ESTRUCTURAS SISMORESISTENTES. ALGUNAS CONSIDERACIONES.. CAPITULO 0. CONSIDERACIONES febrero 5, 2013 · de fmartinezalon · en Edificacion Edificacion,, Estructuras Estructuras,, Profesion Profesion.. ·
El terremoto de Lorca de Mayo de 2011, con 9 victimas mortales y daños de mayor o menor magnitud en el 80% de las edificaciones de la localidad, suscitó una importante polémica, causó una gran impresión al ciudadano medio, y a este autor… El principal temblor alcanzó una intensidad VII en la escala Mercalli. No es el único, por supuesto. Todo el mundo recuerda el Tsunami del sureste de Asia de 2004, el de Japón en 2011 (ambos consecuencia de seísmo), o los terremotos de Turquía de 2010 y 2011, el de Haití de 2010,etc… por mencionar sólo los mas próximos en el tiempo. Solo en España, según el Instituto Geográfico Nacional, se han registrado 37 terremotos en los últimos 10 días , aunque todos, apenas perceptibles y sin daños. Probablemente lo que me impresionó de Lorca fuera la proximidad geográfica, los daños causados en relación a la peligrosidad prevista (excesivos, según mi opinión), y el hecho de que mi trabajo durante 6 años en funciones de cálculo de estructuras, en gran parte se orienta a evitar que algo así ocurra en cualquier edificación en la que haya intervenido. Supongo que la primera reacción es la de hacerse preguntas: o
¿Cómo es posible que tales daños ocurran en nuestro estado actual de desarrollo tecnológico?.
o
¿Qué normas se aplican en el diseño de estructuras para prevenir esos daños?. ¿Se están cumpliendo?,¿Son efectivas?…
Antes de entrar en explicaciones técnicas sobre qué es el diseño Sismoresistente, qué ocurre en un terremoto y cual es el estado del arte en tecnología anti-sismos para edificación, he c reído conveniente responder a esas preguntas. He de decir que como ingeniero, el diseño sismoresistente es uno de los aspectos de mayor dificultad técnica a los que me he enfrentado. No se trata de que resulte difícil aplicar l as normas. De hecho, es muy fácil. Lo difícil es entender realmente sus mecanismos de modelización y calculo, y optimizar un diseño para que sea realmente efectivo. Además, y como describiré mas adelante, no es sólo un problema técnico. Existen…”injerencias”, por llamarlo de algún modo, (casi siempre con el símbolo del euro), que hacen mas difícil aun el trabajo. ¿POR QUÉ OCURREN LOS DAÑOS?. En realidad se trata solo de un problema estadístico, o de probabilidades de ocurrencia del seísmo, caracterización del mismo y de los daños que ocasionará. El “Eurocodigo 8”, es decir, la norma que se aventura como futura sucesora de la actual norma sísmoresistente española NCSE-2002, establece claramente su propósito de “proteger la vida humana” y “limitar los daños”. El modelo de sismo de referencia o de calculo para un diseño y dimensionado estructural (según Eurocodigo 8), es aquel cuya probabilidad de que ocurra es del 10% en un periodo de tiempo de 50 años . Es decir, se puede considerar que se trata del sismo de mayor intensidad observado en los últimos 475 años (periodo de retorno). Recuerdo que la vida útil media de una estructura, se estima precisamente en unos 50 años.
Prácticamente todas las normas de diseño sismoresistentes tienen por objeto evitar el “colapso total o parcial de la estructura”, con una probabilidad razonable, frente a un sismo dado. Se reconoce implícitamente la posibilidad de que concurran daños “ menores” o de elementos estructurales secundarios. Ninguna norma garantiza, por tanto, que el edificio resulte “intacto”, por lo que se refiere a su estructura. No podría hacerlo, en cualquier caso, pues ello exigiría modelizar sismos con periodo de retorno T=infinito, y, obviamente, no existen registros desde hace tanto tiempo…. Algo que frecuentemente se pasa por alto es el hecho de que aunque una estructura se diseñe y calcule con capacidades sismoresistentes, los cerramientos, tabiquerías, revestimientos, falsos techos, cornisas, petos de azotea, etc…. No lo son. La mejor estructura antisismos no evitará que se desprenda una cornisa, alero, o cualquier otro elemento constructivo del edificio, no estructural, y acabe cayendo sobre alguien o destrozando coches. Incluso un falso techo o un tabique podría derrumbarse en el interior del edificio. Con todo, un buen diseño estructural ayudará a que eso no ocurra. Es por eso que si el seísmo le sorprende en la calle lo mejor que puede hacer es buscar espacios abiertos (parques, etc…), y alejarse lo mas posible de los edificios de alrededor. Si está en el interior de un edificio, busque refugio debajo de las mesas o sillas, por si acaso. Los elementos constructivos no estructurales (envolventes, revestimientos, etc…) no están sometidos a norma sismoresistente alguna. Solo existen códigos de buenas practicas y normas orientativas acerca de cómo han de ejecutarse , su composición y características, etc…. Las normas de obligado cumplimiento relativas a los mismos, no están directamente relacionadas con características sismoresistentes. Es así porque se considera que esta clase de daños son “menores”, especialmente si se los compara con lo que supondría el colapso de la estructura. También, claro está, porque resultarían más caros y de diseño y ejecución más laboriosa. NORMATIVA DE APLICACIÓN Desde 1994 (Norma sismoresistente NCSE-94), se puede decir que disponemos de una buena normativa antisismo. Si su edificio tiene entre 18 y 8 años de antigüedad, estará afectado por la misma y puede considerarse mas o menos, bien protegido.Desde 2002 (Norma sismoresistente NCSE-2002). La norma es aun mejor. Un edificio de menos de 8 años estará (o debería estar), construido según sus disposiciones, y es entonces bastante seguro, incluso frente a temblores de gran magnitud.
