INFLUENCIA DE LAS ONDAS SISMICAS EN LAS ESTRUCTURAS Y CIMENTACIONES DE EDIFICACIONES JHON MARIO CELEDON ARMENTA FUNDACION UNIVERSITARIA DEL AREA ANDINA FACULTAD DE INGENIERIA VALLEDUPAR, CESAR 2016-2
Resumen
Un sismo produce ondas de diferentes tipos, las cuales se mueven a través de las capas de la tierra, generando una serie de fenómenos de reflexión y refracción iniciando en el foco o hipocentro hasta llegar a la superficie de la tierra lo cual ocasiona daños en las estructuras de las edificaciones, entre las estructuras que más sufren las consecuencias de los sismos se encuentran puentes, carreteras, presas, presa s, todo ello ha generado una serie de d e estudios y acciones que permitan disminuir los efectos que tienen sobre estas estructuras, y como consecuencia reducir la pérdida de vidas humanas. Para el desarrollo de este trabajo se realizó una revisión bibliográfica, a partir de la cual se abordan y describen alternativas de solución tomando como punto de referencia la perspectiva de la ingeniería civil. Palabras clave: sismo, ondas sísmicas, ingeniería civil. Abstract
An earthquake produces waves of different types, which move through the layers of the earth, creating a series of phenomena of reflection and refraction starting in focus or hypocenter to reach the surface of the earth which causes damage building structures, including the structures that suffer most from the consequences of earthquakes bridges, roads, dams are, this has generated a number of studies and actions to reduce the effects on these structures, and consequently reduce loss of human lives. For the development of this work a literature review
was conducted, from which are addressed and describe alternative solutions taking as reference the perspective of civil engineering. Keywords: earthquake, seismic waves, civil engineering. Introducción
Los sismos son considerados como una de las principales fuentes creadoras de cargas dinámicas que ejercen gran impacto sobre las estructuras y sus cimentaciones. Cuando se presenta un sismo la energía liberada produce movimientos del terreno en forma de ondas sísmicas que pueden provocar asientos en las cimentaciones de los edificios, empujes sobre los muros de contención, tumbo de las estructuras y el suelo puede perder su capacidad de soporte. Los efectos de los sismos sobre las estructuras se consideran como unos de los aspectos que implican por la situación de interacción suelo-estructura, disciplinas diversas como el Análisis Estructural, la Mecánica de Suelo y la Ingeniería Sísmica. Objetivos General
Describir los aspectos generales de las ondas sísmicas, su estudio y su aplicación en soluciones a partir desde la perspectiva de la ingeniería civil. Específicos
Exponer qué son las ondas sísmicas, características y su impacto en las estructuras de edificaciones.
Establecer el impacto que generan las ondas sísmicas en las estructuras de las edificaciones.
Examinar las alternativas de soluciones de tipo ingenieril en cuanto al desarrollo de estructuras que soporten las ondas sísmicas que puedan producirse.
Ondas sísmicas
Durante un sismo, la energía se libera en forma de ondas que se desplazan desde el sitio del origen del sismo, el cual se le denomina foco. En consecuencia, las ondas sísmicas se producen en el foco. Las ondas sísmicas originan una sacudida intensa en la superficie de la Tierra, estos sismos pueden colapsar cualquier tipo de estructuras como lo son edificios, puentes y carreteras, entre otros. Según lo que se ha estudiado sobre las ondas sísmicas, se ha determinado que son un tipo de onda elástica fuerte que causa la propagación de perturbaciones temporales del campo de tensiones que provocan pequeños movimientos en las placas tectónicas. Las ondas sísmicas pueden ser producidas por movimientos telúricos naturales, los más grandes de los cuales pueden causar daños en zonas donde hay edificaciones. Actualmente, se le ha dedicado toda una rama de la ciencia llamada sismología, que se ocupa del estudio de esta clase de fenómenos físicos. El estudio de las ondas sísmicas ha permitido su aprovechamiento con otros fines, por ejemplo en la exploración de petróleo y otros combustibles Tipos de ondas sísmicas.
Hay dos clases de ondas sísmicas: las ondas internas (o de cuerpo) y las ondas superficiales. Existen otras formas de propagación de las ondas diferentes, pero son de clase relativamente menor para las ondas originadas en la Tierra, debido a de que son significativas particularmente en la astrosismología, fundamentalmente en la heliosismología. Ondas internas
Las ondas internas son aquellas que se desplazan a través del interior. Recorren caminos curvos debido a la diferente densidad y constitución del interior de la Tierra. Este resultado es similar al de refracción de las ondas de la luz. Las ondas internas transmiten los temblores iniciales de un terremoto pero poseen poco poder destructivo. Las ondas internas se clasifican en dos grupos: ondas primarias (P) y secundarias (S). Ondas P.
