Efecto Sísmico en las Construcciones Dr. Héctor David Hernández Flores Junio de 2008
REALIDAD ANTE LOS SISMOS Los sismos son fenómenos naturales cuyo momento de ocurrencia, magnitud y localización geográfica no son controlables por el hombre
Sus efectos sobre nuestras construcciones SI son controlables Por eso los profesionales, autoridades y sociedad, en todos sus niveles necesitan entender, aceptar y actuar para mitigar el riesgo por sismo
Importancia de la Configuración Es frecuente, en la práctica, que la mayoría del tiempo que se dedica al diseño estructural de un edificio se invierta en los procesos de análisis y diseño, y que se examinen con brevedad los aspectos del diseño conceptual y de estructuración. Desde el punto de vista del diseño sísmico, esta costumbre es particularmente peligrosa, puesto que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte satisfactoriamente ante sismos, por mucho que se refinen los procedimientos de análisis y dimensionamiento. Por el contrario, la experiencia obtenida en varios temblores muestra que los edificios bien concebidos estructuralmente y bien detallados han tenido un comportamiento adecuado, aunque no hayan sido objeto de cálculos elaborados, y, en ocasiones, aunque no hayan satisfecho rigurosamente los reglamentos.
Prof. Roberto Meli
Importancia de la Configuración Si en un principio se tiene una configuración deficiente, todo lo que el ingeniero puede hacer es poner un parche (mejorar una solución básicamente deficiente lo mejor posible). En cambio, si se empieza con una buena configuración y un esquema estructural razonable, incluso un ingeniero poco brillante no perjudicará demasiado el comportamiento final. Gran parte del problema se resolvería si todas las estructuras fueran de una forma regular, pero el aprovechamiento económico de los tamaños y distribuciones de los terrenos, los diversos requisitos de planeación para el uso eficiente del espacio y las proporciones estéticas agradables, requieren que el ingeniero estructural proporcione construcciones seguras de formas variadas.
Henry Degenkolb
Naturaleza del Diseño Sismo Resistente La cuestión consiste en si el edificio se debe diseñar para satisfacer las necesidades funcionales, sociales y estéticas y luego garantizar la seguridad estructural, o si bien, en áreas sísmicas como Managua, los problemas especiales de estabilidad e integridad de conjunto condicionarán el proceso de diseño por el cual se deciden los elementos de forma, como masa, simetría, modulación, etc..... Cuanto más sencillas, continuas, simétricas, rectilíneas y repetitivas sean las soluciones, mayor será también el grado de confiabilidad de las estructuras en que vivimos y trabajamos cuando reciban el ataque de movimientos sísmicos.
Arq. José Francisco Terán
SISTEMAS ESTRUCTURALES COMUNES
Muros
Marcos rígidos
Combinación de ambos (Dual)
MUROS
Carga Rigidez Material (Concreto, Mampostería)
Revisar sus ubicaciones Especial cuidado cuando son considerados como elementos no resistentes
MARCOS RIGIDOS (“Estructuras Esqueléticas”) n n n n n n
Edificios de uso general Concreto reforzado o acero estructural Buena ductilidad bajo efectos sísmicos Elevada hiperestaticidad Comportamiento mayor del límite elástico Deformaciones laterales mayores que en muros
MUROS Y MARCOS RIGIDOS (Combinación de ambos) n n
Frecuente hoy en día Problema: – compatibilidad de deformaciones al someterse a fuerzas horizontales.
n n
Muy eficiente en edificios muy altos Deseable en edificaciones importantes como: Hospitales, escuelas, etc.
Elementos No Estructurales n
n
Contribuyen a la resistencia de la estructura Problemas: – unión inadecuada a la estructura – Elevada rigidez que impide la deformación de la estructura
n
Fachadas, plafones, muros divisorios
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS n n
Varían de sismo a sismo Características del movimiento: – Duración – Amplitud – Frecuencia
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS n
Características de la estructura: – Rigidez – Amortiguamiento – Ductilidad – Problema dinámico – Resonancia
RIGIDEZ n n
n n
Depende de la sección transversal A esfuerzos bajos => comportamiento elástico Se le confunde con la resistencia períodos de oscilación
DUCTILIDAD n
n n
Soporta grandes deformaciones inelásticas Depende de los materiales usados Deseable en zonas sísmicas
PROBLEMA DINÁMICO n
Resonancia: – Existe cuando la frecuencia de excitación coincide con la frecuencia natural del sistema y se obtiene la amplificación dinámica máxima.
DISEÑO SISMO - RESISTENTE n
Objetivos: – Resistir los efectos de un sismo sin colapso – Reducir el grado de vulnerabilidad. – Minimizar la pérdida de vidas humanas. – Mejorar la capacidad de funcionamiento de las instalaciones esenciales durante y después de un sismo moderado o intenso.