Con anterioridad, y desde 1962 (MV-101), se aplicaban normas, periódicamente revisadas, que contemplaban la consideración del efecto sísmico en aquellas estructuras emplazadas en zonas de riesgo especial. Las exigencias que imponían eran mínimas y poco efectivas. En realidad, solo desde la extinta NCSE-94, (hace un par de décadas), se puede hablar de diseños “sismoresistentes” adecuadamente protegidos. No puedo decir que su edificio se encuentre en una situación de extremo peligro en caso de terremoto, si tiene más de 20 años. De hecho, algunas tipologías estructurales como el hormigón armado, (de uso generalizado desde los 60), dispone “per-se” de una cierta y significativa capacidad de resistencia frente a seísmos, incluso aunque no haya sido calculado con normas modernas. Todo dependerá de la magnitud del mismo. ¿SE ESTÁ APLICANDO LA NORMA? Eso es difícil de responder, y lo he meditado mucho. Lo mejor que se me ocurre es que, según mi experiencia “Si, casi siempre”. En cuanto al grado de cumplimiento diría que es…”suficiente”.Estoy siendo un tanto ambiguo, así que trataré de explicarme. “Casi siempre” significa que sospecho que no siempre se aplica. Algunos técnicos de OCTs, en alguna de las interminables reuniones a las que tuve que asistir, me confesaban que determinados proyectistas se “negaban” a aplicar la norma, y lo reconocían cuando se les presionaba un poco. No es que no hicieran nada, sino que aplicaban la norma “solo a medias”, por ejemplo, en el dimensionado de pilares, evitando hacerlo en vigas y forjados, utilizaban la extinta NCSE-94, porque era menos restrictiva y mas “económica”, o simplemente porque ellos “pensaban” que la NCSE-2002 en realidad solo perseguía incrementar el consumo de aceros para lucrar a los grandes fabricantes, etc… No tiene gracia, ya lo sé. Si alguna vez atraco un banco y me detienen, diré al juez que lo he hecho porque “pienso” que el reparto de riqueza en el mundo es desigual e injusto, y que solo quería compensar las cosas por lo que a mi se refiere, etc…
Al respecto, he localizado un interesante articulo en la revista “Consultores de Estructuras”, firmado por Laureá Miró Bretos, en el que trata algunos aspectos del “Dilema Ético” del cumplimiento de la Norma. Yo no podría expresarlo mejor así que dejaré el enlace. http://laureamiro.com/altres/descarregues/publicacions/
Para mi sorpresa, existen también académicos de gran prestigio en el sector, que critican algunos aspectos de la actual norma, y realizan comparativas con la anterior (NCSE-94), en términos económicos. Eludiré mencionar quién y en qué términos desarrolla sus críticas. Espero que el Lector no saque conclusiones apresuradas y erróneas. La mayor parte de los técnicos, entre los que me cuento, y entre los que incluyo a aquellos con quienes he trabajado, pensamos que las normas son eso, normas, y están para ser cumpliras. En cuanto a “como” se aplica, ya ha quedado claro que no siempre correctamente o en su totalidad. Hoy en día, casi cualquier software de calculo de estructuras comercial incorpora sobradamente las prestaciones de calculo a sismo (CYPE, TRICALC, etc…). La consecuencia directa será, casi siempre, un incremento desmesurado del consumo de acero (cuantías) en los sistemas estructurales de hormigón armado, (hasta 50 y 60 kg/m2) ,cuando los valores medios, en regiones no sísmicas, se sitúan en una media de 25 kg/m2.
Además, habrá que realizar una serie de comprobaciones com o el desplome (desplazami entos horizontales máximos), vigilar que las variaciones de peso no superen el 15% entre forjados de diferentes plantas, etc… Eso es “suficiente” para garantizar el cumplimiento, en el reducido margen de actuación en el que los arquitectos e ingenieros nos movemos. No es la solución ideal. La NCSE incluye una serie de “recomendaciones”, que en la práctica casi nadie observa , (principalmente por que las características de la obra o el edificio se lo impedirán). Se refieren a aspectos del diseño arquitectónico; formas y geometría del edificio, que mejorarían considerablemente el comportamiento de la estructura en caso de seísmo. Ni siquiera las OCTs (empresas dedicadas a la supervisión y vigilancia de obras para aseguradoras) las exigen. Se trata de parte de los trabajos de “optimización” del diseño, que incluiría además la simulación de diferentes soluciones estructurales (tipologías de forjados, utilización de pilares y pantallas de diferentes formas y dimensiones, etc…), sobre las que hablaré en futuros post.“ Suficiente” no significa “optimo”…
¿ES LA NORMA EFECTIVA?. la NCSE-2002 establecía una aceleración de calculo base para la localidad de Lorca de ab=0,12g. Mediante la aplicación de coeficientes de suelo, etc…, lo usual es simular una estructura en esa localidad para aceleraciones de calculo ac=0,16g. Las aceleraciones que se registraron en el terremoto alcanzaron ac=0,37g, es decir, mas del doble de lo previsto. En consecuencia, incluso las edificaciones mas modernas están proyectadas para resistir terremotos de intensidad significativamente inferior a la que se presentó. A pesar de ello, solo un edificio colapsó, y sorprendentemente, se trataba de un edificio relativamente moderno.