Las ondas P (primarias o primae del verbo griego) son ondas longitudinales o compresionales, lo cual se traduce en que el suelo es alternadamente dilatado y comprimido en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente se desplazan a una velocidad 1.73 veces la de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material, ya sea líquido o sólido. Sus velocidades características son de 1450 m/s en el agua y cerca de 5000 m/s en el granito. En un medio isótropo y homogéneo la velocidad de propagación de las ondas P es: donde K es el módulo de compresibilidad, µ es el módulo de corte o rigidez y ρ la densidad del material a través del cual se propaga la onda mecánica. De
estos tres parámetros, la densidad es la que presenta menor variación por lo que la velocidad está principalmente determinada por K y μ.
Ondas P de segunda especie
De acuerdo a lo expuesto en la teoría de Biot, en el caso de medios porosos saturados por un fluido, las perturbaciones sísmicas se propagarán en forma de una onda rotacional
(Onda S) y dos compresionales. Las dos ondas compresionales comúnmente se le señalan como ondas P de primera y segunda especie. Las ondas de presión de primera especie corresponden a un movimiento del fluido y del sólido en fase, mientras que para las ondas de segunda especie el movimiento del sólido y del fluido se produce fuera de fase. Biot expone que las ondas de segunda especie se propagan a velocidades pequeñas que las de primera especie, por lo que se las suele denominar ondas lenta y rápida de Biot, respectivamente. Las ondas lentas son de naturaleza disipativa y su amplitud decae rápidamente con la distancia desde la fuente (Biot, 1962). Ondas S Onda de corte Plana.
Las ondas S (secundarias o secundae) son ondas en las cuales el desplazamiento es transversal a la dirección de propagación. Su velocidad es menor que la de las ondas primarias. Debido a ello, éstas aparecen en el terreno algo después que las primeras. Estas ondas son las que generan las oscilaciones durante el movimiento sísmico y las que causan la mayor cantidad de los daños. Solo se trasladan a través de elementos sólidos. La velocidad de propagación de las ondas S en medios isótropos y homogéneos depende del módulo de corte μ y de la densidad ρ del material.
Ondas Superficiales
Cuando las ondas internas alcanzan a la superficie, se generan las ondas L , que se propagan por la superficie de discontinuidad de la interfase de la superficie terrestre (tierra-aire y tierra-agua). Son las causantes de los daños producidos por los sismos en las construcciones. Estas ondas son las que poseen menor velocidad de propagación a comparación de las otras dos. Oscilaciones libres Se producen exclusivamente por la acción de terremotos de gran intensidad y pueden definirse como vibraciones de la Tierra en su totalidad. (Barbat, ed) Ondas de Love
Las ondas de Love son ondas superficiales que ocasionan un movimiento horizontal de corte en superficie. Se designan así en honor al matemático Augustus Edward Hough Love del Reino Unido, quien desarrolló un modelo matemático de estas ondas en 1911. La velocidad de las ondas Love es un 90% de la velocidad de las ondas S y es levemente mayor a la velocidad de las ondas Rayleigh. Estas ondas solo se propagan por las superficies, es decir, por el límite entre zonas o niveles, por ejemplo la superficie del terreno o la discontinuidad de Mohorovičić. Ondas de Rayleigh
Las ondas Rayleigh (erróneamente llamadas Raleigh), también denominadas ground roll, son ondas superficiales que producen un movimiento elíptico retrógrado del suelo. La existencia de estas ondas fue predicha por John William Strutt, Lord Rayleigh, en 1885. Son ondas más lentas que las ondas internas y su velocidad de propagación es casi un 90% de la velocidad de las ondas S.
Utilidad de las ondas sísmicas
Las ondas sísmicas se utilizan en la exploración petrolífera y son generadas de diferentes formas:
Minisismos generados por dinamita colocada en un pozo creado que pueden variar sólo unas decenas de metros de profundidad.
Minisismos generados con un cable explosivo llamado geoflex.
Minisismos generados por vehículos llamados vibradores, éstos son vehículos de varias toneladas de peso que tienen una plataforma de unos 3 por 4 metros de área, y con un sistema electrónico, eléctrico y mecánico-hidráulico. Aplicaciones del estudio de las ondas sísmicas al desarrollo de soluciones desde la perspectiva de la ingeniería civil.
