El objetivo principal de las disposiciones especiales es garantizar una adecuada capacidad bajo los desplazamientos inelásticos oscilantes producidos por la carga sísmica.
Las disposiciones se aplican a pórticos, muros, diafragmas y cerchas en zonas de "amenaza sísmica alta", correspondientes a las zonas 3 y 4 del UBC y a pórticos, incluyendo sistemas de losa en dos direcciones, en zonas de "amenaza sísmica moderada" correspondientes a la zona 2 del UBC. No se establecen requisitos especiales para estructuras sometidas a amenaza sísmica baja o nula.
Debe considerarse el efecto de elementos no estructurales en la respuesta global de la estructura, al igual que la respuesta de los elementos no estructurales mismos. También deben tenerse en cuenta los elementos estructurales que no están específicamente dimensionados para soportar cargas sísmicas.
Para garantizar una adecuada ductilidad y capacidad bajo rotación inelástica, el Código ACI 21.1.4 especifica una resistencia del concreto mínima de 21MPA. Para concreto con agregados ligeros, se establece un límite superior en la resistencia del concreto de 35MPA; este límite se basa en una falta de evidencia experimental para concretos ligeros con resistencias mayores.
MEJORAS EN EL TIEMPO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
El Análisis Estructural es una rama antigua de la Ingeniería Civil, que se aplica en la ingeniería civil, podemos decir que es el responsable del diseño, planeamiento y cálculo de la parte estructural, (que forma un sistema integrado de vigas, columnas, losas, muros, presas, túneles, zapatas de cimentación y otros), que lo empleamos en los edificios urbanos, construcciones industriales, puentes, estructuras de desarrollo hidráulico y demás obras. Su propósito es la de obtener estructuras eficaces que resulten apropiadas a partir del punto de vista resistente. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica Newtoniana para el diseño de elementos y sistemas estructurales, que mayormente se necesita resolver problemas de alta complicación que se solucionan mediante técnicas de cálculo diferencial e integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos.
La ingeniería estructural es considerada como una reciente, a partir de 1683 cuando Galileo invento analizar una viga. Hasta entonces, se seguía un criterio empírico.
Entre los experimentos realizados por Galilei se encuentran los siguientes:
En la actualidad para estas pruebas se utilizan maquinas que realizan las pruebas de esfuerzo con muestras (probetas) de el material a evaluar con mecanismos que marcan la cantidad de carga aplicada para que la probeta llegue a la rotura.
En la actualidad también se han creado programa para modelar, analizar y diseñar las estructuras ya sea en el plano o en el espacio. Entre ellos podemos citar:
Y a estos cada cierto tiempo los fabricantes van lanzando versiones nuevas con mejoras que van simplificando el tiempo del cálculo de las estructuras y agregándole nuevas herramientas para hacer más eficiente el uso del programa y que los resultados arrojados por estos sean más cercanos a lo real.
Diseño sísmico de edificaciones
La Ingeniería Sismo-resistente es una propiedad o atributo de que se dota a una edificación, mediante la aplicación de técnicas de diseño de su configuración geométrica y la incorporación en su constitución física, de componentes estructurales especiales que la capacitan para resistir las fuerzas que se presentan durante un movimiento sísmico, lo que se traduce en protección de la vida de los ocupantes y de la integridad del edificio mismo.
Es una tecnología que diseña y ejecuta procesos constructivos con elementos estructurales, distribuidas previa aplicación de principios básicos como la simplicidad, simetría, resistencia, rigidez y continuidad de las obras, que les permita resistir los usos y las cargas sísmicas a que estarán sometidas durante su vida útil y también a los sismos.
Conceptos Generales del Diseño Antisísmico
Se han de tener en cuenta:
Propiedades de los materiales de construcción
Características dinámicas del sistema del edificio
Características de las cargas de flexión de los componentes del edificio.
Para un diseño adecuado del edificio se debe de definir la categoría a la que pertenece el edificio y hacer una planificación adecuada del diseño que consistirá en:
Planificación del edificio, conceptos básicos a cumplir: simetría, regularidad, separación en bloques, simplicidad y área cerrada.