Algunos aspectos de la norma, como las “recomendaciones” a las que me he referido, o no se aplican, o no son debidamente tratados (por ejemplo, el tratamiento del riesgo de licuefacción de suelos es muy superficial). Otros, como el riesgo de “resonancia”, ni siquiera se mencionan, la verificacion de distancias entre juntas o edificios colindantes no se respeta nunca en obra, etc… Pese a todo, en realidad la NCSE-2002 y las normas sismoresistentes de todo el mundo son muy similares entre si. Se fundamentan en el calculo dinámico según espectros de respuesta elásticos y, a lo sumo, cabe esperar solo diferencias en el grado de exigencia en sus disposiciones. El autor no cree equivocada la norma, sólo que se infravalora la importancia del “diseño sismoresistente” en la arquitectura de zonas sismicas, confiando en que la estricta observacion de la normativa y el consumo elevado de acero en pilares y forjados es suficiente. Incluso un edificio no sometido a norma sismica alguna, con un diseño regular y simetrico y no demasiadas alturas puede estar tanto (o mas) protegido que las nuevas construcciones que obvian estas reglas basicas.
ESTRUCTURAS SISMORESISTENTES. TERREMOTOS. CAPÍTULO 1 febrero 17, 2013 · de fmartinezalon · en Edificacion, Estructuras. · ¿Ha probado alguna vez a dar un tirón del mantel de la mesa, para ver si los platos se quedan en el mismo sitio?. Ahora imagine que en lugar de un único tirón, ll eva a cabo una secuencia de tirones en un sentido y en otro, siguiendo una dirección determinada, e imagine además que los platos y vasos se encuentras “pegados” al mantel. Si supone que el mantel es la corteza terrestre, y los platos sus edificios, se hará una idea de lo que es un terremoto. Los que el autor recuerda se parecían a las vibraciones que produce un camión de gran tonelaje pasando por la puerta de su casa. Si está en un edificio de cierta altura, además del ruido notará algo parecido a un desequilibrio o mareo. Incluso un terremoto apenas perceptible libera tanta energía como un crucero de pasajeros de unas 10.000 tons cayendo desde una altura de 1 km.
Un terremoto, seísmo, movimiento de tierras o temblor es una vibración, o secuencia de movimientos de la corteza terrestre. En realidad, la corteza no es continua y homogénea , pese a lo que podamos creer, esta formada por grandes placas (tectónicas), independientes entre si y susceptibles de desplazamientos relativos entre ellas. Además, existen fallas o “fracturas” en el interior de las placas tectónicas causadas fundamentalmente por los movimientos tectónicos. Las fallas son dis continuidades que dan lugar, por ejemplo, a las formaciones montañosas. Aunque los terremotos pueden ser de origen antropomorfo (por causa humana), lo más común es que se deba a los desplazamientos entre placas tectónicas, y, con más frecuencia, en las fallas. Las fallas pueden tener cualquier ángulo y dirección de desplazamiento relativo, y pueden ser activas (con movimientos en los últimos 1,8 millones de años) o no incluso un desplazamiento entre fallas no es necesariamente causa de un seísmo, sólo cuando éste es brusco.Cuando se origina uno de tales desplazamientos relativos, existe un punto (foco), denominado hipocentro, considerado origen de la perturbación, y ubicado a una cierta profundidad de la corteza. Desde ese punto se propagan ondas sísmicas, es decir,perturbaciones del estado tensional del terreno consistentes en compresiones y dilataciones alternativas. Aunque se caracterizan en mayor numero, habitualmente se habla sólo de ondas P (Principales o longitudinales en l a dirección de la perturbación), S (Secundarias o transversales a la dirección) y S (Superficiales, resultado de la combinación de las 2 primeras en la superficie de la corteza). La velocidad de propagación de las ondas es función de la naturaleza y tipología del terreno, pero habitualmente se mueven en rangos conocidos. Las ondas superficiales (parecidas a las producidas por un objeto que cae sobre el agua), se desplazan a velocidades medias de 3,5 km/s , y son las mas l entas y destructivas. CARACTERIZACION BASICA Desde luego, no todos los seísmos son iguales. Los hay apenas perceptibles y los de gran magnitud. La caracterización básica se hace con escalas de medida de magnitud e intensidad .L a escala de intensidad mas conocida es la de Mercalli, y define un sismo en función de los daños que causa, especialmente sobre las construcciones y estructuras. Su rango oscila entre I y XII. (El terremoto de Lorca se situó en VII, más o menos a mitad de rango). Habitualmente, sin embargo se recurre a la escala MSK, (entre I y XII). Históricamente, en España, el sismo de mayor intensidad registrado se sitúa en Cabo San Vicente (1755), escala MSK X, y produjo 20000 muertos y un Tsunami (terremoto de Lisboa), aunque son mas frecuentes los de escala IX (Torrevieja 1829 Valencia, Vera, etc…), dentro de la categoría de grandes terremotos.
