Apuntes De Clase Ingeniería Antisísmica.pdf

APUNTES DEL CURSO INGENIERÍA ANTISÍSMICA

INGENIERÍA ANTISÍSMICA 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, los eventos sísmicos son uno de los fenómenos naturales más frecuentes y responsables del mayor daño en la infraestructura. Los sismos se han convertido a lo largo de la historia en un tema que involucra a la humanidad en sus diferentes dimensiones (sociales, económicas, religiosas, culturales, etc), generando espacios para la investigación y el estudio de alternativas que permitan disminuir su impacto y sus consecuencias. La comunidad científica todavía no ha encontrado la forma de predecir eventos sísmicos, pero si se han desarrollado metodologías que nos permitan estimar la vulnerabilidad y riesgo sísmico de una región. Muchos de estos trabajos hacen uso de nuevas tecnologías gracias a los avances principalmente de los ordenadores. El diseño actual sismorresistente de estructuras está basado en una combinación de resistencia y ductilidad. Para pequeñas demandas sísmicas, se espera que la estructura permanezca en el rango elástico, con todos los esfuerzos bajos los niveles de fluencia. Así mismo, no es razonable esperar que una estructura tradicional responda elásticamente a un sismo muy raro. Es sabido que el diseño utilizado por los ingenieros estructurales está basado en la ductilidad inherente de los edificios para prevenir fallas catastróficas, mientras que se acepta un determinado nivel de daño estructural y no estructural. Esta filosofía ha sido implementada en los códigos de diseño, ya sea en los métodos de diseño por fuerza lateral o diseño por espectro de respuesta. Existen hoy en día avances para mejorar el desempeño en la respuesta sísmica y el control de daño en los edificios. Estos avances pueden estar divididos en tres grupos: sistemas pasivos, tales como aislamiento en la base y dispositivos suplementarios de disipación de energía; sistemas activos, los cuales requieren la participación activa de dispositivos mecánicos cuyas características están hechas para cambiar durante la respuesta sísmica basándose en medidas de respuesta; y sistemas híbridos, los cuales combinan los sistemas pasivos y activos en una manera tal que la seguridad del edificio no esté comprometida incluso si el sistema activo fallase. Los sistemas pasivos de disipación de energía constituyen una alternativa para reducir las demandas sísmicas sobre las edificaciones. En los edificios aporticados estos dispositivos suelen ser muy efectivos para el control de la deriva y la reducción de las solicitaciones internas en los elementos; En los últimos años ésta tecnología ha ido incrementando su roll importante en el diseño estructural de edificaciones importantes. En los años recientes, serios esfuerzos se han realizado para desarrollar el concepto de disipación de energía o amortiguamiento suplementario dentro de una tecnología trabajable, y un número de estos dispositivos han sido instalados en estructuras en varias partes del mundo

2. MARCO TEÓRICO 2.1.1

ORIGEN DE LOS SISMOS Aguiar (2008) indica que “Para entender el origen de los sismos, es necesario hablar sobre: deriva continental, la composición de la tierra y placas tectónicas y las micro placas” (p. 1). 2.1.1.1

Deriva Continental. Hace muchos millones de años todos los continentes estaban unidos en una sola masa, a la que se denominó Pangea, también llamada Pangaea. El único océano que le rodeaba era el Panthalassa (Aguiar, 2008).

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Figura 2.1. Pangea y el océano de Panthalasa Fuente: http://www.rci.rutgers.edu Esta masa empezó a moverse en forma lenta y se fue rompiendo. La primera rotura se dio en el área de Groenlandia cuando se separa de Europa. Esta rotura originó dos continentes denominados Laurasia y Gondwana (Aguiar, 2008).

Figura 2.2. Formación de Laurasia y Gondwana Fuente: http://www.zmescience.com Esta rotura denominada “Teoría de la deriva de los continentes”, se da en los perfiles que tienen los continentes actualmente, los mismos que se han desplazado y rotado, pero este movimiento continúa (Aguiar, 2008). 2.1.1.2

Composición de la tierra Los continentes se han movido en forma muy lenta desde tiempos muy remotos y actualmente continúan moviéndose. Para entender esto, es necesario analizar la composición de la tierra, la misma que tiene un radio que está alrededor de los 6400 Km. En el centro se tiene un núcleo interno que es sólido pero el material que lo recubre es líquido y finalmente se tiene la corteza terrestre que es sólida, la misma que tiene

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un espesor variable. Es importante destacar que la corteza terrestre se encuentra sobre un manto líquido y que es más pequeña bajo el mar y más ancha bajo las montañas, todo ello con relación al grosor de la corteza en el resto del mundo (Aguiar, 2008). El centro de la tierra está compuesto por materiales y minerales a muy altas temperaturas, es una gran fuente de calor sobre la que se halla el manto líquido, cuyo material está en continuo movimiento, el material de abajo, sube y el material de arriba baja. A esta hipótesis se denomina corriente de convección y es la causa para que los continentes continúen moviéndose en diferentes direcciones (Aguiar, 2008). 2.1.1.3

Placas tectónicas El origen de la mayoría de los sismos es explicado satisfactoriamente por la teoría de la tectónica de placas. La idea básica es que la corteza terrestre, la litosfera, está compuesta por un mosaico de doce o más bloques grandes y rígidos llamados placas, que se mueven uno respecto de otro (Goytia & Villanueva, 2001). La corteza terrestre se encuentra dividida en seis placas continentales (África, América, Antártida, Australia, Europa y la placa del Pacífico), y cerca de catorce placas subcontinentales (placa de Nazca, del Caribe, etc.)

Figura 2.3. Principales placas tectónicas del planeta Fuente: http://www.brasilviajesturismo.com El movimiento de las placas se basa en el equilibrio térmico de los materiales que componen la Tierra. Nuestro planeta se formó por la unión de meteoritos. El incremento en la masa ha aumentado la radioactividad. Consecuentemente, el planeta se ha calentado y su núcleo crece a costa de la fusión del manto. La parte superior del manto, que está en contacto con la corteza, se encuentra a una temperatura relativamente baja, mientras que la parte inferior que está en contacto con el núcleo a una temperatura mucho más alta. Es evidente que el material caliente (en las profundidades) posee una densidad menor al material frío (cerca de la corteza), lo que hace que tienda a subir, mientras que el material de la superficie

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una vez frío tiende a bajar por la acción dela gravedad. Este proceso cíclico se denomina convección (Goytia & Villanueva, 2001). Las corrientes convectivas generan esfuerzos de corte en la base de las placas, provocando su movimiento en distintas direcciones. Las placas se mueven libremente con respecto a la Astenósfera subyacente, y también pueden moverse una con respecto de la otra de tres formas: a) Una placa se desliza pasando frente a la otra a lo largo de su margen b) Dos placas se mueven alejándose mutuamente c) Dos placas se mueven de tal forma que una se desliza por debajo de la otra. El primero de estos movimientos tiene su expresión en la superficie de la tierra, como sucede en la falla de San Andrés. El segundo tipo de movimiento da origen a los lomos oceánicos. El tercero tiene su acción en las profundas trincheras oceánicas donde el borde de una placa se mueve por debajo de la otra, este proceso se conoce como subducción (Goytia & Villanueva, 2001).

Figura 2.4. (a) Zona de expansión, (b) subducción Fuente: Goytia & Villanueva, 2001, p. 4 La formación de nuevo piso oceánico en los lomos de expansión implica la separación de los continentes aumentando de esta manera el área del piso oceánico. Este aumento es equilibrado por la destrucción de la placa por medio de la subducción cuando la corteza oceánica es transportada al manto, en donde se consume (Goytia & Villanueva, 2001). 2.1.2

ONDAS SÍSMICAS La repentina liberación de energía en el foco o hipocentro del sismo, cuando este ocurre, se propaga en forma de ondas o vibraciones elásticas de deformación. Se asume que las deformaciones generadas por el paso de una onda son elásticas, de esta manera, las velocidades de propagación son determinadas sobre la base del módulo elástico y la densidad de los materiales a través de los cuales viaja la onda. Las ondas sísmicas se clasifican según su naturaleza en ondas de cuerpo y ondas de superficie (Goytia & Villanueva, 2001).

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2.1.2.1

Ondas internas o de cuerpo Son las que se propagan en el interior de la tierra; estas pueden ser:  Primarias u ondas P: las que hacen vibrar una partícula en el sentido de la propagación de la onda, originando compresión y dilatación en el medio por el cual se desplazan. Cuando estas ondas alcanzan la superficie de la Tierra, parte de ellas se transforma en ondas sonoras.  Ondas secundarias u ondas S: son las que hacen vibrar las partículas en forma horizontal, perpendicular a la dirección de propagación, produciendo esfuerzos de corte en el medio en el que se desplazan. Por las características de estas ondas, ellas se disipan en un medio líquido, porque como es sabido, estos no soportan esfuerzos de corte. Las ondas P se propagan con velocidades mayores que las ondas S. Estas velocidades de propagación dependen fundamentalmente de la densidad y elasticidad del medio en que se desplazan.