Vulnerabilidad de Edificios Concentración de cargas en pisos superiores
Distribución asimétrica
Formas asimétricas en planta que son indeseables por producir vibración torsional ∆
Viga de liga
Posibles medios para eliminar los problemas de plantas asimétricas
Vulnerabilidad de Edificios L
L A
A
a
A
Plantas con alas muy largas
Evitar L/A > 0.15 - 0.20 A/a > 1.0
Zona de concentración de esfuerzos
Vibración en direcciones diferentes de alas de edificios R. Meli
Posibles soluciones para edificios con alas muy largas
Vulnerabilidad de Edificios
Problemas en edificios muy alargados en planta Movimiento del sismo puede diferir de un extremo al otro B A
a
Evitar A/a > 1.0;
A
Área vano/Área planta > 0.25
Evitar B/A > 4
Límites recomendados para los lados de la planta de edificios
Vulnerabilidad de Edificios
Posibles soluciones para plantas muy alargadas
Plantas con esquinas entrantes (indeseables)
R. Meli
Vulnerabilidad de Edificios si h/H>1/5, evitar: (a1+a2)/A > 0.2 H
a1
si h/H <1/5, evitar: (a1+a2)/A > 0.5
a2 h
H
a1
A
Zona de amplificación de la vibración Concentración de esfuerzos
a2 A
Reducciones bruscas indeseables (Elevación)
Prismática
Reducción gradual
Posibles soluciones R. Meli
Rigidizar zona superior
Vulnerabilidad de Edificios A si H/A > 2.5 es irregular
H
evitar H/A > 4
Limitaciones de esbeltez del edificio s1 s2
H
lindero con predio s
Colindancias
H1
H2 Cuerpos de un edificio
Separación entre edificios adyacentes para evitar choques R. Meli
RECOMENDACIONES SOBRE ESTRUCTURACIÓN n
Poco peso – Estructuras ligeras
n
Sencillez ,simetría y regularidad en planta y elevación – Evitar plantas en forma de L,T, C y angulares
n
Plantas poco alargadas en planta
y elevación
RECOMENDACIONES SOBRE ESTRUCTURACIÓN n
n
n
Uniformidad en la distribución de resistencia, rigidez y ductilidad Hiperestaticidad y líneas escalonadas de defensa estructural Formación de articulaciones plásticas en vigas y no en columnas
RECOMENDACIONES SOBRE ESTRUCTURACIÓN n
n
Propiedades dinámicas adecuadas al terreno Congruencia entre lo proyectado y lo construido
Fuerzas Resultantes de un Sismo en las Edificaciones – Debe resistir las fuerzas de inercia producidas por la edificación al intentar regresar a su posición de equilibrio. – Las fuerzas sísmicas son fuerzas de inercia generadas por la vibración de la masa del edificio. – Fuerzas dinámicas
EFECTOS TORSIONALES n
Torsión: – Una de las principales causantes de los daños producidos por los sismos en las edificaciones. – Es la acción de dar vueltas a un objeto por sus dos extremos (superior e inferior) en sentidos opuestos.
Aspectos de la Configuración de la Edificación que Influyen en el Diseño Sismo - Resistente. n n n n
Colindancia o adyacencia con otras edificaciones Configuración geométrica de la edificación Configuración estructural de la edificación Características, localización e instalación de los componentes no estructurales de la edificación.
COLINDANCIA O ADYACENCIA n
n
Proximidad entre edificios continuos o anexos. Daños por colindancia: – GOLPETEO: Si las edificaciones no están bien separadas ó pegadas una de la otra se producen choques entre ellas.
Colindancia o Adyacencia – En edificaciones adyacentes en las que la altura de sus respectivas losas no coinciden. – En edificaciones altas y flexibles ubicadas entre dos edificaciones bajas adyacentes.
RECOMENDACIONES n n
n
En edificios continuos incluir una junta sísmica apropiadamente diseñada. Reducir la posibilidad de que se golpeen las estructuras rellenando la junta sísmica con material que amortigüe los efectos de desplazamiento. Tomar en cuenta el posible desplazamiento de las losas de los edificios vecinos reforzando los posibles puntos de contacto.
Configuración Geométrica de la Edificación n
Aspectos para determinar el grado de irregularidad de la edificación: – La geometría en planta – La geometría en altura
Geometría en Planta n
Irregularidad en planta: – Presencia de esquinas entrantes o retrocesos en las esquinas . – Los Arquitectos las prefieren para proveer mayores áreas de ventilación e iluminación naturales. – Evitarse en edificaciones, principalmente en aquellas destinadas a hospitales, escuelas, centros de emergencia, etc
Geometría en Planta n
Determinada por la forma , simetría y proporciones de los diferentes cuerpos. – Conducen a distribuciones irregulares de los elementos estructurales.
Recomendaciones n
Para el problema de esquinas entrantes: – Interconectar estructuralmente los bloques de la edificación. – Separar estructuralmente la edificación en bloques regulares utilizando juntas sísmicas.
Geometría en Planta n
Determinada por: – Dimensiones de los escalonamientos o retrocesos – Simetría – Proporciones de cada uno de los volúmenes que se forman.