Las escalas mas “científicas”, se basan en la caracterización de la magnitud de las ondas sísmicas . La más conocida es la de Richter . Básicamente mide la “Amplitud” de onda registrada en los sismógrafos. Se puede decir que es una medida de la “fuerza” del terremoto. En realidad, aunque todo el mundo crea que se trata de una escala entre 0 y 10, su rango oscila entre 2.0 y 6.9. La escala Richter 6.9 definiría un terremoto capaz de destruir poblaciones en unos 160 km a la redonda. Para la medida de macroterremotos se utilizan escalas corregidas (magnitud de momento), aunque no se sabe que nunca en la historia haya sucedido un hipotético Richter 10, capaz de destruirlo todo en decenas de miles de kilómetros (p.ej. el continente europeo en su totalidad). EFECTOS Los efectos de los terremotos son fácilmente identificables: o
Destrucción de construcciones y estructuras humanas
o
Corrimientos de tierras
o
Licuefacción del suelo
o
Tsunamis
Los efectos son muy variables y dependen de la naturaleza de los suelos (geotecnia), el emplazamiento y origen del terremoto, las tipologías constructivas utilizadas en las edificaciones, etc PREVISIONES-MODELO DE REFERENCIA A día de hoy, como todo el mundo sabe, no se puede prever un terremoto . (A menos que los perros nos enseñen). Es decir, no se puede predecir en qué momento exacto ocurrirán, pero sí es posible delimitar las zonas de potencial riesgo sísmico, e incluso prever cual podría se su magnitud máxima.
Se trata de una cuestión estadística, en la que se fundamentan las normas técnicas de construcción sismoresistente. A partir de la observación de una serie de registros históricos de terremotos, y su intensidad o magnitud, se puede construir una distribución de probabilidades (distribución de Poisson), capaz de establecer la probabilidad de ocurrencia de un terremoto (con una magnitud dada), en un emplazamiento concreto. Como mencioné en el post anterior, las normas sismoresistentes suele simular un terremoto cuya probabilidad de ocurrir es del 10% en un periodo de tiempo de unos 50 años (vida útil), para un determinado periodo de retorno (en torno a 500 años habitualmente). Eso significa que se estudia el terremoto que tiene una probabilidad del 90% de NO OCURRIR durante la vida útil del edificio o estructura .
Si se trata de un seísmo de magnitud elevada, entonces el emplazamiento considerado se señala en el mapa con un color rojo muy significativo, y se considera emplazamiento de “Alto riesgo sísmico”.Si, por el contrario, resulta un seísmo de baja magnitud, probablemente se considerará no significativo, y es frecuente que el emplazamiento ni siquiera aparezca en el mapa como zona de riesgo. Por supuesto, no se estudia del mismo modo una construcción normal, que una presa, central nuclear, etc…, es decir, construcciones de importancia especial. Por ejemplo, los emplazamientos para los depósitos de desechos radioactivos se escogen en función del sismo cuya probabilidad de No Ocurrir es mayor del 99%, con periodos de retorno de T=10.000 años . Si el sismo de referencia, en ese supuesto es de magnitud reducida, o casi nula, es una ubicación ideal. Así mismo, en lugares de alta actividad sísmica (falla de San Andres en EEUU), los modelos de seísmo se calculan con periodo de retorno T=1000 años. CARACTERIZACION TÉCNICA. En resumen, y aunque no sepamos cuando puede ocurrir un terremoto, sí sabemos “donde” es mas probable que ocurra, e incluso qué características del terremoto (magnitud e intensidad), cabe esperar cuando ocurra. En otras palabras, podemos definir mapas de riesgo sísmico. Hemos visto además como caracterizarlo, solo que a un nivel muy general, y a veces algo subjetivo.
Para la ingeniería, sin embargo, se utilizan otros parámetros más “técnicos” y basados en los registros de ondas sísmicas y movimientos del suelo.Todo movimiento tiene asociado un desplazamiento, velocidad y ACELERACION. De todas estas magnitudes, solo la aceleración es realmente interesante y puede relacionarse con las Fuerzas. Para simular un seísmo, o más concretamente los efectos del mismo sobre una estructura (sismo de referencia para el dimensionado de la estructura), se utiliza el concepto de aceleración básica , expresado como x veces la aceleración de la gravedad. 0,18g o 0,24g son las aceleraciones básicas de mayor magnitud utilizadas por la norma española NCSE2002 para España, y se localizan en el entorno de Granada y la Comarca del Bajo Segura (Sur de Alicante, o donde este autor pone sus pies). Eso equivale a intensidad alta en escala MSK (IMSK>VIII). Reproduciré brevemente los efectos que un terremoto de ese tipo suponen Terremoto IMSK=IX) “Pánico general. Daños considerables en el mobiliario. Los animales corren confusamente y emiten sus sonidos peculiares. Se observa con frecuencia que se producen extrusiones de agua, arena y fango en los terrenos saturados. Se abren grietas en el terreno de hasta 10 centímetros de ancho y de más de 10 centímetros en las laderas y en las márgenes de los ríos. Aparecen además, numerosas grietas pequeñas en el suelo. Desprendimientos de rocas y aludes. Muchos deslizamientos de tierras. Grandes olas en lagos y embalses. Se renuevan pozos secos y se secan otros existentes, Caen monumentos y columnas. Daños considerables en depósitos de líquidos. Se rompen parcialmente las canalizaciones subterráneas. En algunos casos, los carriles del ferrocarril se curvan y las carreteras quedan fuera de servicio. Solo las edificaciones mas preparadas están libres del riesgo de colapso”.