2.1.2.2

Ondas superficiales Son las originadas por las ondas S, que se transmiten en la superficie de la tierra, hasta profundidades de 30 km, estas se clasifican por su forma en:  Ondas Rayleigh: las partículas se desplazan sobre un plano en dirección de la trayectoria de las ondas con un movimiento elíptico horizontal y vertical simultáneamente (como las olas del mar).  Ondas Love: hacen que el terreno se desplace en sentido perpendicular a la dirección del movimiento vertical. Por la forma de movimiento de las ondas (P & S) a través de los estratos de la Tierra, estas pueden ser reflejadas o refractadas entre las diferentes densidades de material del suelo, razón por la cual se presenta una amplificación del movimiento en la superficie del suelo.

2.1.3

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y REGISTROS SÍSMICOS Dependiendo del tipo de instrumento utilizado, se puede obtener el desplazamiento, velocidad o aceleración del suelo; lo cual está determinado por el rango útil de frecuencias a medir (ω), respecto de la frecuencia natural del instrumento (ωn). 2.1.3.1

Sismómetro Aparato que mide o registra las amplitudes de onda (si ωn<ω), los sismogramas permiten localizar el epicentro de un sismo y calcular su magnitud. Midiendo la amplitud máxima del registro y calculando la diferencia entre los tiempos de llegada de las ondas S y P, con ayuda de fórmulas sencillas, se obtiene la magnitud del sismo y con un mínimo de tres instrumentos colocados en diferentes lugares, por triangulaciones, se puede localizar el epicentro.

2.1.3.2

Acelerómetro Conocidos como sismógrafos de movimiento fuerte, se diseñan para registrar directamente aceleraciones (si ωn>ω), del suelo cercano y producen un registro conocido como acelerograma. Los instrumentos se orientan de tal forma que registran la aceleración del suelo en función del tiempo para tres direcciones o componentes normales. El análisis sísmico requiere la digitalización numérica de acelerogramas; es decir convertir el registro en una serie de datos de aceleración – tiempo. Los acelerogramas dan una información directa del movimiento sísmico, especialmente apta para estimar la respuesta de las estructuras y edificios. La aceleración como medida instrumental de la intensidad se ha constituido así en el parámetro base para el análisis estructural sísmico (Goytia & Villanueva, 2001).

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2.1.4

SISMICIDAD EN EL PERÚ La colisión de la placa de Nazca (corteza oceánica) con el borde Oeste de Sudamérica (corteza continental), ha dado origen a la evolución de la Cordillera de los Andes, a la ocurrencia de importante actividad volcánica y a la formación de un gran número de fallas geológicas. En general, la placa de Nazca se desplaza a una velocidad de 8-10 cm/año en dirección NE, siendo una de las placas de mayor velocidad en el mundo. En general, los sismos ocurren principalmente en las zonas de interacción de placas, siendo en mayor número en las zonas de subducción. Las zonas sísmicas se pueden clasificar de la siguiente manera: a) Círculo Circum-pacífico o Cinturón de fuego: Es la zona más activa del mundo y tiene una extensión de 40000 Km, comprende toda la parte oeste del continente americano (desde Alaska hasta el sur de Chile) y desde la parte norte de Japón, Indonesia, Nueva Zelanda, hasta las islas Fiji y Honda al sur. b) Zona sísmica transasiática: Se extiende desde las islas Azores, al sur de España, pasa por Italia, Grecia, Turquía y Persia, y llega hasta el Himalaya y el norte de la India y China. c) Rifts Oceánico Indo Atlántico e Indo Antártico El Océano Atlántico y el Océano Indico están divididos por grietas de confluencia de placas tectónicas que producen sismos superficiales de magnitud moderada.

Figura 2.5. Circulo Circum - Pacifico Fuente: http://www.wilkipedia.org El Perú se encuentra ubicado en el Cinturón de Fuego del Pacífico, esta región es la de mayor actividad sísmica y volcánica del planeta. La actividad sísmica de esta zona está ligada al proceso de Subducción de la Placa de Nazca bajo la Placa Sudamérica.

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Figura 2.6. Cinturón de fuego y placas tectónicas Fuente: http://www.wilkipedia.org El terremoto más destructivo en la historia peruana se produjo en mayo de 1970. El más grande terremoto fue el de 1746. De 3 000 casas existentes en la ciudad, sólo quedaron 25 en pie. En el puerto del Callao, debido al tsunami ocurrido después del sismo, de un total de 4000 personas sólo sobrevivieron 200. Otro terremoto importante ocurrió en 1940, de 8,2 grados Richter, causó 179 muertos y 3 500 heridos.

Figura 2.7. Mapa de sismos ocurridos en el Perú Fuente: Centro de Estudios y Prevención de Desastres

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A continuación se muestra un cuadro resumen con los sismos peruanos más representativos. Tabla 2.1 Sismos peruanos más representativos FECHA

EPICENTRO

REGIÓN

22/01/1582

Arequipa

09/07/1586

MAGNITUD MAGNITUD

PERDIDAS

Richter

Mercalli M.

Arequipa

8.10

IX

30 Vidas

Océano Pacifico

Lima

8.60

-

22 Vidas

19/02/1600

Omate

Arequipa

7.80

-

4000 Vidas

24/11/1604

Arequipa

Arequipa

7.80

VIII

23 Vidas

19/10/1609

Océano Pacifico

Lima

7.50

-

200 Vidas

14/02/1619

Trujillo

La Libertad

8.40

-

5000 Vidas

12/05/1650

Cusco

Cusco

7.70

-

5000 Vidas

20/10/1687

Océano Pacifico

Lima

8.40

-

1541 Vidas

17/09/1707

Cusco

Cusco

7.00

-

50 Vidas

06/02/1716

Torata

Moquegua

8.00

-

Varias

28/10/1746

Océano Pacifico

Lima

8.80

-

20000 Vidas

13/05/1784

Arequipa

Arequipa

8.40

VII

54 Vidas

30/03/1813

Ica

Ica

7.00

-

32 Vidas

10/07/1821

Camana

Arequipa

7.90

VII

162 Vidas

30/03/1828

Océano Pacifico

Lima

7.90

-

30 Vidas

13/08/1868

Arica

Moquegua

8.60

XI

150 Vidas

12/12/1908

Ancash - Lima

Costa central

8.20

-

10 Vidas

24/08/1942

Ica - Arequipa

Arequipa

8.40

V

30 Vidas

10/11/1946

Sihua

Ancash

7.30

-

2500 Vidas

01/11/1947

Satipo

Junín

7.70

-

2233 Vidas

11/05/1948

Moquegua

Sur

7.40

-

178 Vidas

21/05/1950

Cusco

Cusco

6.80

-

1581 Vidas

15/01/1958

Arequipa

Arequipa

6.20

VIII

28 Vidas

13/01/1960

Arequipa

Sur

7.50

-

687 Vidas

17/10/1966

Huacho

Lima

8.1

-

100000 Vidas

05/04/1966

Cusco

Cusco

5.80

-

27 Vidas

31/05/1970

Huaylas

Ancash

7.80

-

67000 Vidas

09/12/1970

Tumbes

Piura – Tumb.

7.20

-

48 Vidas

03/10/1974

Lima

Lima

8.10

-

252 Vidas

16/02/1979

Arequipa

Arequipa

6.20

VII

10 Vidas

06/04/1986

Cusco

Cusco

5.30

-

153 Vidas

23/07/1988

Arequipa

Arequipa

6.20

-

12 Vidas

29/05/1990

San Martin

Norte

6.40

-

12 Vidas

04/04/1991

San Martin

Norte

6.20

-

53 Vidas

12/11/1996

Ica

Nazca

7.70

-

20 Vidas

23/06/2001

Arequipa

Sur

8.40

-

310 Vidas

25/09/2005

Lamas

San Martin

7.50

-

10 Vidas

15/08/2007

Pisco e Ica

Pisco e Ica

8.00

-

596 Vidas

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HUMANAS

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2.1.5

EFECTOS DE LOS TERREMOTOS EN CENTROS DE SALUD A continuación se muestra un cuadro de daños registrados en los países sísmicos. Tabla 2.2 Efectos de los terremotos en centros de salud Identificación Fecha Magnitud Efectos generales evento Tres hospitales sufrieron daños severos y no pudieron operar normalmente cuando más se les necesitaba. Aun más, la mayoría de las víctimas se presentaron en dos de los hospitales que se San Fernando, 1971 6.4 derrumbaron. El hospital Olive View tuvo que ser California demolido. Se reconstruyo en forma tradicional, por lo que nuevamente sufrió daños graves no estructurales en el terremoto de 1974, impidiendo su funcionamiento. Managua, Nicaragua

1972

7.2

El hospital General resulto severamente dañado. Fue evacuado y posteriormente demolido

Guatemala, Guatemala

1976

7.5

Varios hospitales fueron evacuados

Popayán, Colombia

1983

5.5

Daños e interrupción de servicios en el hospital Universitario San José.

Chile

1985

7.8

79 hospitales y centros de salud resultaron dañados o destruidos. 3271 camas quedaron fuera de servicio

6.2

Se perdió algo más del 10% del total de camas de la ciudad. De 10 instalaciones afectadas, una tuvo que ser evacuada y dos fueron posteriormente demolidas.

