de los siguientes casos: I. II.

III.

Columnas o muros que no continúan al llegar a un nivel inferior distinto al nivel de base. El ancho de la columna o muro en un entrepiso presenta una reducción que excede el 20% del ancho de la columna o muro en el entrepiso inmediatamente superior en la misma dirección horizontal. El desalineamiento horizontal del eje de un miembro vertical, muro o columna, entre dos pisos consecutivos, supero 1/3 de la dimensión horizontal del miembro inferior en la dirección del desalineamiento. desalineamiento.

Figura 8. Discontinuidad en los ejes de columnas.

a.8) Falla de conexión entre miembros verticales. Algunos de los miembros verticales, columnas o muros, no está conectado conectado al diafragma diafragma de algún nivel. nivel. a.9) Efecto de columna corta. Marcada reducción en la longitud libre de las columnas, por efecto de restricciones laterales tales como paredes, u otros elementos no estructurales. estructurales.












B) Irregularidades Irregularidades en planta. b.1) Gran excentricidad. En algún nivel la excentricidad entre la l ínea de acción del cortante en alguna dirección, y el centro de rigidez supera el 20% del radio de giro inercial de la planta.

Excentricidad. Figura 10. Excentricidad. b.2) Riesgo torsional elevado. Si en algún piso se presenta cualquiera cualquiera de las siguientes situaciones: I. II.

El radio de giro torsional Rt en alguna dirección es inferior al 50% del radio de giro inercial R. La excentricidad entre la línea de acción del cortante y el centro de rigidez de la planta supera el 30% del valor del radio de giro torsional Rt en alguna dirección.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. b.3) Sistema no ortogonal. Cuando una porción importante de los planos del sistema sismorresistente no sean paralelos a los ejes principales de dicho sistema.

Figura 12. Sistema no ortogonal.

b.4) Diafragma flexible. I.

II.

III. IV. V.

Cuando la rigidez en su plano sea menor a la de una losa equivalente de concreto armado de 4cm de espesor y la relación largo/ancho no se mayor que 4,5. Cuando un número significativo de plantas tenga entrantes cuya menor longitud exceda el 40% de la dimensión menor del rectángulo que que inscribe a la planta, medida paralelamente a la dirección del entrante; o cuando el área de dichos entrantes supere el 30% del área del citado rectángulo circunscrito. Cuando las plantas presenten un área total de aberturas internas que rebasen el 20% del área bruta de las plantas. Cuando existan aberturas prominentes adyacentes a los planos sismorresistentes importantes. Cuando en alguna planta el cociente largo/ancho del menor rectángulo que inscriba a dicha planta sea mayor que 5.










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Desplazamientos laterales totales o derivas excesivas.

La deriva definida como "el desplazamiento horizontal relativo entre dos puntos colocados en la misma línea vertical, en dos pisos o niveles consecutivos de la edificación"3, constituye un elemento básico en el proceso de diseño estructural pues, está asociada con las deformaciones deformaciones inelásticas de de los elementos elementos estructurales estructurales y no estructurales, la estabilidad global de la estructura y al daño a los elementos no estructurales. La Norma Venezolana establece una serie de valores límites de la deriva, en función del tipo de estructura, como se observa en la siguiente figura:

Figura 13. Valores límites de deriva.

Siendo el grupo A el compuesto por edificaciones que albergan instalaciones esenciales, o de funcionamiento vital en condiciones de emergencia como hospitales, estaciones de bomberos, torres de control, edificaciones educacionales, etc.; El grupo B1 está conformado por edificaciones de uso público y privado de baja ocupación como viviendas, bancos, restaurantes, etc.; y el grupo B2 por construcciones no clasificables en los grupos anteriores.










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Estructuras colindantes.

El problema de los edificios adyacentes o de dos partes en un mismo edificio es que pueden golpearse entre sí durante un sismo. Los daños dependerán del periodo de vibración, altura, desplazamiento lateral, y distancia entre los edificios. Los daños se manifiestan entre los puntos de contacto.

Figura 15. Edificios colindantes.