No se trata de que vaya ocurrir, sino de que “podría” ocurrir, y de hecho, ya ha ocurrido antes. En zonas cuya ab<0,04g, ni siquiera se exige la aplicación de la norma NCSE-2002.En un sismo de gran magnitud (p.ej ab=0,33g), los desplazamientos del terreno pueden alcanzar los 20 cm, con una velocidad de hasta 35 cm/seg. Esto da una idea de la frecuencia o periodo con el que las ondas sísmicas se propagan por el terreno.
ALGUNAS OBSERVACIONES Repasando opiniones de otros técnicos he observado que existe una opinión, no sé si generalizada, al respecto de que “Esto es España, no la falla de San Andres (California) ni Japón….”. Es decir, existe una cierta tendencia a menospreciar el riesgo sísmico o los efectos de un terremoto en nuestro país. Seamos sinceros, lo cierto es que un terremoto (que se pueda percibir) no es algo común en la mayor parte de nuestro país, ni siquiera en las zonas de mayor peligrosidad. Es sólo excepcional, y muy rara vez produce daños personales o materiales de importancia. Por esa razón,(porque no es un riesgo evidente), solemos creer que un terremoto es el ultimo de nuestros problemas, y, por lo general, desconocemos también los riesgos sísmicos calculados y los antecedentes históricos. No estoy de acuerdo con esa opinión. No creo que casi nadie que haya sufrido un accidente de tráfico, iniciara su viaje plenamente consciente del riesgo al que estaba expuesto, y que finalmente se concretó.Todos sabemos que existe ese riesgo, pero el mismo no ocupa nuestros pensamientos ni gobierna nuestra vida. Con los terremotos es incluso peor. A todos nos interesan las condiciones de seguridad de nuestros coches (crash test, airbags, etc…), pero nadie se pregunta si la estructura de su edificio está realmente preparada para soportar un seísmo de gran magnitud.
ESTRUCTURAS SISMORESISTENTES. ESPECTRAL. CAPÍTULO 2
ANALISIS
MODAL
febrero 19, 2013 · de fmartinezalon · en Edificacion, Estructuras. · Ya hemos descrito qué es un terremoto y como suele caracterizarse. En esencia,un seísmo es una vibración del suelo (un conjunto de fuerzas horizontales que se aplican sobre la rasante de un edific io). Como tal, tiene una frecuencia y aceleración máxima características. De hecho, todos los estudios de mapas de riesgo, estadísticos e históricos permiten la determinación de un valor de aceleración básica del suelo (ab), representativo de la acción dinámica sísmica.
Pero ¿Cómo repercute esa vibración sobre una determinada estructura?. Esta claro que la vibración del suelo se transmitirá a toda la estructura a través de sus soportes (pilares y muros), y, como consecuencia de ella, lasprincipales masas de la misma (principalmente, los forjados), se moverán o desplazarán de forma relativa respecto al suelo (al que supondremos fijo). Es decir, podríamos simplificar todo el sistema suponiendo que un sismo “genera” fuerzas horizontales en los forjados o pórticos de la estructura de magnitud determinada y, además, variables en el tiempo. De una forma muy aproximativa, podría asimilarse cualqui er estructura a un péndulo invertido, sometido a una vibración en la base. El péndulo describirá un movimiento oscilatorio que progresivamente se irá amortiguando hasta desaparecer, recuperando la posición de equilibrio inicial (obvi amente cuando cesa la acción sísmica o de excitaci ón). Se sabe que no todos los péndulos (y no todos los edificios), responden del mismo modo ante una vibración en la base. De hecho, cada estructura posee una frecuencia propia o natural, determinada fundamentalmente por su rigidez y altura, a la que vibrará (oscilará) frente a cualquier excitación a la que se someta. En concreto, la relación entre la aceleración de base (sísmica) y los desplazamientos que experimentan las masas de la estructura, depende únicamente de esa frecuencia propia y del amortiguamiento de la estructura.