8.1

Colapso estructural de cinco hospitales y daños mayores en otros 22. Al menos 11 instalaciones evacuadas. Pérdidas directas estimadas en US$ 640 millones. Los hospitales más seriamente dañados fueron el Centro Médico Nacional del Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS), el hospital General y el hospital Benito Juárez. Los sismos produjeron un déficit súbito de 5289 camas; en el hospital General murieron 295 personas y en el Juárez 561, entre las que se encontraban pacientes, médicos, enfermeras, personal administrativo, visitantes y recién nacidos.

5.4

2000 camas perdidas, mas de 11 instalaciones hospitalarias afectadas: 10 desalojadas y una evacuada permanentemente. Se estimaron daños por US$ 97 millones.

6.2

Daños no estructurales moderados en el hospital Velasco Ibarra (120 camas): agrietamiento de varias paredes, ruptura de vidrios, caída de techos, desperfecto en el sistema de ascensores y daños en algunas tuberías para conducción de oxigeno y de agua, obligando a la suspensión de sus servicios y la evacuación de las instalaciones.

Mendoza, Argentina

México, D.F., México

San Salvador, El Salvador

Tena, Ecuador

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1985

1985

1986

1995

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Aiquile, Bolivia

1998

6.8

El hospital Carmen López resulto gravemente dañado

Armenia, Colombia

1999

5.8

El terremoto causo daños en 61 instalaciones de salud.

El Salvador

2001

7.6

1917 camas hospitalarias (39.1% de la capacidad del país) fuera de operación. El hospital San Rafael, severamente dañado, continuó parcialmente su función en el exterior del edificio. El hospital Rosales perdió su capacidad de atención quirúrgica. Los hospitales San Juan de Dios de San Miguel, Santa Teresa de Zacatecoluca y San Pedro de Usulutan, severamente dañados, continuaron su operación solo parcialmente en los exteriores. El hospital de Oncología tuvo que ser evacuado completamente.

Perú

2001

6.9

7 Hospitales, 80 centros de salud y 150 puestos de salud resultaron afectados en los departamentos de Arequipa, Moquegua, Tacna y Ayacucho

Fuente: Adaptación de Boroschek & Retamales, 2004, p. 16-17 2.1.6

NORMATIVIDAD SÍSMICA DE EDIFICACIONES PERUANAS Los códigos, normalmente presentan los estudios de peligrosidad sísmica para el Sismo Severo. En que se indica las zonificaciones sísmicas para una vida útil de 50 años y con una probabilidad de excedencia del 10%. La norma técnica E.030 de diseño Sismorresistente tiene como principio y filosofía tres puntos importantes:  Evitar pérdidas humanas  Asegurar que los servicios básicos del edificio sigan en funcionamiento  Minimizar los daños a la propiedad Se reconoce que construir una edificación cien por ciento antisísmica no es económicamente factible para la mayoría de las estructuras. En concordancia con la filosofía, mencionada líneas arriba, en la norma E.030 se establecen los siguientes principios.  En primer lugar, se debe considerar que ante la presencia de un sismo leve, la edificación no debería sufrir ningún tipo de daño.  En segundo lugar, las edificaciones ante la presencia de un sismo moderado deben ser capaces de soportarlo. Sin embargo, estas edificaciones pueden sufrir daños que estén en un rango normal dentro de su vida útil.  Por último, las edificaciones en presencia de sismos severos no deben colapsar ni causar daño a las personas que se encuentren en la edificación

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Tabla 2.3 Normas sísmicas de ciertos países americanos PAÍS

NORMA

Chile

NCH 433-96

DESCRIPCIÓN Construcciones sismorresistentes de C°A° Diseño sismorresistente Proyecto de estructuras resistentes a sismos Diseño sísmico de edificios

Argentina

INPRES-CIRSOC 103

Bolivia

NBDS-2006

Brasil

NBR 15421-2006

Colombia

NSR-10

Construcciones sismorresistentes

Costa Rica

Código Sísmico de Costa Rica - 2010

Ecuador

NEC-SE-DS

EE.UU

Perú

IBC-2009 MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES E.030-2016

Venezuela

COVENIN 1736-2001

México

2.1.7

Diseño sísmico de edificios Diseño sismorresistente International Building Code Comisión Federal de Electricidad Diseño sismorresistente Edificaciones sismorresistentes

CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL CONVENCIONAL Mientras más compleja es la estructura, más difícil resulta predecir su comportamiento sísmico, por ello lo ideal es que la estructura sea lo más simple y sencilla de manera que la idealización necesaria para su análisis sísmico sea lo más real posible. También debe evitarse que los elementos no estructurales distorsionen la distribución de fuerzas consideradas, pues generan fuerzas en elementos que no fueron diseñadas para esas condiciones. Por ello es recomendable seguir los siguientes criterios para la estructuración del edificio. 2.1.7.1

Simetría y simplicidad La estructuras simples se comportan mejor durante los sismos y esto se debe a que nuestra habilidad para predecir e idealizar el comportamiento de estructuras simples es mayor, a la vez la simetría en las dos direcciones de la estructura es recomendable para evitar los efectos torsionales (Blanco, 1994).

2.1.7.2

Resistencia y ductilidad Las estructuras deben tener resistencia sísmica adecuada en todas las direcciones, es decir se debe asegurar que existan por lo menos dos direcciones ortogonales donde la resistencia sísmica garantice la estabilidad de la estructura (Blanco, 1994). Se le debe conferir a la estructura una resistencia inferior a la máxima necesaria, debiendo complementarse el saldo con una adecuada ductilidad para que ingrese en una etapa plástica sin llegar a la falla. La ductilidad depende de la carga aplicada al elemento. Este efecto actúa en forma diferente según el tipo de material constituyente. Si es concreto armado, un aumento de la carga se traduce en un aumento de la resistencia con la disminución de la ductilidad (Blanco, 1994).

2.1.7.3

Hiperestaticidad y monolitismo Toda estructura debe tener una disposición hiperestática de tal manera de lograr una mayor capacidad resistente al permitir que al formarse las rotulas plásticas se disipe mejor la energía sísmica. Si el sistema de resistencia sísmica no fuera hiperestático, es necesario tener en cuenta el efecto adverso que implicaría la falla de uno de los elementos o conexiones en la estabilidad de la estructura (Blanco, 1994).

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2.1.7.4

Uniformidad y continuidad de la estructura La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación con elementos que no cambien bruscamente de rigidez, de manera de evitar concentraciones de esfuerzos (Blanco, 1994).

2.1.7.5

Rigidez lateral Las estructuras deben ser provistas de la suficiente cantidad de elementos estructurales que aporten rigidez lateral en sus direcciones principales, para ser capaces de resistir fuerzas horizontales sin tener deformaciones importantes.

2.1.7.6

Existencia de diafragmas rígidos Se debe considerar como hipótesis la existencia de una losa rígida en el plano de la estructura, que permita la idealización de esta como una unidad donde las fuerzas horizontales puedan distribuirse en los elementos verticales (placas y columnas) de acuerdo a su rigidez lateral. Debe evitarse losas con grandes aberturas y/o alargadas en planta pues ello implicará la disminución de la rigidez de las mismas.

2.1.7.7

Elementos no estructurales El principal efecto positivo es el que colabora a un mayor amortiguamiento dinámico, pues al agrietarse contribuyen a la disipación de energía sísmica aliviando de esta manera a los elementos resistentes. Lo negativo es que al tomar esfuerzos no previstos en el cálculo distorsionan la distribución supuesta de esfuerzos. Otro aspecto desfavorable se da que al tener una cantidad de tabiques estos pudiesen alterar modificar el centro de rigidez de la estructura y con ello ocasionar efectos torsionales muy desfavorables.

2.1.7.8

Sub-Estructura o cimentación El diseño de cimentaciones de concreto armado es un problema que no ofrece dificultades, tanto las normas de Concreto Armado E.060 del R.N.E y las normas del ACI 318 especifican la manera de llevar a cabo su dimensionamiento y diseño del refuerzo. El problema consiste en determinar la presión de contacto entre el terreno y cimentación, los esfuerzos de tracción diagonal, los esfuerzos de punzonamiento y los momentos de flexión. La regla básica respecto a la resistencia sísmica de la sub-estructura es que se debe tener una acción integral de la misma durante el sismo.

2.1.8

FALLAS FRECUENTES DURANTE LOS SISMOS En la Figura 2.8 se observa a la izquierda un muro de corte en la cual la armadura horizontal está bastante espaciada, como consecuencia de esto se ha presentado el pandeo de las barras longitudinales. Esta es la Falla de Confinamiento (Aguiar, 2010).

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Figura 2.8. Falla de armadura de confinamiento y piso blando Fuente: Aguiar, 2010, p. 1 Se denomina Piso Blando a aquellos que muestran una reducción significativa en la rigidez lateral respecto a los demás pisos de la estructura. Donde el piso en mención presenta alta flexibilidad por la escasa densidad de muros que impide controlar los desplazamientos laterales impuestos por los terremotos, en tanto que los pisos adyacentes son relativamente más rígidos por contener una mayor cantidad de muros. A la izquierda de la Figura 2.9 se presenta la falla por deslizamiento en muros, que se da por el movimiento horizontal en las dos direcciones del muro, produciéndose la trituración del concreto y luego el acero longitudinal se cizalla o pandea por el peso propio del muro (Aguiar, 2010). Los volados flexibilizan a la estructura y el problema es más grave cuando las vigas embebidas en la losas sufren de variación en sus peraltes, provocando de esa manera una falla por cambio de rigidez.