Escoger el lugar. Es muy importante la estabilidad del suelo: estabilidad de la losa, arenas muy débiles y arcillas inestables.
Diseño estructural: depende mucho del material y es el factor más importante
Resistencia al fuego: se ha de tener en cuenta a la hora de escoger los materiales
Para un buen diseño estructural sismorresistente se ha de tener en cuenta lo siguiente:
Un buen suelo de base
Utilizar un mortero de junta de ladrillos de buena calidad
Se han de poner paredes de cizalla en lugares concretos
Losas de techo y suelo han de estar suficientemente ligadas a las paredes
Siempre es mejor una estructura deformable que una muy rígida.
Diseño Sismico de Puentes
Se propone un procedimiento de diseño sísmico de columnas de puentes de concreto reforzado, basado en desplazamiento, en el que se establece el cumplimiento de dos niveles de desempeño: servicio y supervivencia. La capacidad de desplazamiento de las columnas de sección rectangular y circular se calcula con expresiones empíricas en función de las dimensiones de la sección, de su cuantía de refuerzo longitudinal, de la carga axial, del refuerzo de confinamiento y de la esbeltez.
En muchos casos la falla por sismos de puentes de concreto se ha atribuido a insuficiencia en la capacidad de desplazamientos de sus columnas para absorber las grandes demandas de deformación inelástica inducida por la vibración de la estructura.
DISEÑO BASADO EN DESPLAZAMIENTO
En los últimos años se ha estado implementando el diseño basado en desplazamiento dentro del diseño sísmico de puentes. La razón de adoptar este procedimiento obedece a que los estados límites de daño pueden relacionarse adecuadamente con los límites de deformación, que a su vez son convertidos en
desplazamientos equivalentes, con los cuales el daño estructural puede ser controlado eficientemente mejor que con límites de resistencia. Dentro de los métodos de diseño basado en desplazamiento existen diferentes enfoques: diseño basado en desplazamiento directo, espectro del punto de fluencia y espectro de capacidad.
El procedimiento basado en desplazamiento directo, se deriva en gran medida del método de la estructura substituta desarrollado por Gulkan y Sozen (1974), para modelar un sistema inelástico con propiedades elásticas equivalentes. Con este enfoque se busca proveer al miembro de las características apropiadas, en cuanto a tamaño de la sección y cantidad de refuerzo y detallado, para desarrollar un
desplazamiento predeterminado para el sismo de diseño. Dentro de este procedimiento, generalmente se diseña para un comportamiento asociado a la respuesta última, por lo que se selecciona un desplazamiento objetivo.
Estados Limites.
Estado Limite de servicio.
Estado Limite de supervivencia.
El estado límite de servicio de un puente urbano corresponde al caso en que se pueda garantizar la operación inmediata del mismo después de un sismo, sin que para ello se requieran reparaciones. Para las columnas, esto se hizo corresponder a que no se presente agrietamiento residual perceptible. El control del ancho de grieta residual se considera más importante que el agrietamiento máximo producido bajo la acción sísmica, ya que del primero dependen tanto los efectos sicológicos del agrietamiento, como los posibles problemas de deterioro y corrosión. Se suele considerar que pasan desapercibidos anchos de grietas inferiores a 0.25 mm.
En el estado límite de supervivencia se acepta que en las columnas de puentes se presente daño severo, pero sin colapso para cuidar la integridad de los usuarios. Esto implica proveer a las columnas de la capacidad de deformación suficiente para resistir las demandas de deformación ante un sismo extraordinario. Esto da lugar a definir el estado límite de supervivencia de la columna con base en una capacidad de desplazamiento lateral, la cual no debe ser superada por la demandada por el sismo de diseño.
EFECTOS HIDRODINAMICOS EN EL ANALISIS SISMICO EN PRESAS BOVEDAS
La respuesta de una presa sola a una excitación sísmica es la típica de un sistema de varios grados de libertad cuyas matrices de masa, rigidez y amortiguamiento son independientes del contenido de frecuencias de la excitación. En cambio, a cusa de la presencia del agua embalsada, tanto las características dinámicas como la respuesta de la presa son distintas las de situación de embalse vacio.