Quizá esto le haya sorprendido. Si creía que su edificio estaba resuelto por gruesos pilares y vigas, indeformables (a priori es lo que parece), se equivoca. Todas las estructuras, incluso las de hormigón armado son elásticas, es decir, pueden deformarse y moverse recuperando después la posición inicial. Es bastante intuitivo suponer que “hace falta” mucha fuerza para deformar esa estructura, que es precisamente lo que induce un terremoto. Como verá, el objetivo inicial del diseño sismoresistente es “cuantificar” o valorar esas fuerzas, y para ello se hace toda clase de simplificaciones pues resulta extremadamente complicado “calcular” su valor utilizando solo ecuaciones matemáticas, por complejas que resulten. Observará además que la “aceleración base” del terremoto puede variar en cada instante, y por tanto variará también la respuesta del edific io. De hecho, la frecuencia natural del edificio es mas bien un concepto teórico y no una descripción exacta del comportamiento dinámico de la estructura y además, casi ninguna estructura puede simplificarse tanto como para suponerla equivalente a un péndulo invertido. Por si fuera poco, la relación fuerza-deformación, no es siempre lineal o constante en una estructura sino que depende del dominio el que se sitúe, etc… En consecuencia, y dada la compleji dad del proceso, l as normas sísmicas recurren al concepto de “Espectro normalizado de respuesta”, para permitir un fácil cálculo, y con aproximación a la realidad “suficiente”, de las fuerzas sísmicas actuantes sobre un edificio. El espectro normalizado es en realidad una grafica que representa la respuesta (aceleración vibratoria) a la que responde una estructura con un periodo natural “T” conocido, frente a un sismo. Generalmente la información en ordenadas ( α(T)) es en realidad un cociente entre la aceleración “de respuesta” del edificio y la aceleración “de base” del sismo.
Para el caso de la norma española NCSE-2002, y para periodos naturales desde T=0,1 seg a T=0,4 seg, la aceleración del edificio será 2,5 veces la del sismo de referencia. Es decir, un sismo de 1 m/s2 de aceleración, inducirá una aceleración en ese tipo de edificios de 2,5 m/s2.En otras palabras, el “efecto de un terremoto”,se “amplifica” por la estructura hasta casi 3 veces el valor de las fuerzas sísmicas actuantes….
Salta a la vista que las estructuras de menor periodo natural (estructuras muy rígidas), apenas modifican el valor de aceleración sísmica (no existe amplificación de fuerzas), y que las estructuras menos rígidas, reducen también el efecto amplificatorio. Desafortunadamente, la mayor parte de estructuras se sitúan justamente en el rango de máxima amplificación.. Los espectros normalizados de respuesta, por lo general, presentan pequeñas diferencias entre países y son el resultado del estudio de numerosos acelerogramas. PARAMETROS DE INFLUENCIA.
El espectro de respuesta normalizado no es siempre constante, y está afectado por dos parámetros; El coeficiente de contribución K y el coeficiente de s uelo C. El coeficiente K no tiene influencia practica y depende solo del emplazamiento considerado (únicamente K<>1 en alguna provincia española). C, por el contrario es un parámetro muy relevante y tiene en cuenta la naturaleza de los suelos ( geotecnia) del emplazamiento considerado. Suelos muy duros (roca), o tipo I, donde las ondas sísmicas transversales se propagan a muy alta velocidad, presentan valores C=1. Es decir, no se afecta el espectro normalizado de respuesta. Conforme la calidad geotécnica del suelo desciende (desde roca o suelo duro hasta arenas-arcillas o suelo muy blando), el coeficiente C aumenta hasta alcanzar valores C=2. En estos terrenos, las ondas sísmicas transversales se propagan a menos de 200 m/seg. El resultado es una “deformación” o modificaciones de la forma del espectro que, generalmente suponen incrementos del “efecto amplificatorio” del sismo en la estructura. También el factor de amortiguamiento (5% del critico) habitualmente, puede influir sobre la grafica aunque habitualmente no en exceso (entre el 4 y el 6%) dependiendo del tipo de estructura y la configuración interior (diáfana o compartimentada) de la misma. Finalmente, la “ductilidad”, parámetro de gran relevancia en el calculo del que hablaremos, afectará igualmente al espectro en uno u otro sentido.
He de decir, por si fuera poco, que la propia aceleración de base (ab), recogida de los mapas de peligrosidad sísmica, esta también afectada por el parámetro de suelo (C), y por un parámetro adimensional que mide la “importancia de la edificación”. Este último solo es relevante si se diseña un edificio público de importancia especial. El resultado será una aceleración de calculo (ac), o aceleración sísmica de base corregida. ANAL ISIS MODAL.
Si creía que no se podía complicar mas el asunto se equivocaba. Hasta ahora, se ha manejado la “simplificación” del sistema estructural a un solo grado de libertad (una sola posibilidad de movimiento del edificio u oscilador idealizado). En ese caso, hablábamos de la frecuencia propia o natural del edificio. En realidad, las estructuras son tridimensionales y pueden desplazarse o deformarse en las 3 direcciones del espacio (grados de libertad), además de poder girar respecto a si mismas con varios ejes de rotación diferentes.