Figura 2.9. Falla de corte – cizalle en muros Fuente: Aguiar, 2010, p. 2

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La falla denominada Columna Corta se presenta en estructuras en los cuales se tienen grandes paredes y una pequeña ventana en la parte superior como se observa en la Figura 2.10. La estructura es muy vulnerable si la altura de la ventana es menor que 1/4 de la altura del nivel.

Figura 2.10. Falla de columna corta Fuente: http://www.civilgeeks.com

Figura 2.11. Falla de esquinas entrantes Fuente: Aguiar, 2010, p. 2 En la Figura 2.11 se tiene la falla llamada de esquinas entrantes. Esta se da en edificios esquineros cuyas paredes laterales se encuentran adosadas a las construcciones medianeras, creándose pórticos muy fuertes en los extremos por la presencia de la mampostería y pórticos muy débiles en las fachadas ya que normalmente tienen solo ventanas. El daño se produce en los pórticos débiles por torsión en planta (Aguiar, 2010).

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Figura 2.12. Falla en los nudos Fuente: Aguiar, 2010, p. 3 La falla de Nudos es otra de las frecuentes, en primer lugar porque no tiene las dimensiones adecuadas para que pueda soportar el cortante horizontal y vertical que llega al nudo, durante el sismo y en segundo lugar porque les falta armadura de confinamiento (Aguiar, 2010).

Figura 2.13. Falla de impacto entre dos estructuras Fuente: Aguiar, 2010, p. 3 El Golpeteo de Edificios es otra falla frecuente que puede llevar al colapso a uno de ellos especialmente si se están golpeando dos estructuras de diferente altura y es más grave el problema si las losas de entrepiso no están a la misma altura (Aguiar, 2010). La causa más frecuente de colapso de los edificios es la insuficiente resistencia a carga lateral de los elementos verticales de soporte de la estructura. El flujo de las fuerzas de inercia desde las partes superiores hacia la cimentación, genera fuerzas cortantes crecientes hacia los pisos inferiores de la estructura las cuales deben ser resistidas por los elementos verticales. Un requisito básico para una adecuada resistencia a sismo es la existencia de un área transversal de muros o columnas suficiente para resistir dichas cortantes.

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Figura 2.14. Flujo de fuerzas en la estructura debido a la vibración Fuente: Bazán & Meli, 2004, p. 193 Para un correcto comportamiento sísmico, la resistencia no es el único factor importante. La capacidad de deformación, o la ductilidad, es una propiedad que puede salvar un edificio del colapso. El detallado de las secciones para evitar una falla frágil y proporcionar capacidad de deformación es un aspecto básico de diseño. 2.1.9

CONCEPTOS GENERALES DEL ANÁLISIS DINÁMICO 2.1.9.1 Masa y Peso La masa, es una medida de la cantidad de materia. El peso W es una medida de la fuerza necesaria para impartir una aceleración dada a una masa; La atracción gravitacional de la tierra impone a un cuerpo en caída libre una aceleración g, cuyo valor varía aproximadamente del orden 0,5 por ciento sobre la superficie de la Tierra, pero que se le ha dado un valor fijo estándar de 9,806650 m/s2. Por lo tanto se requiere una fuerza de 9,806650 N para sostener una masa de 1 kg; esto se conoce como el peso del cuerpo (García, 1998). 2.1.9.2

Rigidez Todo cuerpo elástico que sea sometido a fuerzas externas, ya sean estáticas o dinámicas, sufre una deformación. La rigidez se define como la relación entre estas fuerzas externas y las deformaciones que ellas inducen en el cuerpo (García, 1998). En general esta relación no es totalmente lineal, pero cuando las deformaciones son pequeñas se puede idealizar como una línea recta.

2.1.9.3

Amortiguamiento Todo cuerpo en movimiento tiende a disminuir con el tiempo. La razón de esta disminución está asociada con una pérdida de la energía presente en el sistema. Esta pérdida de energía es producida por fuerzas de amortiguamiento o fricción que actúan sobre el sistema. La energía, ya sea cinética o potencial, se transforma en otras formas de energía tales como calor o ruido (García, 1998).

2.1.9.4

Grados de libertad El número de coordenadas independientes necesario para especificar la configuración o posición de un sistema en cualquier instante de tiempo, se conoce como el número de grados de libertad.

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2.1.10 PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL DEL ANÁLISIS SÍSMICO La estructura debe ser diseñada para resistir un conjunto de fuerzas laterales y tener la habilidad de disipar eficientemente la energía introducida por el movimiento del terreno. En caso de sismos severos, es aceptable que buena parte de esta disipación se realice con deformaciones inelásticas que implican daño, siempre que no se alcancen condiciones cercanas al colapso. El cumplimiento de los objetivos, en términos muy simplistas, implica que la estructura posea una rigidez adecuada para limitar sus desplazamientos laterales y para proporcionarle características dinámicas que eviten amplificaciones excesivas de vibración; que posea resistencia a carga lateral suficiente para absorber las fuerzas de inercia introducidas por la vibración; y que tenga alta capacidad de disipación de energía mediante deformaciones inelásticas, lo que se logra proporcionándole ductilidad (Bazán & Meli, 2004) A grandes rasgos el diseño sísmico de una estructura implica las siguientes etapas. 2.1.10.1 La selección de un sistema estructural adecuado. El sistema estructural debe ser capaz de absorber y disipar la energía introducida por el sismo sin que se generen efectos particularmente desfavorables, como concentraciones o amplificaciones dinámicas (Bazán & Meli, 2004). 2.1.10.2 El dimensionamiento de las secciones Los métodos de dimensionamiento de las secciones y elementos estructurales no difieren sustancialmente de los que se especifican para otros tipos de acciones. 2.1.10.3 El análisis sísmico Los reglamentos definen las acciones sísmicas para las cuales debe calcularse la respuesta de la estructura y proporcionan métodos de análisis de distinto grado de refinamiento. La atención debe prestarse más a la determinación del modelo analítico más representativo de la estructura real, que al refinamiento del análisis para el cual se cuenta actualmente con programas de computadora poderoso y fáciles de usar, que simplifican notablemente el problema (Bazán & Meli, 2004). 2.1.10.4 Detallado de la estructura Para que las estructuras tengan un comportamiento dúctil es necesario detallar sus elementos y conexiones para proporcionarles gran capacidad de deformación antes del colapso (Bazán & Meli, 2004). 2.1.11 CARACTERÍSTICAS DEL ACERO COMO MATERIAL El hierro químicamente puro, no tiene aplicación en la Ingeniería Civil. El hierro para ser acero tiene que ser fusionado, es decir, combinado con otros elementos como carbono, manganeso, cobre, silicio, molibdeno, níquel, cromo y tener un mínimo de impurezas, fósforo y azufre, para que sea un material utilizable. El acero es aquella aleación del hierro que puede forjarse sin tratamiento previo ni posterior (Zapata, 1994). Las propiedades más importantes del acero son: Punto de fluencia (Fy), cuando se termina la proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones en un espécimen libre de esfuerzos residuales. Los aceros estructurales mantienen un rango definido de esfuerzo constante vs deformación en este nivel de esfuerzo unitario (Zapata, 1994). Resistencia a la fluencia (Fy), en ciertos aceros es necesario definir un concepto similar al anterior cuando no hay un punto preciso de fluencia. Ocurre con aceros de alta resistencia o con tratamiento en frío (Zapata, 1994). La ductilidad es la propiedad del acero que permite que se deforme grandemente antes de fracturase (Zapata, 1994).