Torres (2007), en su artículo, Interacción Suelo – Revestimiento de la Sección de un Túnel ante un Evento Sísmico Aplicando el Método Hidrodinámico resume la investigación numérica relevante a la estimación del comportamiento de la estructura de un túnel de sección circular sometido a la acción de un sismo. Para determinar la interacción entre el suelo por donde se desplazan las ondas sísmicas y la estructura del túnel se calculó el estado de esfuerzos por el método hidrodinámico, utilizando el programa de cálculo VOLNA®. Fueron estudiados los niveles de incidencia en el fenómeno de los siguientes siete factores: forma de la onda sísmica, período de vibración de la onda, ángulo de ataque del frente de onda, profundidad de emplazamiento, radio de la sección del túnel, espesor de pared y sobrecarga en superficie. Los resultados obtenidos en esta investigación analítica concuerdan con otras desarrolladas con diferentes métodos de cálculo del efecto sísmico en estructuras subterráneas; por ejemplo, los desarrollos de Fotieva (1980), Wang (1993), Power et al. (1996), Youssef et al. (2001) y Torres
(2004) y mediciones en campo de estructuras subterráneas atacadas por sismos (Masanov et al., 1988). Se puede afirmar que el método hidrodinámico permite calcular, fácilmente y con un buen grado de confiabilidad, el estado de esfuerzos para una estructura subterránea emplazada cerca de la superficie, en un suelo de las características aquí definidas y bajo una fuerte acción sísmica teniendo en cuenta las propiedades físicas no lineales del suelo y de la geometría de la estructura. Finalmente, se concluyó que de los anteriores factores los que más influyen en la reacción estructural del túnel durante el evento sísmico son el período de vibración de la onda sísmica y el espesor de pared del revestimiento. Jurado (2012), en su tesis doctoral se estudian de manera inicial los empujes sísmicos y posibles deslizamientos de muros de contención y se comparan las predicciones de distintos tipos de cálculos: métodos pseudo-estáticos como el de Mononobe-Okabe (1929) con la contribución de Whitman-Liao (1985), y formulaciones analíticas como la desarrollada por Veletsos y Younan (1994). En segundo lugar se estudia el efecto del comportamiento no lineal del terreno en las rigideces de una losa de cimentación superficial y circular, como la correspondiente a la chimenea de una Central Térmica o al edificio del reactor de una Central Nuclear, considerando su variación con frecuencia y con el nivel de cargas. Finalmente se estudian los posibles deslizamientos y separación de las losas de estas dos estructuras bajo la acción de terremotos, siguiendo la formulación propuesta por Wolf (1988). Para estos estudios se desarrollaron una serie de programas específicos (MUROSIS, VELETSOS, INTESES y SEPARSE). Ureña, et al. (2011), en su artículo Estudio de la estabilidad y dispersión del problema de propagación de ondas sísmicas en 2-D utilizando el método de diferencias finitas generalizadas muestra la resolución del problema de propagación de ondas sísmicas en 2-D, mediante la utilización de esquemas explícitos en diferencias finitas generalizadas (GFD), lo que permite la
utilización de mallas regulares e irregulares, puesto que se utilizó un método explícito, fue necesario obtener la condición de estabilidad, lo que se realizó mediante un análisis de von Neumann. También se obtuvieron las relaciones de dispersión en la estrella de las velocidades de fase para las ondas P y S, así como las de las velocidades de grupo. Dada la importancia que en la aplicación del método tiene el control sobre la irregularidad de la malla, se definieron unos índices de irregularidad para la estrella (IIS) y la malla (IIC), analizándose su relación con la dispersión y el paso de tiempo utilizado en los cálculos. Se analizó la dispersión y se relacionó con la irregularidad de la estrella utilizando el índice de irregularidad de la malla. La utilización de mallas irregulares, según la geometría del problema, puede suponer dispersiones elevadas en algunas estrellas, lo cual va asociado con valores peque os del IIC y un menor paso de tiempo. En este caso se puede aumentar el IIC , y por tanto, el paso del tiempo y disminuir las dispersiones, realizando una redefinición de la malla, para lo que se puede utilizar un proceso adaptativo como el presentado por los autores en su trabajo denominado un método h-adaptativo en las diferencias finitas generalizadas. Por último es fácil ver como el error aumenta al disminuir el número de puntos de la discretización por longitud de onda, apreciándose que hasta el orden de diez puntos por longitud de onda se obtienen errores generalmente admisibles inferiores al 10%. Tena, et al. (2012), en su artículo Impacto de la disposición de vigas secundarias en losas perimetralmente apoyadas en el comportamiento sísmico de edificios diseñados con base en marcos de concreto reforzado se presentan y comparan los resultados de un estudio realizado en diferentes diseños hechos para un edificio regular de 15 pisos con base en marcos de concreto reforzado, diseñados con factores de comportamiento sísmico Q=2, Q=3 y Q=4, utilizando los criterios de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo vigentes (NTCS-