Existen varios “modos” o “formas “ en los que una estructura puede vibrar u oscilar frente a una excitación sísmica determinada. Cada modo tiene además una deformada característica y una frecuencia de vibración asociada diferente. En realidad, una estructura sometida a un sismo vibrará según una combinación de diferentes modos de vibración. La extinta norma NCSE-94 solo estudiaba los 3 modos de vibración “fundamentales” de una estructura, pues consideraba que son los más destructivos y que los restantes no tienen influencia practica ninguna. De hecho, el primer modo de vibración coincide con la frecuencia natural o propia del edificio, es decir, aquella a la que se supone que responderá de forma prioritaria. Eso ha cambiado con la actual NCSE-2002 que obliga al menos a estudiar 3 modos de vibración por planta del edificio, siendo habitual superar los 9-12 o 15 para edificios de no demasiadas alturas. Además se estudiarán estos modos tanto en la dirección x como en la y. En general, no se estudian modos de vibración cuyos periodos difieran en menos del 10% respecto al periodo anterior considerado y, para cada uno de ellos, se obtendrán datos de la curva de espectro normalizado (aceleración de respuesta), introduciendo además parámetros adicionales como la “ductilidad “ (µ) de la estructura, factor de distribución de la masa, etc… De este modo, se puede obtener el desplazamiento de cada forjado (planta) frente a la acción sísmica en un determinado modo de vibración. Conocido ese desplazamiento, es fácil relacionarlo con las fuerzas (equivalentes), que “generaría” el seísmo sobre la misma, en cada modo de vibración especifico. Para el dimensionado de elementos estructurales, se obtiene una combinación de las fuerzas sísmicas obtenidas para cada modo de vibración. Al final, resultará una hipótesis de calculo de sismo en dirección x y otra en dirección y, que se combinará con el resto de fuerzas actuantes en la estructura (gravitatorias, sobrecargas), para el calculo de la estructura. En ese caso, y según la normativa española, las hipótesis de sismo no intervienen combinadas con las de viento, ni en situación de incendio. Todavía se podría complicar aun mas el proceso si se incluyen cálculos con efectos de segundo orden, pero esa es otra historia.
RESUMEN
El cálculo modal espectral o dinámico es el de uso mas común y generalizado por las normas sismoresistentes. En esencia, intenta combinar estimaciones estadísticas-históricas, con la teoría de dinámica estructural. Todo el proceso se orienta a la obtención de un conjunto de fuerzas actuantes sobre los forjados o plantas de la edificación. Se trata de fuerzas de componente horizontal (esfuerzos cortantes) que se consideran aplicados en el centro de masas de cada forjado. Estos esfuerzos tendrán que ser resistidos por los pilares, vigas, etc… de la estructura, motivo por el que se introducen entre las hipótesis de cálculo habitual, y se dimensiona cada elemento resistente en correspondencia. En general, el espectro normalizado de respuesta demuestra que las estructuras tienden a “amplificar” la intensidad de las fuerzas sísmicas que las solicitan, (especialmente en un rango determinado de periodos fundamentales de la estructura). Pueden además “deformarse” de diferentes formas y “modos”, graci as a sus capacidades elásticas y de rigidez. Un efecto secundario de “ amplificación de esfuerzos” es el que se presenta en estructuras de planta irregular o con una distribución de rigideces asimétrica. Cuando esto ocurre, (centro de masas del forjado separado a cierta distancia del centro de rigidez), se generan momentos torsores, aparte los cortantes sísmicos antes descritos, que suponen solicitaciones adicionales para los elementos resistentes. El desarrollo de los ordenadores ha posibilitado la simulación del “modelo de sismo” así descrito en cuestión de minutos, ofreciendo además resultados precisos en matera de esfuerzos y desplazamientos. El proyectista puede incluso observar visualmente cómo se deformará su estructura frente a los diferentes modos de vibración y prever cual de las direcciones del edificio es mas débil o “flexible”, adoptando las medidas que considere para corregir estos desequilibrios.
ALGUNA S CONCLUSIONES.PARAMETROS MANEJA BL ES
Un Ingeniero o Arquitecto casi nunca escoge el emplazamiento del edificio a diseñar. El coeficiente de suelo es uno de los parámetros de mayor influencia en la intensidad o magnitud de fuerzas sísmicas equivalentes. Si combinamos un suelo muy blando con una zona de alto riesgo sísmico, probablemente tendremos que hacer frente a solicitaciones muy elevadas que repercutirán en un coste de la estructura mucho mas elevado. Casi nunca, además, podrá escoger la altura (numero de plantas) de la estructura pues esta suele estar regulada por las normas urbanísticas. De poder hacerlo, escogería estructuras cuya frecuencia natural de vibración se aleje de los picos descritos en el espectro de respuesta de la norma. Así evitaría el riesgo de entrada en “resonancia” de la misma. Por ejemplo, los edificios altos (de mayor periodo natural), son más apropiados en emplazamientos de suelos blandos y alejados de las fallas o epicentros de los sismos. Es así porque en tales condiciones un terremoto llega al edificio atenuado por la distancia y con bajas velocidades de propagación (es decir, con periodos de vibración bajos o alejados del natural del edificio), lo que evita el riesgo de entrada en resonancia de la estructura o “amplificación” del valor de aceleración sísmica.
LA DUCTILIDAD
He esperado hasta aquí para hablar del único parámetro realmente “manejable” y de gran influencia en el cálculo sísmico. La ductilidad es un coeficiente que representa la capacidad de una estructura para “absorber” energía sísmica en el rango plástico.