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Módulo de elasticidad (E), es la relación entre el esfuerzo y la deformación en el rango elástico. E = 29,500 ksi (2100000 kg/cm2) para todos los aceros, cualquiera sea su Grado o aleación, por lo que se considera que es la característica que los agrupa y los diferencia apropiadamente (Zapata, 1994). Módulo de endurecimiento por deformación (Es), aproximadamente 490000 Kg/cm2. Este endurecimiento final explica la resistencia encontrada en elementos de acero que han sobrepasado la zona plástica (Zapata, 1994). Relación de Poisson (u), es el cociente entre la deformación transversal y la longitud bajo carga. Esta relación es aproximadamente la misma para todos los aceros estructurales, es decir, 0.30 en el rango elástico y 0.50 en el rango plástico (Zapata, 1994). Módulo de elasticidad en corte (G), Relación entre el esfuerzo en corte aplicado y la deformación correspondiente en el rango elástico. De la teoría de elasticidad se conoce la siguiente relación: G = E / [2(1+µ)], G = 11,300 ksi (800000 kg/cm2) para los aceros estructurales (Zapata, 1994). En un mundo globalizado es conveniente emplear designaciones de material de alcance internacional para poder aprovechar la potencia de los más recientes desarrollos. De acuerdo a la American Society of Testing Materials (ASTM) tenemos:  Aceros generales (A-36)  Aceros estructurales de carbono (A-529) b.1 Bajo contenido de carbono (<0.15%) b.2 Dulce al carbono (0.15 – 0.29%) b.3 Medio al carbono (0.30 – 0.59%) b.4 Alto contenido de carbono (0.60 – 1.7%)  Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (Mo, V y Cr), (A-441 y A-572) aleación al 5%.  Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión atmosférica (A-242, A-588).  Acero templado y revenido (A-514)

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Tabla 2.4 Características generales de los aceros usuales ASTM DESIGNACIÓN Fy min Fu min ACERO FORMAS USOS ASTM Ksi Ksi Perfiles, Puentes, edificios en 36, e < 8" A-36 Al carbono barras y Gral., atornillados, 58 - 80 placas remachados y soldados 32, e > 8" Perfiles y Puentes, edificios en A-529 Al carbono placas de Gral., atornillados, 42 60 - 85 e<1/2" remachados y soldados Al magnesio, Perfiles, Puentes, tanques, vanadio de placas y edificios en Gral., 40 - 50 A-441 alta 60 - 70 barras de atornillados, resistencia y e<8" remachados y soldados baja aleación Perfiles, Construcciones Alta placas y atornilladas, remaches. A-572 resistencia y 42 - 65 60 - 80 barras de No en puentes soldados baja aleación e<6" cuando Fy>55ksi Alta resistencia, Perfiles, Construcciones 42 - 50 baja aleación placas y soldadas, atornillada, A-242 63 - 70 y resistente a barras de técnica especial de la corrosión e<4" soldadura atmosférica Construcciones soldadas Templados y Placas de 90 - 100 100 - 150 A-514 especialmente. No se revenidos e<4" usa si se requiere gran ductilidad

En el mercado nacional se cuenta, a la fecha, con pernos denominados Grados 2, 5 y 8 y que corresponden a las designaciones ASTM A307, A325 y A490, respectivamente. Pernos ASTM A307: El material tiene una resistencia de fractura de 60ksi (4200kg/cm2) y su uso está restringido a estructuras livianas donde no sea importante el deslizamiento en las juntas, ni donde haya vibraciones, y para miembros secundarios (correas, arriostres de elementos, etc.). Pernos ASTM A325: El material es acero de contenido medio de carbono, templado y recocido, con un contenido máximo de 0.30% C. Pernos ASTM A490: El material es acero de 0.53% de contenido de carbono, templado en aceite y recocido. Resistencia de fractura de 115ksi a 130 ksi, de acuerdo al diámetro. El esquema general que emplea la norma ASTM para la numeración de los aceros es “YXX”, donde: Y es la primera letra de la norma que indica el grupo de aplicación según la siguiente lista: A: si se trata de especificaciones para aceros B: especificaciones para no ferrosos C: especificaciones para concreto, estructuras viales D: especificaciones para químicos, así como para aceites, pinturas, etc. E: si se trata de métodos de ensayos

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3. ANÁLISIS SÍSMICO Los criterios de diseño sísmico basado en resistencia, o fuerza, propuestos y exigidos por los diferentes códigos en los últimos 80 años, incluyendo la norma técnica peruana E.030 Diseño Sismorresistente, tienen como objetivo lograr el diseño de estructuras con adecuados niveles de integridad y resistencia que eviten pérdidas humanas y económicas durante la acción de un evento sísmico. Los códigos sísmicos actuales han ido evolucionando empíricamente a medida que se observaban sus deficiencias, por ejemplo el criterio del control de desplazamientos por piso en la Norma Peruana se ajustó a partir de los daños observados en el sismo de Nazca, 1996. Sin embargo, actualmente es complicado a nivel de diseño conocer con precisión el nivel de daño esperado; es por ello, aun cuando las estructuras se comporten aparentemente bien ante cualquier evento arbitrario, algunas de ellas requerirán de reparación debido al daño no esperado. Desde los últimos 15 años es bien conocida la tendencia mundial de incorporar nuevos criterios que permitan conocer con mayor precisión el comportamiento sísmico de las estructuras ante un evento determinado, en un principio las respuestas que interesan estaban basadas en resistencia, pero este criterio ha cambiado y actualmente interesan las que se encuentran basadas en desplazamientos, pues se ha llegado a la conclusión de que estos, los desplazamientos, son los que dañan a las estructuras. Para poder predecir los daños de una estructura ante un evento sísmico nace la nueva filosofía de diseño sismorresistente basado en el desempeño estructural, la cual comienza a partir de las reflexiones acerca del comportamiento sísmico de edificaciones en los sismos de Loma Prieta, 1989 y Northridge, 1994 en California. La ingeniería sísmica basada en desempeño tiene como objetivo garantizar unas prestaciones o funciones del edificio en caso de un sismo. El uso explícito de múltiples objetivos de desempeño se introdujo en los años 90, en documentos como Visión 2000 (SEAOC, 1995), ATC-40 (ATC, 1996) y FEMA 273 (FEMA, 1997). La ingeniería basada en desempeño comienza con la selección de los objetivos de desempeño y con la identificación del peligro sísmico, continuando con el diseño conceptual, preliminar y final, se revisa la aceptabilidad durante el diseño y finalmente, concluye con el control de calidad durante la construcción y con el mantenimiento durante toda la vida útil del edificio. Los objetivos de desempeño se seleccionan y expresan en términos de los niveles esperados de daño. El lugar y el análisis de riesgo sísmico, son llevados a cabo para identificar el peligro del lugar y para especificar los niveles del movimiento sísmico de diseño. En el diseño conceptual las decisiones claves son hechas en lo que respecta a la selección, el trazado y la configuración de los sistemas estructurales y no estructurales, y a la elección de elementos dúctiles. El diseño preliminar establece el tamaño inicial de los miembros estructurales basados en los criterios iniciales de diseño. En el diseño final se refinan los tamaños y se completan los detalles de ductilidad. Con el análisis de aceptabilidad se verifican los criterios definidos por los objetivos de desempeño. 3.1

METODOLOGÍA DE DISEÑO La filosofía del diseño sismorresistente en los códigos actuales, basados en resistencia, tienen como objetivo principal que las estructuras sean capaces de resistir sismos de baja intensidad sin sufrir daños estructurales significativos, sismos moderados con daños reparables y sismos severos con posibilidad de daños importantes sin que se produzca el colapso. 3.1.1

CONCEPCIÓN DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO La mayoría de los códigos actuales de diseño sísmico consideran como único objetivo: evitar el colapso estructural ante un sismo severo, pero no tienen un esquema de verificación del comportamiento estructural; es decir, que no es posible conocer con precisión el nivel de daño esperado para diferentes niveles de demanda sísmica.

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“Los códigos sísmicos modernos, que intentan reflejar grandes avances en conocimiento y VITELMO V.

entendimiento de una manera muy simple, no

BERTERO (1995)

son transparentes sobre el nivel esperado de comportamiento o respuesta del sistema completo”.

Figura 3.1. Concepción del diseño por desempeño Fuente: Adaptación de Taipe, 2003, Cap. 2: 1/9 De acuerdo con este razonamiento, el desempeño en términos del daño potencial no se cuantifica, debido a que por lo general solo se considera el nivel del movimiento del terreno para el cual la edificación no debería colapsar y rara vez se reconoce que pueden ocurrir daños sustanciales y pérdidas asociadas a sismos de naturaleza más frecuente. El diseño por desempeño busca concebir edificaciones diseñadas para ser capaces de exhibir comportamientos predecibles al ser afectadas por diferentes niveles de sismos. Dicho enfoque consta de tres fases: conceptual; numérica y evaluación; implementación

FASES DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO

FASE CONCEPTUAL

Definición de niveles de desempeño y amenaza esperada

FASE NUMÉRICA Y EVALUACIÓN Análisis de la estructura por diferentes métodos que pueden ser lineales equivalentes o no lineales

FASE DE IMPLEMENTACIÓN

Ajustes estructurales para cumplir con los objetivos de diseño

Determinar la capacidad y compararla con la demanda Figura 3.2. Fases del diseño por desempeño

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3.1.1.1

Definición según normas internacionales DEFINICIÓN DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO

SEAOC (1995)

Selección de criterios de diseño, sistema estructural apropiado, proporcionalidad y detallado de una estructura y su componente no estructural y contenido; para cada nivel especificado de movimiento sísmico, con niveles definidos de confiabilidad, la estructura no superará los daños ante ciertos estados límites.