Por una parte, el movimiento del terreno origina unos efectos inerciales en la masa de agua, cuya vibración transmite ondas de presión hidrodinámica, las cuales inciden sobre el trasdós de la presa. Por otra, la propia presa, en su vibración produce unas ondas de presión que se transmiten y se propagan por el medio fluido; al reflejarse dichas ondas en los contornos del embalse, pueden volver a incidir sobre la propia presa, cuyo resultado son unas presiones hidrodinámicas que se suman a las anteriores.
Reseña histórica.
Los primeros estudios en este campo fueron llevados a cabo por Hm westergaard. Resolvió el problema bidimensional consistente en el cálculo de las presiones hidrodinámicas sobre el paramento vertical de una presa rígida de sección triangular, sometida a una excitación horizontal armónica del terreno y en la dirección del rio. Asimismo, considero compresible el agua del embalse, cuyo fondo supuso horizontal y de extensión infinita hacia agua arriba (westergaard, 1933). Westergaard obtuvo una expresionanalitica para la distribución de la amplitud de las presiones hidrodinámicas sobre el trasdós; mostro que estas tienen fase opuesta a la aceleración del terreno, por lo que se podían interpretar como una fuerzas equivalentes de inercia, correspondientes a una ciertas masas de agua que acompaña solidariamente a la presa en su movimiento de solido rígido. La evaluación de dicha masa de agua se realiza a partir de la igualación de las fuerzas de inercia de la misma con la fuerza hidrodinámica ejercida sobre el trasdós de la presa, a causa de su movimiento. Esta analogía formo lavase del concepto de masa añadida.
PRESIONES HIDRODINAMICAS.
Durante un seísmo, la presa y el embalse entran en un estado de vibraciones forzadas que dan lugar a unas presiones hidrodinámica sobre el paramento de agua arriba de la presa, las cuales se suman a las hidrostáticas. Dichas presiones de origen dinámico son por tanto acciones a considerar para el análisis de la respuesta de una excitación sísmica. Por ello, cuanto más aproximadamente se determinen aquellas, mejor se podrá estimar esta ultima.
Como se ha indicado anteriormente, las presiones hidrodinámicas se producen por una parte a causa del movimiento (de solido rígido) del terreno, y por otra, a causa de la flexibilidad de la presa. Incluso se podrían considerar también las producidas por la deformación del terreno que rodea al embalse, aunque son de escasa importancia.
INTERACCION EMBALSE-PRESA –BOVEDA
La coexistencia de dos medios (la presa y el embalse) en contacto entre si mediante una interface, da lugar a que, por ser flexibles, ambos interaccionen.
Esto repercute sobre las presiones hidrodinámicas, pero además sobre las características dinámicas y sobre la respuesta de la presa a una excitación sísmica. En la situación de embalse parcial o totalmente lleno, la respuesta dinámica de la presa viene afectada por unos términos hidrodinámicos, que modifican las propiedades de la presa, mediante la introducción de unas masas, amortiguamientos y fuerzas adicionales.
METODOS NUMERICOS DE ANALISIS DEL SISTEMA PRESA BOVEDA-EMBALSE.
Las primeras tentativas de estudio de la respuesta del sistema formado por la presa y el embalse fueron de tipo analítico, ensayos en modelos mecánicos o bien mediante analogía eléctrica. El advenimientos de los ordenadores y el desarrollo de diversos métodos numéricos han hecho posible un avance considerable en el estudio del problema.de esta forma se ha conseguido representar configuraciones geométricas complejas.
El método de las diferencias finitos ha sido empleado por alguno autores (shul"man, voronkova, priscu e tal.) para el estudio bidimensional del dominio fluido (wertergaard e tal. 1933).
El método de los elementos finitos constituye la herramienta más poderosa hasta el momento, para el estudio del comportamiento conjunto de la presa bóveda y embalse. Ha sido empleado por numerosos autores, algunos de los cuales declaran que es un método efectivo y practico de representar los efectos del embalse, por lo que no hay razón aparente para continuar adoptando modelos de masas añadidas de tipo westergaard para el análisis de presas bóveda (clough e tal. 1985).