2004) del Reglamento del Distrito Federal de México. Una variable importante en el diseño de los edificios fue el sistema de piso. Los resultados de los análisis dinámicos no lineales demuestran que el comportamiento sísmico de los modelos diseñados con losas perimetralmente apoyadas que cuentan con vigas secundarias en ambas direcciones es más balanceado en sus demandas inelásticas que en los modelos donde se disponen vigas secundarias en una sola dirección. Con base en este estudio, se puede recomendar que, cada vez que sea posible, es mejor práctica utilizar sistemas de piso que distribuyan más uniformemente las cargas verticales y que trabajen como diafragmas rígidos en ambas direcciones ortogonales para garantizar un desempeño sísmico más balanceado del edificio en ambas direcciones ortogonales. Quispe y Rondón. (2012) en su trabajo Propuesta integral de reforzamiento para edificaciones de adobe. Aplicación al caso de un local escolar de adobe en la provincia de Yauyos, se presenta una propuesta integral de reforzamiento para edificaciones existentes de adobe. Con esta propuesta se pretende que la solución adoptada sea adecuada y segura para la población beneficiada. De esta manera, se espera que la posibilidad de réplica sea mayor por parte de los pobladores en sus propias construcciones de adobe. Dicha solución integral de reforzamiento se aplicó al caso de un local escolar existente de adobe de la comunidad de Chocos, Provincia de Yauyos. Primero, se hizo un análisis comparativo entre dos alternativas de reforzamiento para edificaciones existentes de adobe: Geomalla y Malla Electrosoldada, seleccionándose la mejor. Segundo, se hizo el análisis y diseño de los elementos estructurales de refuerzo de la mejor alternativa. Tercero, se presentó la propuesta de reforzamiento y se capacitó a los pobladores. En la etapa de selección, se escogió la alternativa de la geomalla dado que tenía varios factores a favor. En la etapa del diseño del reforzamiento se realizó los respectivos cálculos, y de estos análisis se elaboraron planos constructivos de diseño coherente y factible. En la etapa de la
capacitación se mostró las posibles fallas y problemas que se presentan en construcciones de tierra frente a los sismos y sus soluciones. Durante la capacitación, los pobladores, tal como se puede apreciar en los videos, demostraron su potencialidad de diagnosticar fallas y problemas en sus propias edificaciones. Además dieron soluciones prácticas para corregir dichas deficiencias. A partir de esta experiencia se espera que el reforzamiento sea replicado en sus propias viviendas y en comunidades aledañas. Carmona y Rosas (2015), en su trabajo Análisis Comparativo del Comportamiento Sísmico Dinámico del diseño normativo sismo-resistente de un sistema dual frente al modelo con aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR) de un sistema aporticado, del Edificio de Oficinas Schell de seis pisos ubicado en la Provincia de Lima – Perú, en el cual realizan un análisis comparativo y diseño estructural utilizando aisladores sísmicos en la base (elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR)) para estudiar el comportamiento estructural de un edificio de oficinas contra un sistema dual bajo un criterio normativo sismo-resistente, utilizando un modelo sísmico mediante el programa de modelación estructural SAP2000, el cual nos proporcionó resultados necesarios para elegir el mejor modelo ante un evento sísmico. Según los resultados obtenidos con el diseño normativo sismo-resistente de un sistema dual y el modelo con aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR) de un sistema aporticado. Se pudo concluir que en el sistema aislado ocurren menores desplazamientos horizontales relativos de entrepiso, lo cual ayudará a un mejor comportamiento de la estructura; al utilizar los aisladores de base, se obtienen mayores periodos de la estructura, por lo tanto, menores aceleraciones y como consecuencia las fuerzas sísmicas disminuirán. Lo cual contribuirá a menores demandas de diseño. - Las fuerzas axiales máximas, disminuye en promedio un 49% aproximadamente, en el Sistema Aislado; las fuerzas cortantes máximas, disminuye en promedio un 37%