ATC-40 (1996)

Metodologia de diseño en la cual el criterio estructural se expresa en términos de selección de un objetivo de desempeño

FEMA-273 (1995)

Cualitativamente en términos de: seguridad ofrecida durante y después de un sismo. El desempeño sismorresistente esta relacionado con el grado de daño sufrido por la edificación, categorizado como nivel de desempeño, con daños aceptables para el sistema estructural

Figura 3.4. Concepción del performance – códigos internacionales

3.1.2

OBJETIVOS DE DESEMPEÑO SÍSMICO El objetivo básico de la Ingeniería Sismorresistente y de una intervención estructural en particular es la reducción de la vulnerabilidad del sistema con el fin de salvar vidas humanas. El documento Visión 2000, (SEAOC, 1995) preparado por la Asociación de Ingenieros Estructurales de California, selecciona los “objetivos de desempeño sísmico” y los define como la “relación del nivel de desempeño esperado con el nivel de sismo de diseño”. 3.1.2.1

Niveles de desempeño El comité Visión 2000 (SEAOC, 1995) propone cuatro niveles de desempeño, los cuales son los siguientes:  Totalmente Operacional, no ocurren esencialmente daños. La funcionalidad es garantizada y no se requieren reparaciones.  Operacional, la ocupación es inmediata después del sismo. Los daños en los contenidos y componentes no estructurales pueden interrumpir algunas funciones. Se requieren algunas reparaciones menores.  Seguridad de vida, la seguridad de vida es substancialmente protegida, los daños producidos pueden impedir que la estructura sea ocupada inmediatamente.  Cerca al colapso, la seguridad de vida está en riesgo, la estabilidad de la estructura se ve comprometida al colapso. La estructura es insegura para sus ocupantes y el costo de su reparación no es viable desde el punto de vista económico

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Tabla 3.1 Niveles de desempeño Estado de Daño

Nivel de Desempeño

Descripción de los daños

Despreciable

Totalmente Operacional

Daño estructural y no estructural despreciable o nulo. Los sistemas de evacuación y todas las instalaciones continúan prestando sus servicios.

Operacional

Agrietamientos en elementos estructurales. Daño entre leve y moderado en contenidos y elementos arquitectónicos. Los sistemas de seguridad y evacuación funcionan con normalidad.

Leve

Moderado

Daños moderados en algunos elementos. Pérdida de resistencia y rigidez del sistema de cargas laterales. El sistema permanece Seguridad de funcional. Algunos elementos no vida estructurales y contenidos pueden dañarse. Puede ser necesario cerrar el edificio temporalmente.

Severo

Cerca al Colapso

Daños severos en elementos estructurales. Fallo de elementos secundarios, no estructurales y contenidos. Puede llegar a ser necesario demoler el edificio.

Completo

Colapso

Pérdida parcial o total de soporte. Colapso parcial o total. No es posible la reparación.

Fuente: Adaptación de SEAOC, 1995 3.1.2.2

Niveles de sismo de diseño Para efectos de diseño el peligro sísmico debe ser definido en niveles de Sismo de Diseño, los cuales son expresados en función de intervalos de recurrencia o de la probabilidad de excedencia. El peligro sísmico incluye rotura, movimiento del suelo, licuefacción y otros peligros potenciales. Sin embargo el movimiento del suelo es la causa de más daño (Taipe, 2003). Tabla 3.2 Niveles de sismo de diseño Movimiento Intervalo de Sísmico de Diseño recurrencia Frecuente

43 años

50% en 30 años

Ocasional

72 años

50% en 50 años

Raro

475 años

10% en 50 años

Muy raro 950 años Fuente: Adaptación de SEAOC, 1995

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Probabilidad de excedencia

10% en 100 años

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Tabla 3.3 Niveles de sismo de diseño Vida Útil

Probabilidad de excedencia

Período medio de retorno

Tasa anual de excedencia

T

P*

tr

P1

Frecuente

30 años

50%

43 años

0.02310

Ocasional

50 años

50%

72 años

0.01386

Raro

50 años

10%

475 años

0.00211

Muy raro 100 años 10% Fuente: Adaptación de SEAOC, 1995

970 años

0.00105

Sismo

3.1.2.3

Objetivos de desempeño Se definen en función del desempeño estructural que debe tener cierto tipo de edificación en cada sismo de diseño, el desempeño esperado depende directamente de la importancia que tiene la edificación ante la sociedad. Visión 2000 (SEAOC, 1995) define objetivos de desempeño para tres categorías de edificaciones.  Objetivo Seguridad Crítica, se define para edificaciones que contiene cantidades de materiales de riesgo como: plantas de procesamiento nuclear.  Objetivo Esencial Riesgoso, se define para edificaciones como: hospitales, estaciones policiales, centros de comunicación, centrales de emergencia.  Objetivo Básico, se define para edificaciones comunes. Tabla 3.4 Categorias de las edificaciones

Nivel de Sismo de Diseño Frecuente Ocasional Raro

Seguridad Critica Totalmente operacional Totalmente operacional Totalmente operacional

Edificaciones Esenciales Riesgosas Totalmente operacional Totalmente operacional Operacional

Seguridad de vida Fuente: Adaptación de SEAOC, 1995 Muy raro

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Operacional

Comunes Totalmente operacional Operacional Seguridad de vida Cerca del colapso

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Figura 3.5. Objetivos de desempeño Fuente: http://www.wilkipedia.org 3.1.3

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO La evaluación de desempeño describe los principios para analizar si un diseño estructural satisface los objetivos de desempeño. El profesional responsable deberá elegir un apropiado método de diseño, utilizando procedimientos de análisis lineales o no lineales, el cual será más riguroso para estructuras complejas con mayor demanda de objetivos de desempeño. Entre los métodos de diseño se cuenta con el método basado en la fuerza y en el desplazamiento. MÉTODOS DE DISEÑO

BASADO EN LA FUERZA Utiliza un espectro elástico de aceleraciones para determinar la carga lateral que la estructura debe resistir si permaneciera en el rango elástico.

BASADO EN EL DESPLAZAMIENTO

Consiste en fijar un desplazamiento maximo de diseño.

Figura 3.6. Resumen de los métodos de diseño Existen una gran variedad de procedimientos analíticos para la evaluación sísmico de edificaciones existentes (SEAOC, 1995), algunos basados en comportamiento elástico (lineal) y otros en un comportamiento inelástico (no lineal). En los primeros, se definen estados de fuerzas laterales estáticas o dinámicas y procedimientos elásticos para determinar la relación demanda-capacidad de los elementos; proporcionan una buena aproximación de la capacidad elástica y la primera cedencia, pero no pueden predecir mecanismos de falla, ni tomar en cuenta la redistribución de fuerzas durante el progreso de la cedencia. En los métodos inelásticos, es posible aproximarse a lo que realmente sucede en la edificación, identificar modos de falla y el potencial de un colapso progresivo.

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ANALÍSIS SÍSMICOS

ANÁLISIS NO LINEAL

ANÁLISIS LINEAL

Análisis Estático No Lineal Análisis Estático Lineal Análisis Dinámico No Lineal Análisis Dinámico Lineal Análisis Tiempo HIstoria

Figura 3.7. Diferentes tipos de análisis sísmicos 3.1.4

ANÁLISIS DE ACEPTABILIDAD El análisis de aceptabilidad se usa para verificar el diseño adecuado, los objetivos de diseño y que los criterios de aceptabilidad se hayan cumplido; el diseño estructural se analiza para comparar los parámetros de respuesta crítica con los valores límites de estos parámetros asociados con los niveles de desempeño seleccionado. Los valores límites de varios parámetros de respuesta estructural forman el criterio de aceptabilidad para el diseño. Los parámetros de respuesta son medidos de la respuesta estructural que pueden ser correlacionados con niveles de daño y con los objetivos de desempeño. Los criterios de aceptación permiten establecer una relación entre un parámetro que represente la respuesta estructural, generalmente la distorsión entrepiso. Tabla 3.5 Límites de distorsion de entrepiso para niveles de desempeño Nivel de desempeño

ATC-40

FEMA 273

BERTERO

VISIÓN 2000

Operacional

0.01

0.01

0.002 - 0.005

0.0030

0.01 - 0.02

0.0058

0.02 - 0.04

0.0158

Seguridad de 0.01 - 0.02 0.01 - 0.02 Vida Prevención 0.33 Vi/Pi 0.04 del colapso Fuente: Adaptación de Taipe, 2003 3.1.5

RELACIÓN DAÑO – DERIVA El daño sísmico se interpreta como el nivel de deterioro de un sistema estructural o no estructural causado por la acción de un evento sísmico. El daño estructural es el que se produce en los elementos que conforman el sistema resistente (columnas, vigas, muros de corte); los elementos que no forman parte de este sistema estructural resistente, por ejemplo, la tabiquería o los revestimientos, se consideran dentro del daño no estructural. Los diferentes sismos ocurridos han revelado la directa relación entre el daño que sufren las edificaciones con los niveles de desplazamiento lateral. Con el fin de controlar los daños, los diferentes códigos de diseño sismorresistente han considerado limitar los desplazamientos laterales con un parámetro muy utilizado llamado distorsión o deriva de entrepiso, es decir, el desplazamiento relativo entrepiso, dividido entre la altura de entrepiso.