Innovaciones en el diseño sísmico de estructuras de acero
El diseño sismorresistente ha ido evolu-cionando en saltos discretos con cada nuevo terremoto, cambiando sus para-digmas y los objetivos de diseño, para prevenir que los efectos negativos obser-vados en las estructuras existentes vuel-van a ocurrir en el futuro.
Originalmente, el objetivo principal del diseño sismorresistente de estructuras, consistía en proveer suficiente resistencia de modo de poder soportar el terremoto más grande conocido hasta el momento. Luego, se reconoció que no era necesa-rio diseñar las estructuras para fuerzas tan potentes, si es que se permitía que desarrollaran deformaciones inelásticas controladas, es decir daño, con lo que se acuñó el concepto de ductilidad.
Innovaciones en marcos de momento
Marcos con conexiones postensadas (PT)
Este tipo de marco puede ser clasificado como un marco de momento con unio-nes semirrígidas. La innovación consiste en la utilización de cables de acero para postensar la viga a la columna y proveer de esa forma una conexión de momento, como se muestra en la Figura 2(a).
Este sistema estructural persigue dos objetivos principales: el primero es con-seguir una estructura que después de ser sometida a un terremoto vuelva a su posición original, es decir, no presente deformaciones laterales remanentes; y el segundo es concentrar el daño en ángu-los u otros elementos de sacrificio, que provean la disipación de energía.
El diseño de la conexión se hace conside-rando los estados límite o de fallas posi-bles. Debido a que los cables de acero de alta resistencia no poseen gran ductili-dad, las recomendaciones para el diseño de este tipo de conexiones (Garlock et al, 2007) establecen la siguiente secuencia de estados límite:
• Descompresión: Corresponde al ins-tante en que el momento generado por el sismo supera el nivel de pre-tensión aplicado inicialmente a la co-nexión y ésta comienza a abrirse.
• Fluencia de elementos secundarios: Corresponde al momento en que los elementos encargados de disipar energía comienzan a fluir.
• Fluencia de la viga: Corresponde al momento en que la viga comienza a desarrollar plastificación significati-va.
• Fluencia de los cables: Corresponde al momento en que los cables alcan-zan su tensión de fluencia.
• Fractura de los cables: Corresponde al momento en que los cables alcanzan su tensión de rotura.
Marcos con vigas de sección reducida (RBS)
El objetivo de reducir la sección de la viga es el de tener una conexión viga-columna más resistente que la viga, de manera que las deformaciones plásticas se de- sarrollen en la sección reducida de la viga. De esta forma, la sección reducida actúa como un fusible limitando las ten-siones en la región menos dúctil en las cercanías de la conexión viga-columna. La reducción de la sección de la viga puede ser constante o variable tal como lo muestra la Figura 3.
Innovaciones en marcos arriostrados
Marcos con arriostramiento restringido al pandeo (BRBF)
Un marco del tipo BRBF es un marco arriostrado en forma concéntrica en que los elementos que forman el sistema de arriostramiento están compuestos por dos elementos principales: núcleo de acero que resiste la carga axial y un sis-tema externo que restringe el pandeo del núcleo de acero (Figura 4).
Muros de corte de placas de acero (SPSW)
Un marco tipo SPSW es un sistema de- sarrollado para resistir cargas laterales, que utiliza paneles de relleno formados por planchas de acero conectados a vigas (elemento horizontal de borde) y columnas (elemento vertical de borde), e instalados en uno o más vanos a lo lar-go de la altura del marco de manera de formar un muro voladizo (Figura 6). Un marco tipo SPSW sujeto a ciclos de de-formaciones inelásticas, exhibe una alta rigidez inicial presentando un comporta-miento dúctil, características que permi-ten la utilización de este tipo de marco no sólo en el diseño de nuevas estructuras sujetas a cargas sísmicas, sino que tam-bién en la reparación y reforzamiento de estructuras existentes.
Errores en el diseño sismico resistentes en edificaciones.
LOS TERREMOTOS son uno de los fenómenos mas imprevisibles y difíciles de evitar cual sea la intensidad que tenga, producen efectos negativos sobretodo en la construcción. Por lo que es necesario un adecuado diseño de la estructura y elección del material de construcción con el fin de conseguir construcciones sísmicas.