aproximadamente, en el Sistema Aislado; los momentos flectores máximos, disminuye en promedio un 29% aproximadamente, en el Sistema Aislad. DISEÑO METODOLOGICO
La metodología que se utilizó en el desarrollo de este trabajo de investigación, se puede destacar entre ellas: investigaciones literarias acerca de ondas sísmicas, impacto de las ondas sísmicas en los procesos de construcción de edificaciones, en donde se encontró gran cantidad de información relacionada con la temática, para ello, se hizo una recopilación, de tal manera se pudiera crear y unificar un buen criterio. Para este estudio se tuvieron en cuenta la ayuda de material de apoyo tanto virtual cono físico para obtener mejores resultados y garantizar la veracidad de la información. Esta investigación tuvo como finalidad ampliar los conocimientos teóricos sobre cómo se presentan las ondas sísmicas, sus características, describiendo específicamente la aplicación práctica en la ingeniería civil. CONCLUSIONES
A partir del estudio de sismos, la ingeniera civil ofrece múltiples alternativas de solución frente a las consecuencias y disminuir los efectos que acarrean los sismos en las distintas estructuras y edificaciones, por lo tanto, es conveniente analizar cuáles son las que se adecuan al tipo de construcción con fin de reducir las pérdidas de vidas humanas y reducir los costos materiales. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Barbat, A. (ed.). Monografías de Ingeniería Sísmica. Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería, Instituto Andalúz de Geofísica y Prevención de Desastres Sísmicas.
Biot, M. A. (1962). Mechanics of Deformation and Acoustic Propagation in Porous Media. Journal of Applied Physics. Carmona, P.; Rosas, A. (2015), Análisis Comparativo del Comportamiento Sísmico Dinámico del diseño normativo sismo-resistente de un sistema dual frente al modelo con aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR) de un sistema aporticado, del Edificio de Oficinas Schell de seis pisos ubicado en la Provincia de Lima – Perú. Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas. Fotieva N.N. (1980). Cálculo del refuerzo de construcciones subterráneas en zonas activamente sísmicas. Moscú: Editorial Nedra. Jurado, C. (2012). Problemas de interacción suelo estructura en cimentaciones y muros de contención. Influencia de los fenómenos de despegue y deslizamiento. Tesis Doctoral. E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). Masanov LL., Baymakhanov, I. B. y Makhmetova N.M. (1988). Reacción de una estación de metro en un suelo no homogéneo bajo acción sísmica. Mecánica de construcciones subterráneas. Tula. Onda sísmica. Consultado el 15 de Octubre de 2016. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_s%C3%ADsmica#cite_ref-1 Power, M., Rosidi, D. y Kaneshiro, J. (1998) “Seismic vulnerability of tunnels-revisited”.
Ozedimir, L., (ed.). Proceedings of the North American Tunneling Conference. USA.: Elsevier, Long Beach, CA.
Quispe, J.; Rondón, S. (2012), Propuesta integral de reforzamiento para edificaciones de adobe. Aplicación al caso de un local escolar de adobe en la provincia de Yauyos. Pontificia Universidad Católica del Perú. Facultad de Ciencias e Ingeniería. Perú. Tena, A.; Gatica, G.; Urbina, L.; Torres, L. (2012), Impacto de la disposición de vigas secundarias en losas perimetralmente apoyadas en el comportamiento sísmico de edificios diseñados con base en marcos de concreto reforzado. Revista internacional de Ingeniería de Estructuras, Vol. 17. Torres. A. (2007). Interacción Suelo – Revestimiento de la Sección de un Túnel ante un Evento Sísmico Aplicando el Método Hidrodinámico. Revista Épsilon Nº 8: 71-88. ISSN 16921259, ISSN-e 2389-8828 Torres, P. (2004). Consideraciones de la respuesta de túneles profundos construidos en suelos blandos ante un evento sísmico. Revista Asociación de ingenieros civiles de la Universidad Nacional de Colombia. Ureña, F.; Benito, J.; Gavete, J.; Salete, E.; Casasús, A. (2011). Estudio de la estabilidad y dispersión del problema de propagación de ondas sísmicas en 2-D utilizando el método de diferencias finitas generalizadas. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería. Volumen 27 Wang, J.-N. (1993), Seismic Design of Tunnels: A State of the Art Approach, monograph 7. Parsons, Brinckerhoff, Quade and Douglas Inc, New Cork. Youssef M.A. Hooka J.J., Schmidtb B. y Chiang Yaoa J. I. (2001). Seismic design and analysis of underground structures”. Tunnelling and Underground Space Technology.