Geometría en Altura n
Problemas que pudieran presentarse: – Retroceso n
Desplazamiento horizontal de algún piso con relación al plano vertical exterior.
– Asimetrías n
Conducen a la discontinuidad e irregularidad de los elementos resistentes.
Geometría en Altura – Esbeltez n
Si en la edificación domina la altura con relación al ancho y a la profundidad.
Configuración Estructural de la Edificación n
Sistema estructural – Componentes estructurales n n n n n n n n
columnas vigas losas cubiertas entrepisos escaleras muros de carga etc.
Sistema de Resistencia Sísmica n
Componentes estructurales – Soportar fuerzas producidas por los sismos.
n
Elementos estructurales – Diseñarse para los efectos de los movimientos sísmicos de diseño que actúen sobre ellos.
n
Elementos de resistencia sísmica – Diseñarse para el grado de capacidad de disipación de energía requerido.
n
Componentes no estructurales – escaleras,rampas,tanques de agua, y otros.
Requisitos de Regularidad Configuraciones poco convencionales en elevación para edificios L
Muro rígido
H/L>5
Recomendables
H
No convenientes
Cuerpo rígido L2/L1 >3
L1
L1 L2
L2
A
A/L > 0.2
L
DISTRIBUCIÓN IRREGULAR DE LAS RIGIDECES EN PLANTA. n
Falsa simetría – En la ubicación de los núcleos de circulación vertical. – Por variaciones en la resistencia y rigidez perimetrales en la planta de la edificación (en el perímetro).
RECOMENDACIONES n
Estudiar bien la distribución irregular en planta de los componentes rígidos para que no se produzcan excentricidades y torsiones indeseables.
DISCONTINUIDADES EN EL FLUJO DE FUERZAS. FUERZAS n
n
Por la eliminación o debilitamiento de componentes de resistencia sísmica en el piso inmediato inferior (piso débil) . El sistema estructural debe proporcionar una trayectoria de carga continua hasta la cimentación.
DISCONTINUIDADES EN EL FLUJO DE FUERZAS n
Plantas bajas libres – Se presentan por: n Combinación de sistemas estructurales n Interrupción en los niveles inferiores de columnas o muros n Mayor altura de entrepiso en las columnas del primer piso.
COMPONENTES NO ESTRUCTURALES DE UNA EDIFICACIÓN n
En una edificación son todos los no definidos como estructurales. (Puertas, ventanas, plafones,mobiliario, instalaciones sanitarias,etc.)
COMPONENTES NO ESTRUCTURALES DE UNA EDIFICACIÓN n
En zonas sísmicas – garantizar: n n
n
Integridad de los componentes. Adosamiento apropiado a los componentes estructurales. Ajuste correcto de dichos componentes.
– Tener en cuenta: n n n
Posición y distribución de los componentes Características dinámicas de cada uno de ellos Anclajes apropiados para evitar volcamiento o desprendimiento.
COMPONENTES NO INTENCIONALMENTE ESTRUCTURALES n
n
No son considerados en el análisis del sistema estructural. En un sismo, producen rigideces no previstas en los componentes estructurales.
COMPONENTES NO INTENCIONALMENTE ESTRUCTURALES n
Irregularidades producidas por estos componentes: – Ubicación de los ductos de instalaciones – Piso flexible n
n
Irregularidad en rigidez Plantas bajas libres
– Columna corta n
Aulas de las escuelas
– Edificio en esquina
Consideraciones Finales Los reglamentos no prohíben sistemas estructurales poco eficientes ante sismo, pero si desalientan su uso exigiendo métodos de diseño más refinados y factores de seguridad mayores. Esto incide finalmente en la economía de la solución estructural. Los diseñadores (Arquitecto y Estructurista) deben pugnar por adoptar sistemas estructurales sanos y eficientes y no forzar a que las soluciones entren en los límites permitidos por el reglamento
Consideraciones Finales En todas las ramas de la ingeniería hay 2 principios básicos:
Los
problemas complejos deben resolverse de una manera simple.
Una
buena solución realizada con los conocimientos, herramientas y materiales de hoy es mucho mejor que una solución “perfecta” realizada dentro de un año y aún dentro de una semana.
Consideraciones Finales El Ingeniero Estructural no debe olvidar que: “La respuesta estructural de una edificación, no solo es el fruto de la aplicación correcta de las normas, sino que de saber intuir y deducir el comportamiento de la edificación y de controlar los procesos del diseño y construcción. Las edificaciones se construyen tal como se detallan en los planos y las especificaciones y no como se analizan o diseñan; las edificaciones se comportan tal como se construyen más no como se diseñan.”.
T. Paulay
CONCLUSIÓN FINAL El arte del diseño Sismo Resistente implica mucho más que la mera aplicación de especificaciones o reglamentos llenos de detalles; más bien exige, un buen entendimiento de los factores básicos que determinan la respuesta sísmica de las estructuras, así como ingenio para crear sistemas con las propiedades requeridas.
Prof. Luis Esteva