En países empobrecidos, generalmente, una gran parte de la población no tiene la formación necesaria para realizar una construcción adecuada, siendo este sector el más afectado debido a los terremotos.
En su orden de importancia existen algunos criterios relevantes al momento de definir el sistema constructivo de determinada edificación así como:
– SEGURIDAD : que cumpla con las normas sismorresistentes del país.
– PRESUPUESTO: que se ajuste al presupuesto que tiene previsto el dueño del proyecto.
–ESTETICA: que sea armónico con el medio que lo rodea y agradable a la vista de espectadores.
El objetivo de las normativas sismorresistentes es evitar la perdida de vidas humanas y reducir el daño y el costo económico que puedan ocasionar los terremotos no sufran daños relevantes ante sacudidas sísmicas pequeñas, puedan resistir sin daños estructurales ante movimientos sísmicos moderados y puedan evitar el colapso ante las sacudidas mas fuertes previsibles con una probabilidad razonable, aunque con posibles daños.
Objetivo del reglamento para construcción sismorresistentes
El objetivo pude resumirse en:
1-evitar perdidas de vidas humanas y accidentes que pudieran originarse por la ocurrencia de cualquier evento sísmico.
2-Evitar daños en la estructura y en las componentes de cada construcción, durante terremotos de frecuente ocurrencia.
3-Evitar que se originen colapso total o parcial en las construcciones es, que puedan poner en peligro la seguridad de las personas durante terremotos muy severos, de ocurrencia extraordinaria.
Los principios de la sismo resistencia
La geometría de la edificación debe ser sencilla en planta y en elevación. Las formas complejas, irregulares o asimétricas causan un mal comportamiento cuando la edificación es sacudida por un sismo. Una geometría irregular favorece que la estructura sufra torsión o que intente girar en forma desordenada. La falta de uniformidad facilita que en algunas esquinas se presenten intensas concentraciones de fuerza, que pueden ser difíciles de resistir.
Éxitos y fracaso del diseño sismos resistente
Antecedentes
El diseño de sismo resistente ha evolucionado desde sus planteamientos más primitivos establecidos a finales del siglo pasado en Japón y comienzos del presente en Italia, hasta el sistema de codificación actualmente predominante en muchos países el cual se denomina aquí codificación moderna. El sismo de mesina en 1905 podría considerase de origen de un intenso; los italianos dieron el ejemplo en tal caso y el sismo de Tokio en 1923, reforzó las inquietudes de los ingresos japoneses sobre el tema.
Éxito y fracasos de los códigos
La ingeniería de construcción es un vivido ejemplo de la aprendiza del hombre por ensayo y error con el fin de soportar mejor sus investigaciones analíticas y en ciertos casos las experimentales. Si una construcción es avería, los ingenieros observan, modifican y construyen de nuevo. Si lo nuevo se comporta mejor, la medida o medidas que condujeron a la mejora. Piensan a hacer parte del patrimonio técnico. En el caso de los sismo se aprende revisando lo bueno y lo malo.
Si en algunas región del mundo se hubieran diseñado y construido varios centenares de edificios de diferentes alturas y formas siguiendo la más moderna codificación sisma resisten, si la amenaza sísmica se hubiera evaluado con base en una buena información tectónica y apreciable información sísmica instrumental, si las condiciones de respuesta local se hubieran evaluado y establecido con la vigilancia apropiada como para sacudida por un sismo tal que los registros instrumentales lo mostraran compatible con las previsiones de la amenaza sísmica loca, entonces existiría un escenario apropiado para intentar hablar estadísticamente de éxito o fracaso del diseño y la construcción sismo resistente. Hasta donde el autor con este escenario todavía no se ha dado.
Éxito serial aquel que se dedujera de un correcto comportamiento estadísticamente valedero. Resultar sin daños no necesariamente será un éxito; téngase en cuanta que una construcción sin daño pudo comportarse bien, pero con base en un diseño excesivamente costoso. Éxito es la correspondiente a un comportamiento apropiado, sin sobrepasar las necesidades reales. Una construcción no afecta, cercana a otras similares si afectadas, puede haber sido favorecida por condiciones muy locales que pudieran enmascara el relativo éxito frente a la prueba que la sometió al sismo.