Puede adoptar valores µ=1 (sin ductilidad), hasta µ=4 (muy dúctil). Intentaré explicarme del siguiente modo. ¿Qué cree que es mejor para una estructura en zona sísmica, la flexibilidad o la rigidez?. Una estructura muy flexible puede absorber grandes cantidades de energía en el rango elástico. Después del sismo, quedará intacta y todos sus elementos retornaran a su posición de equilibrio sin romper o deformar. Mostrarse demasiado rígido ante un golpe no es la mejor manera de soportarlo, en cambio, ceder un poco (deformarse) ayudará a amortiguar sus efectos…. Como inconveniente, la estructura se deformará en exceso, tanto que incluso el edificio puede “golpear” al ubicado en su inmediata vecindad o ser golpeado por este. Y no solo eso, si se tienen en cuenta los efectos de 2º orden, aparecen esfuerzos adicionales no previstos sobre las vigas y pilares para los que pueden no estar preparados y den lugar a su rotura. Aunque la NCSE-2002 no limite el desplazamiento horizontal máximo de un edificio, el actual CTE (Código Técnico de la Edificación) sí lo hace, de manera que una excesiva flexibilidad puede incurrir en incumplimiento normativo. Por el contrario, un edificio rígido apenas se deformará frente a la acción del sismo. Las deformaciones se llevarán a cabo casi exclusivamente en el rango plástico (es decir, en una zona peligrosamente cerca del punto de rotura y donde además, son permanentes). Es decir, sea cual sea la deformación (en todo caso mínima o inapreciable) el edificio no se recuperará de la misma y quedará “deformado” y cerca del punto de rotura. Es decir, apto para el derribo. Si además de rígido es poco dúctil (rango plástico muy corto), no soportará ni siquiera un sismo de pequeña magnitud. Si es rígido pero dúctil (rango plástico alargado), podrá absorber una cantidad de energía mayor, aunque después del seísmo quede prácticamente inutilizado. Pues bien, la respuesta a la pregunta del principio es que AMBA S cualidades del edificio son deseables, aunque con matices. Un edificio flexible es deseable para soportar sismos de pequeña o mediana magnitud, y siempre y cuando no exceda los límites normativos de desplazamiento máximo .
Cuando cese el terremoto el edificio quedará intacto. Pero además, el edificio debe presentar un rango plástico muy dúctil que le permita soportar sismos de gran magnitud. En ese caso (gran terremoto), el edificio superará su capacidad de deformación elástica entrando en el rango plástico y, dentro de él, podrá aceptar mucha energía, deformándose antes de romper. Después del terremoto habrá que demolerlo pero se habrá logrado el objetivo de salv ar vidas. En general, no debemos preocuparnos por lograr flexibilidad en las estructuras, es algo a lo que se tiende de forma natural al intentar mantener los costes de edificación controlados (pilares de pequeña sección, vigas planas y forjados de canto reducido, etc…). Más bien es algo que debemos controlar para que no se “desmadre” en cuando a desplazamientos máximos, efectos de 2º orden, etc… Por el contrario, lograr la ductilidad es algo complicado (y costoso), y suele requerir la disposición de elementos “rigidizadores” como pantallas, cruces de san Andres, vigas de cuelgue etc… Pues bien, es aquí donde entra en juego gran parte del “diseño sismoresistente” o conceptual del que hablaré en futuros post. Lo “normal” en zonas de alto riesgo sísmico es no hacer caso de nada de eso. Las tipologías estructurales mas comunes (estructuras de hormigón armado de pórticos rígidos y forjados con vigas planas), es decir, las mas económicas, se consideran poco dúctiles (µ=2).
En vez de buscar tipologías estructurales más dúctiles (y caras), simplemente se mantienen como tales y se someten al cálculo modal espectral. La consecuencia directa es que el software de cálculo estructural buscará la forma de resistir las cargas sísmicas sobrearmando los pilares, vigas y forjados. Es una solución “valida” pues no se incumple la norma y se dimensionan los elementos estructurales para soportar las cargas símicas previsibles. El consumo de acero será muy elevado y la estructura adoptara un comportamiento medio (entre flexible y rígido). El problema (observado en Lorca), es que a veces la norma infravalora la magnitud de un sismo, y en ese caso el edificio puede estar solicitado por fuerzas superiores a las utilizadas en el cálculo, y por tanto tiene muchas probabilidades de colapsar al no disponer de suficiente ductilidad.
En otras ocasiones, resulta casi imposible ejecutar los elementos constructivos pues se les exige tal cantidad de armaduras que son en la práctica inviables. En esos casos…, se hará lo que se pueda, que en resumen equivale a infradimensionar la estructura y el riesgo de colapso en caso de un terremoto severo será muy elevado. Supongo que usted pensará que es un comportamiento ilógico y temerario. Cierto, pero, ¿Cómo convencer a un promotor de que invierta decenas o quizá cientos de miles de euros en prestaciones adicionales para su estructura, si su vecino y competidor nunca hace tal cosa, las OCTs no lo exigen y, de todos modos no es necesario para cumplir la norma?…. Durante la redacción de la NCSE-2002 llegó a plantearse la posibilidad de PROHIBIR las estructuras de vigas planas (poco dúctiles)en zonas de alto riesgo sísmico. Eso no ocurrió, (de hecho la norma es muy poco imperativa en cuestiones de diseño conceptual), no me pregunte porqué, aunque tengo mi opinión.