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La Norma Peruana E.030 establece límites para el desplazamiento relativo de entrepiso, por ejemplo, para estructuras de concreto armado el desplazamiento relativo entrepiso es 0.007 veces la altura del mismo entrepiso, estas deformaciones son del orden de 3.5 veces mayores que las que son suficientes para iniciar daños en elementos no estructurales de albañilería. Eso implica que sólo se pretende evitar el daño no estructural para sismos del orden de poco menos de un tercio de la intensidad del sismo de diseño Para la evaluación de desempeño de las edificaciones se utiliza como parámetro de respuesta estructural la curvatura, la cual se determina en función de los límites de desempeño de los materiales. La relación existente entre Daño y Deriva en edificios ha sido estudiada y cuantificada por el FEMA Mitigation Divition del gobierno estadounidense en su documento Multihazard Loss Estimation Methodology HAZUS. Este documento presenta los estados de daño y sus correspondientes derivas características de diversos sistemas estructurales. Por ejemplo un C1M es un edificio aporticado de concreto armado como sistema de resistencia sísmica de baja altura. Cada estado de daño se relaciona con un nivel de desempeño. Por lo tanto para un desempeño objetivo definido puede encontrarse una deriva objetivo. Tabla 3.6 Relacion Daño – Deriva según tipo de estructura TIPOS DE CONSTRUCCION DERIVA DE ENTREPISO Altura (pulgadas) Nivel de daño esperado TIPO Techo Modal Leve Moderado Extenso Completo W1 168 126 0.0040 0.0099 0.0306 0.0750 W2 288 216 0.0040 0.0099 0.0306 0.0750 S1L 288 216 0.0060 0.0104 0.0235 0.0600 S1M 720 540 0.0040 0.0069 0.0157 0.0400 S1H 1872 1123 0.0030 0.0052 0.0118 0.0300 S2L 288 216 0.0050 0.0087 0.0233 0.0600 S2M 720 540 0.0033 0.0058 0.0156 0.0400 S2H 1872 1123 0.0025 0.0043 0.0117 0.0300 S3 180 135 0.0040 0.0070 0.0187 0.0525 S4L 288 216 0.0040 0.0069 0.0187 0.0525 S4M 720 540 0.0027 0.0046 0.0125 0.0350 S4H 1872 1123 0.0020 0.0035 0.0093 0.0262 S5L S5M S5H C1L 240 180 0.0050 0.0087 0.0233 0.0600 C1M 600 450 0.0033 0.0058 0.0156 0.0400 C1H 1440 864 0.0025 0.0043 0.0117 0.0300 Fuente: Adaptación de FEMA 273 3.1.6

RELACIÓN MOMENTO – CURVATURA (M-φ) El comportamiento de las secciones de concreto reforzado sometidos a acciones de diseño puede comprenderse de manera más clara mediante el uso de gráficas que relacionen el momento flexionante resistente en una sección con la curvatura, correspondiente. La curvatura es el ángulo que forman con la vertical, la línea que describe el perfil de deformaciones unitarias en la sección.

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El diagrama momento-curvatura es de gran importancia en el diseño de estructuras ante cargas estáticas y dinámicas, ya que de forma rápida se visualiza que tan dúctil y resistente es un miembro. Además, el área bajo la curva representa la energía interna, la parte bajo la región elástica es la energía de deformación acumulada en el miembro, mientras que el área bajo la región de postfluencia corresponde a la energía disipada en las deformaciones plásticas del mismo. De la relación momento-curvatura se obtiene la máxima capacidad a flexión del elemento, la curvatura última u, así como también sus respectivos momento y curvatura de fluencia, de tal forma que estas cantidades pueden compararse con las demandas que se tienen en el diseño. Por lo que una de las principales aplicaciones de conocer estos valores es calcular la ductilidad de curvatura de la sección del elemento estructural a diseñar, y esto debido a que la ductilidad de curvatura permite conocer si el comportamiento de la sección es dúctil o no. Por ejemplo si un elemento tiene poca capacidad de ductilidad de curvatura la estructura presentará una falla frágil cuando ingrese al intervalo no lineal, lo cual no es deseable. Se requiere que la sección tenga un valor alto de ductilidad con el fin de que disipe la mayor cantidad de energía y se distribuyan mejor los momentos. Relacion Momento - Curvatura sirve para definir

La capacidad nominal a la flexión de la sección

Capacidad máxima o sobrerresis tencia de la sección

Curvatura a la primera fluencia

La Curvatura última y ductilidad de la sección

Curavaturas correspondien tes a límites de desempeño de los materiales

Figura 3.8. Usos del diagrama Momento - Curvatura 3.1.7

MECANISMOS DE FALLA Los mecanismos de falla en estructuras de concreto armado deben basarse en la flexión como fuente de disipación de energía. Por lo tanto, deben suprimirse definitivamente los mecanismos asociados con deformaciones inelásticas por corte, transferencia de esfuerzos por adherencia entre el refuerzo y el concreto, e inestabilidad de los elementos. Por consiguiente, se deberá elegir la ubicación de las rótulas plásticas potenciales en vigas y columnas que posibiliten la formación de un mecanismo de colapso cinemáticamente admisible en el sistema estructural global dado. El principio más importante en esta selección es que, para una ductilidad global dada, las ductilidades de curvatura asociadas en las rótulas plásticas permanezcan dentro de los límites admisibles. El mecanismo viga débil – columna fuerte ha sido preferido por muchos ingenieros estructurales; es decir, el sistema aporticado que desarrolla rótulas plásticas en los extremos de las vigas y en la base de las columnas del primer piso y/o muros estructurales para formar un mecanismo de colapso. En este tipo de mecanismo, la energía del sismo que ingresa puede ser rápidamente disipada por una histéresis gruesa y estable de vigas que han fluido por flexión.

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3.2

PARÁMETROS SÍSMICOS Los parámetros sísmicos que usaremos en el presente curso corresponden a los presentados en la norma de Diseño Sismorresistente E.030 (Versión 2016). 3.2.1

Factor de zona (Z) La zonificación propuesta se basa en la distribución espacial de la sismicidad observada, las características generales de los movimientos sísmicos y la atenuación de éstos con la distancia epicentral, así como en información neotectónica. Tabla 3.7 Factores de zona sísmica FACTORES DE ZONA “Z” 4 0.45 3 0.35 2 0.25 1 0.10

Figura 3.9. División sísmica del territorio peruano 3.2.2

Factor del suelo (S) Los perfiles de suelo se clasifican tomando en cuenta la velocidad promedio de propagación de las ondas de corte ( ̅ ). Los tipos de perfiles de suelos son cinco: a) Perfil Tipo S0: Roca Dura b) Perfil Tipo S1: Roca o Suelos Muy Rígidos c) Perfil Tipo S2: Suelos Intermedios d) Perfil Tipo S3: Suelos Blandos e) Perfil Tipo S4: Condiciones Excepcionales Tabla 3.8 Tipos de suelo para cada factor de zona FACTOR DE SUELO "S" ZONA / SUELO Z4 Z3 Z2 Z1

S0

S1

S2

S3

0.80 0.80 0.80 0.80

1.00 1.00 1.00 1.00

1.05 1.15 1.20 1.60

1.10 1.20 1.40 2.00

Tabla 3.9 Tipos de suelo para cada TP y TL PERIODOS "TP" y "TL" Perfil del Suelo S0

S1

S2

S3

TP (seg)

0.30

0.40

0.60

1.00

TL (seg)

3.00

2.50

2.00

1.60

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3.2.3

Factor de amplificación sísmica (C) De acuerdo a las características de sitio, se define el factor de amplificación sísmica (C) por las siguientes expresiones:

T  TP

TP  T  TL T  TL

Ecuación (3.6)

C  2 .5

TP ) T T *T C  2 .5 * ( P 2 L ) T C  2 .5 * (

Ecuación (3.7) Ecuación (3.8)

La variable “T” es el periodo fundamental de vibración y se define de la siguiente manera: hn Ecuación (3.9) T 

CT

Donde: hn = Altura total de la edificación en metros. CT = 35 Para edificios cuyos elementos resistentes en la dirección considerada sean únicamente: a) Pórticos de concreto armado sin muros de corte b) Pórticos dúctiles de acero con uniones resistentes a momentos sin arriostramiento CT = 45 Para edificios cuyos elementos resistentes en la dirección considerada sean: a) Pórticos de concreto armado con muros en las cajas de ascensores y escaleras b) Pórticos de acero arriostrados CT = 60 Para edificios de albañilería y para todos los edificios de concreto armado duales, de muros estructurales, y muros de ductilidad limitada. 3.2.4

Factor de uso de la edificación (U)

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Tabla 3.10 Categoria de las edificaciones CATEGORÍA DE LAS EDIFICACIONES CATEGORÍA

DESCRIPCIÓN

FACTOR (U)

A1: Establecimientos de salud, como hospitales, institutos o similares, según clasificación del Ministerio de Salud, ubicados Ver nota en las zonas sísmicas 4 y 3 que alojen cualquiera de los 1 servicios indicados en la tabla 16 A2: Edificaciones esenciales cuya función no debería interrumpirse inmediatamente después de que ocurra un sismo severo tales como: - Hospitales no comprendidos en la categoría A1, clínicas, postas médicas, excepto edificios A administrativos o de consulta externa. (Ver nota 2) Edificaciones - Puertos, aeropuertos, centrales de comunicaciones Esenciales Estaciones de bomberos, cuarteles de las fuerzas armadas y policiales. - Instalaciones de generación y transformación de electricidad, reservorios y plantas de tratamiento de agua

1.5

Todas aquellas edificaciones que puedan servir de refugio después de un desastre, tales como colegios, institutos superiores tecnológicos y Universidades. Se incluyen edificaciones cuyo colapso puede repre sentar un riesgo adicional, tales como grandes hornos, fábricas y depósitos de materiales inflamables ó tóxicos. Edificios en centros educativos y de salud no incluidos en la categoría A. Edificaciones donde se reúnen gran cantidad de personas B tales como teatros, estadios, centros comerciales, terminales Edificaciones de pasajeros, establecimientos penitenciarios, o que guardan Importantes patrimonios valiosos como museos, bibliotecas y archivos especiales. También se considerarán depósitos de granos y otros almacenes importantes para el abastecimiento

1.3

Edificaciones comunes tales como: viviendas, oficinas, C hoteles, restaurantes, depósitos e instalaciones industriales Edificaciones cuya falla no acarree peligros adicionales de incendios o fugas Comunes de contaminantes.