3. Consecuencias. Daños estructurales más comunes.

Toda estructura debe asegurar un comportamiento adecuado bajo las cargas que serán impuestas a ella, tanto gravitacionales como sísmicas, debe poseer una resistencia adecuada para soportar las cargas, rigidez para exhibir deformaciones tolerables y estabilidad al ser sometida a fuerzas verticales y horizontales. Las estructuras sujetas a movimientos sísmicos pueden sufrir daños en los elementos que la componen, conocidos como danos estructurales, o bien ocasionar daños en elementos no estructurales, tales como elementos arquitectónicos, sistemas eléctricos y mecánicos, instalaciones sanitarias. Etc. La intensidad macrosísmica indica el grado de daños para cada tipo de construcción en función de la intensidad del movimiento del suelo. La escala de intensidad MSK (Europa) hace la siguiente clasificación de daños: Daños ligeros : Fisuras en los revestimientos, caída de pequeños trozos de revestimiento. Daños moderados: Fisuras en los muros, caída de grandes trozos de revestimiento, caída de tejas, caída de pretiles, grietas en las chimeneas, e incluso derrumbamientos derrumbamientos parciales de las mismas.

Grietas en los muros, caída de elementos exteriores. Daños graves: Grietas Destrucción: Brechas en los muros existentes, derrumbamiento parcial, perdida de conexiones, destrucción de tabiques y muros de cerramiento.

Ruina completa de la construcción. Colapso: Ruina











2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. Por lo general las fallas estructurales más comunes son:

a) Falla por cortante : Inadecuada resistencia al cortante de los entrepisos debido a la escasez de elementos tales como columnas y muros. El colapso de los edificios se debe generalmente a la insuficiente resistencia a carga lateral de los elementos verticales de soporte como columnas y muros. Las fuerzas de inercia, cuya variación de la base a la cúspide del edificio es progresivamente creciente, generan fuerzas cortantes decrecientes desde la base hasta la cúspide, mismas que deben ser resistidas en cada nivel por el conjunto de dicho elementos verticales. verticales. CONSECUENCIAS.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. b) Falla frágil de cortante y tensión diagonal en vigas y columnas:

Es muy importante que las edificaciones cuenten con la capacidad de deformación suficiente para soportar adecuadamente la la solicitación solicitación sísmica sin desmeritar obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta de la edificación es dúctil, se presentan elevadas deformaciones en compresión debidas a esfuerzos combinados de fuerza axial y momento flector.

Figura 18.

Con solo colocar refuerzo transversal estrechamente separado y bien detallado en la region de la rotula plastica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresion. Esto implica el detallado de las secciones para evitar una falla fragil y proporcionar suficiente ductilidad.










Figura 20.

Aunque es menos frecuente que en las columnas, las vigas también pueden fallar por tensión diagonal provocada por la fuerza cortante. co rtante.










CONSECUENCIAS.

Figura 22. d) Falla frágil en muros de cortante.










Figura 24. e) Falla por vibración torsional debido a excentricidad excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez.

La asimetría en la distribución en planta de los elementos estructurales












Figura 26.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. g) Falla por variación brusca de rigidez en elevación.

La causa principal de ocurrencia de esta falla es por la presencia de entrepisos blandos y entrepisos débiles. CONSECUENCIAS.









2013. Daños estructurales debido a terremotos. Proyectos estructurales. A – 2013. i) Falla por resonancia local.

Al propagarse las vibraciones inducidas por un sismo desde la base hasta la cúspide, se presentan amplificaciones de la vibración a lo largo de su altura, que se acentúan en sus niveles superiores, lo que conduce a una elevada concentración de acciones internas que provoca el colapso de una parte del edificio a determinada altura. En la figura se aprecia el colapso de los niveles superiores de la mansión Charaima, de once pisos, de los cuales solo 7 quedaron en pie debido al sismo del 29 de julio de 1967 en Venezuela.










CONSECUENCIAS.










Conclusiones.

El comportamiento de las estructuras sujetas a sismos está determinado por una gran variedad de factores, todos igual de importantes; factores estructurales como irregularidades en masa y rigidez, falta de refuerzo apropiado en juntas y elementos críticos, efectos de columna corta, o periodos similares estructura – suelo, suelo, generaran sin duda fallas en las edificaciones cuando estas sean sometidas a solicitaciones por sismos. Las diez fallas estructurales más comunes fueron descritas en el presente trabajo con la finalidad de conocer las posibles maneras en que puede fallar una estructura parcialmente, o en su totalidad; así como conocer en primer lugar las causas que las generan, para poder disminuir la vulnerabilidad de las estructuras desde las primeras trazas del diseño, y plantear proyectos que garanticen cierto grado de seguridad a sus usuarios.

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