Fracaso correspondería a aquello que construido siguiendo la normalización se daño con un sismo similar al máximo previsto por el código de una localidad.
Mal confinamiento del concreto
Como en los casos anteriores abunda la descripción de las fallas de elementos estructurales, principalmente columnas, debido a su pobre confinamiento de su núcleo resistente. Sin embargo, ya desde comienzos de la década de 1960-1970 el fenómeno se había estudiado en profundidad.
Descripción del problema: si hay un refuerzo transversal abundante y poco espaciado, la resistencia ultima y la capacidad de deformación a la rotura del concreto reforzado aumentan notoriamente, ofreciendo seguridad extra en los sistemas estructurales. Si esta condición no se da, los elementos resistencia a la tradición diagonal se agota antes que la dispone a flexión no tienen entonces capacidad de disipar energía en el rango inelástico y se ven sometidos a fallas frangibles.
Conclusión
Conforme pasa el tiempo cobra más importancia el tema "sísmico". Hemos visto como en los últimos días el mundo ha sido sorprendido por repentinos terremotos que en algunos casos ponen de manifiesto la existencia de una pobreza estructural carente de un adecuado diseño sísmico. Por citar una comparación está el caso del terremoto que azoto a Haití, este devasto casi por completo todas las edificaciones de ese país. Chile también fue afectado por un terremoto, cien veces mayor que el de Haití, pero sus edificaciones no sufrieron tantos daños, esto debido a que cuenta con normas antisísmicas. Esta son razones por la cual debe conformarse un proceso de aprendizaje de la comunidad técnica profesional para evitar que las tragedias tengan graves consecuencias que lamentar, esto es debido a que existen construcciones diseñadas con el código local que han sido destruidas o fuertemente afectadas. En estos casos el código aplicado resulto deficiente. Donde esto ha ocurrido se han preocupado por mejorar las deficiencias para obtener mejores códigos.
Con solo unos principios básicos muy elementales compartidos por los ingenieros diseñadores y los constructores, una comunidad estaría elevadamente protegida contra la acción de sismos intensos futuros. Los principios son conocidos, pero poco difundidos. Solo en la década pasada los diferentes seminarios, talleres, congresos, y publicaciones de difusión comenzaron a surtir efecto para entrenar mejor a los ingenieros comenzaron a surtir efecto para entrenar mejor a los ingenieros relacionados con el diseño y la construcción resistente al efecto de los sismos.
BIBLIOGRAFIA E INTERNETGRAFIA
1. ACI-318 2008 (Cap. 21)
2. Recomendaciones Provisionales para el Análisis Sísmico de Estructuras.
3. Norma Técnica para el diseño Sismo resistente (E030 de Perú)
4. Diseño sismorresistente de edificios (Luis M. Bozzo – Alex Barbat)
5. Diseño de Estructuras de Concreto (Arthur Nilson)
6. CRUZ, Z; RIDDELL, R; VAN SINT JAN, M; HIDALGO. P RODRIGUEZ, F VAZQUEZ J; LUDERS, C; TRONCOSO, J.
7. CRUZ, Z; RIDDELL, R; VAN SINT JAN, M; HIDALGO. P RODRIGUEZ, F VAZQUEZ J; LUDERS, C; TRONCOSO, J.
8. ´´Lecciones del sismo del 3 de marzo de 1986 ´´Instituto Chileno del Cemento y del Hormigon. 1988.
- 9. GIESECKE, A; OCOLA, L ; SILGADO, E ; HERRERA, J; GIULIANI, H.
10. ´´El terremoto de Lima, Peru, del 3 de Octubre de 1974´´ Ceresis- Unesco Sc/RP-501-013
11. GRASES, José El sismo Caracas de 1967. Estudio orientados hacia su interpretación a partir del comportamiento de estructuras ´´Institución de maternales y modelos estructurales.
Autor:
Rionia Acosta G.
Mérida de la Cruz
Robert Nina S.
Toribio A. Fernández
Allen Pérez
Luis Manuel Muñoz
Carlos F. Moreta
Víctor A. Martínez
Jonathan Cedano M.
Ramón A. Olivo M.
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