1.0

D Construcciones provisionales para depósitos, casetas y otras Ver nota Edificaciones similares. 3 Temporales

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Tabla 3.11 Clasificacion de los servicios de salud SERVICIOS DE SALUD 1 Consulta Externa 2 Emergencia 3 Hospitalización y UCI 4 Centro Quirúrgico y Obstétrico 5 Medicina de Rehabilitación 6 Farmacia 7 Patología Clínica 8 Diagnóstico por imágenes 9 Centro de hemoterapia o Banco de Sangre 10 Hemodiálisis 11 Nutrición Dietética 12 Central de Esterilización 13 Radioterapia 14 Medicina Nuclear

3.2.5

Coeficiente básico de reducción de fuerzas sísmicas (Ro) Cuando la edificación presenta más de un sistema estructural, se tomará el menor coeficiente R0 que corresponda. Tabla 3.12 Coeficientes básicos de reduccion de fuerzas SISTEMAS ESTRUCTURALES COEFICIENTE BÁSICO SISTEMA ESTRUCTURAL DE REDUCCIÓN Ro(*) Concreto Armado: Pórticos 8 Dual 7 De muros estructurales 6 Muros de ductilidad limitada 4 Albañilería Armada o Confinada 3 Madera (Por esfuerzos admisibles) 7

3.2.6

Factor de irregularidad en altura (Ia) El factor “Ia” se determinará como el menor de los valores de la Tabla 3.13 correspondiente a las irregularidades existentes en altura. Si la estructura no presenta irregularidades en altura, el factor “Ia” será igual a 1.

3.2.7

Factor de irregularidad en planta (Ip) El factor “Ip” se determinará como el menor de los valores de la Tabla 3.14 correspondiente a las irregularidades existentes en planta. Si la estructura no presenta irregularidades en planta, el factor “Ip” será igual a 1.

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Tabla 3.13 Factores de irregularidad en altura IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA Irregularidad de Rigidez - Piso Blando Existe irregularidad de rigidez cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la distorsión (deriva) de entrepiso es mayor que 1,4 veces el correspondiente valor en el entrepiso inmediato superior, o es mayor que 1,25 veces el promedio de las distorsiones de entrepiso en los tres niveles superiores adyacentes. La distorsión de entrepiso se calculará como el promedio de las distorsiones en los extremos del entrepiso. Irregularidad de Resistencia - Piso Débil

Factor de Irregularidad Ia

0.75

Existe irregularidad de resistencia cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la resistencia de un entrepiso frente a fuerzas cortantes es inferior a 80 % de la resistencia del entrepiso inmediato superior. Irregularidad Extrema de rigidez Se considera que existe irregularidad extrema en la rigidez cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la distorsión (deriva) de entrepiso es mayor que 1,6 veces el correspondiente valor del entrepiso inmediato superior, o es mayor que 1,4 veces el promedio de las distorsiones de entrepiso en los tres niveles superiores adyacentes. La distorsión de entrepiso se calculará como el promedio de las distorsiones en los extremos del entrepiso. Irregularidad Extrema de Resistencia

0.50 Ver tabla 20

Existe irregularidad extrema de resistencia cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la resistencia de un entrepiso frente a fuerzas cortantes es inferior a 65 % de la resistencia del entrepiso inmediato superior. Irregularidad de Masa o Peso Se tiene irregularidad de masa (o peso) cuando el peso de un piso, determinado según el numeral 4.3, es mayor que 1,5 veces el peso de un piso adyacente. Se exceptúan los techos cuyo peso sea inferior al del piso inmediato inferior.

0.90

Irregularidad Geométrica Vertical La configuración es irregular cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la dimensión en planta de la estructura resistente a cargas laterales es mayor que 1,3 veces la correspondiente dimensión en un piso adyacente. Este criterio no se aplica en azoteas ni en sótanos. Discontinuidad en los Sistemas Resistentes Se califica a la estructura como irregular cuando en cualquier elemento que resista más de 10 % de la fuerza cortante se tiene un desalineamiento vertical, tanto por un cambio de orientación, como por un desplazamiento del eje de magnitud mayor que 25 % de la correspondiente dimensión del elemento. Discontinuidad extrema de los Sistemas Resistentes Existe discontinuidad extrema cuando la fuerza cortante que resisten los elementos discontinuos según se describen en el ítem anterior, supere el 50 % de la fuerza cortante total.

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0.90

0.80

0.60

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Tabla 3.14 Factores de irregularidad en planta Factor de Irregularidad Ip

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN PLANTA Irregularidad Torsional Existe irregularidad torsional cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, el máximo desplazamiento relativo de entrepiso en un extremo del edificio, calculado incluyendo excentricidad accidental, es mayor que 1,5 veces el desplazamiento relativo del extremo opuesto del mismo entrepiso para la misma condición de carga. Este criterio sólo se aplica en edificios con diafragmas rígidos y sólo si el máximo desplazamiento relativo de entrepiso excede de 50 % del máximo permisible indicado en la Tabla 3.15 Irregularidad Torsional Extrema

0.75

Existe irregularidad torsional extrema cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, el máximo desplazamiento relativo de entrepiso en un extremo del edificio, calculado incluyendo excentricidad accidental, es mayor que 3 veces el desplazamiento relativo del extremo opuesto del mismo entrepiso para la misma condición de carga. 0.75 * ( 3.0 Δ min ) Δmáx Este criterio sólo se aplica en edificios con diafragmas rígidos y sólo si el desplazamiento relativo de entrepiso excede de 50 % del máximo permisible indicado en la Tabla 3.15 Esquinas Entrantes La estructura se califica como irregular cuando tiene esquinas entrantes cuyas dimensiones en ambas direcciones son mayores que 20 % de la correspondiente dimensión total en planta.

0.90

Discontinuidad del Diafragma La estructura se califica como irregular cuando los diafragmas tienen discontinuidades abruptas o variaciones importantes en rigidez, incluyendo aberturas mayores que 50 % del área bruta del diafragma. También existe irregularidad cuando, en cualquiera de los pisos y para cualquiera de las direcciones de análisis, se tiene alguna sección transversal del diafragma con un área neta resistente menor que 25 % del área de la sección transversal total de la misma dirección calculada con las dimensiones totales de la planta.

0.85

Sistemas no Paralelos Se considera que existe irregularidad cuando en cualquiera de las direcciones de análisis los elementos resistentes a fuerzas laterales no son paralelos. No se aplica si los ejes de los pórticos o muros forman ángulos menores que 30° ni cuando los elementos no paralelos resisten menos que 10 % de la fuerza cortante del piso.

3.2.8

0.90

Coeficiente de reducción de la fuerza sísmica (R) El coeficiente de reducción de la fuerza sísmica se determinará como el producto del coeficiente “Ro” presentado en la Tabla 3.12 y de los factores Ia, Ip obtenidos de las Tablas 3.13 y 3.14.

R  Ro * I a * I p

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Ecuación (3.10)

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3.2.9

Determinación de los desplazamientos laterales Para estructuras regulares los desplazamientos laterales se calcularán multiplicando por 0,75 R los resultados obtenidos del análisis lineal y elástico con las solicitaciones sísmicas reducidas. Para estructuras irregulares, los desplazamientos laterales se calcularan multiplicando por R los resultados obtenidos del análisis lineal elástico.

3.2.10 Desplazamientos laterales relativos permisibles El máximo desplazamiento relativo de entrepiso, no deberá exceder la fracción de la altura de entrepiso que se indica en la Tabla 3.15. Tabla 3.15 Limites de distorsion de entrepiso LÍMITES PARA LA DISTORSIÓN DEL ENTREPISO Material Predominante Concreto Armado Acero Albañilería Madera

(Δi/hi) 0.007 0.010 0.005 0.010

Edificios de concreto armado de ductilidad limitada

0.005

3.2.11 Estimación del peso (P) Se calculará adicionando a la carga permanente y total de la edificación un porcentaje de la carga viva o sobrecarga que se determinará de la siguiente manera: a) En edificaciones de las categorías A y B, se tomará el 50 % de la carga viva. b) En edificaciones de la categoría C, se tomará el 25 % de la carga viva. c) En depósitos, el 80 % del peso total que es posible almacenar. d) En azoteas y techos en general se tomará el 25 % de la carga viva. e) En estructuras de tanques, silos y estructuras similares se considerará el 100 % de la carga que puede contener.

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