Conceptos Basicos 1q4l2g

Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Estructuras Proyectos Estructurales

PRINCIPIOS DE SISMICIDAD Y DISEÑO SÍSMICO Prof. Orlando Ramírez Boscán Mérida, marzo de 2006

http://www.iris.edu/seismon/

http://neic.usgs.gov/neis/qed/

http://earthquake.usgs.gov/eqcenter/recenteqsww/

http://tsunami.geo.ed.ac.uk/local-bin/quakes/mapscript/home.pl

http://www.funvisis.gob.ve/

http://www.funvisis.gob.ve/

http://www.funvisis.gob.ve/

Mapa de Amenaza Sísmica de Venezuela

Sismicidad en Venezuela

Conceptos Básicos Al ocurrir un sismo, el suelo vibra de manera errática lo cual afecta al edificio en su base y, como consecuencia, el resto de la edificación responde también con movimientos vibratorios. El edificio sufrirá daños cuando no pueda resistir esas vibraciones. Como hasta ahora no podemos evitar, ni siquiera reducir, la probabilidad que ocurra un sismo en una zona sísmica, es conveniente comprender cual es el riesgo que estamos dispuestos a correr cuando construimos una edificación en esa zona. Es importante diseñar la estructura para que resista los efectos de un sismo y así reducir su grado de vulnerabilidad

Conceptos Básicos

Amenaza Sísmica. Es la probabilidad de que durante un período de tiempo y lugar particulares, ocurra un sismo que produzca aceleraciones del suelo local suficientes para ocasionar daños. La amenaza sísmica constituye uno de los componentes más importantes del contexto en donde vamos a ubicar la edificación, cuando diseñamos en zona sísmica. Esta información generalmente se encuentra en la normas para edificaciones sismo resistentes.

Conceptos Básicos

Vulnerabilidad ante amenaza sísmica es la capacidad que tienen los elementos expuestos, tales como las edificaciones, a resistir los efectos de un sismo sin daño permanente. Se puede definir vulnerabilidad como "la cuantificación del potencial de mal comportamiento con respecto a una solicitación".

Conceptos Básicos

Riesgo ante la amenaza sísmica se define como las probabilidades de que en un lugar y durante un período de tiempo particulares, puedan producirse pérdidas humanas y/o materiales como consecuencia de un sismo. Estas pérdidas probables se pueden expresar en unidades monetarias, número de víctimas o cantidad de estructuras dañadas.

Conceptos Básicos La estimación del riesgo se hace de acuerdo con las características tanto del conjunto de elementos expuestos (grado de vulnerabilidad) como del sismo (grado de amenaza), durante un período de tiempo y lugar particulares. El riesgo es, por lo tanto, una función de la amenaza sísmica por la vulnerabilidad de los elementos expuestos. R = f (a, v) Así que, hasta ahora, la única manera de reducir el riesgo de daño de una edificación ante una amenaza sísmica es reduciendo la vulnerabilidad. El grado de vulnerabilidad de una edificación puede ser reducido a través de las variables de diseño, es decir, produciendo soluciones estructurales sismorresistentes.

Fuerzas Sísmicas en Edificaciones

En el caso de los sismos, las fuerzas que debe resistir la edificación son fuerzas de inercia producidas por la propia edificación al intentar regresar a su posición de equilibrio original, en el momento en que su base se mueve por los efectos del sismo.

Fuerzas Sísmicas en Edificaciones Al moverse la base con el suelo, las partes superiores se irán desplazando, buscando recuperar su posición original en relación con la base del edificio. Pero, debido a que estos movimientos no son constantes sino erráticos y varían en el tiempo, cada una de esas otras partes de dicha edificación, reaccionará de manera y en momentos diferentes, como consecuencia de los movimientos de traslación y rotación producidos en la base por el sismo.

Fuerzas Sísmicas en Edificaciones Las fuerzas sísmicas son fuerzas de inercia generadas internamente por la vibración de la masa del edificio. De acuerdo a la segunda Ley de Newton, la fuerza de inercia es directamente proporcional a la masa y a la aceleración total de la misma.

AMPLIFICACIÓN El movimiento sísmico inicial puede ser amplificado por: • Naturaleza de la roca • Tipo y profundidad del terreno en la superficie (sitio) • Suelos blandos pueden amplificar el movimiento hasta 6 veces • Las amplificaciones son más pronunciadas a períodos cortos

Fuerzas Sísmicas en Edificaciones La fuerza cortante horizontal originada por las acciones sísmicas en la base de la edificación, se llama fuerza cortante basal. En las normas, generalmente la ecuación para el cálculo de la fuerza cortante basal, viene complementada con una serie de coeficientes relacionados con: la zonificación sísmica, el tipo de suelo, la importancia del edificio y el tipo de sistema estructural.

V0 = c × W c = coeficiente de corte basal W = peso de la estructura

FUERZA CORTANTE BASAL V0 Fi

Vo

V0 = c × W

Fuerzas Sísmicas en Edificaciones El comportamiento del edificio ante las fuerzas producidas como reacción al movimiento del suelo (fuerzas dinámicas) dependen de: 1. Las propiedades del edificio en sí, tales como: la masa del edificio, su período fundamental de libre vibración, y su habilidad para absorber las fuerzas sin daño critico (factores de resonancia y de amortiguamiento); y

2. Las características del sismo, las aceleraciones del suelo y la duración de la sacudida. La relación entre estos factores, afecta la magnitud de las fuerzas reales que el edificio puede resistir sin sufrir daño critico (irreparable).

AMORTIGUAMIENTO El amortiguamiento es una medida de la ineficiencia de la habilidad de vibrar de un edificio (comparado con un objeto eficiente como un columpio) El amortiguamiento depende de los materiales de construcción, sus conexiones y la cantidad de elementos arquitectónicos como paredes, tabiques y cielos rasos

CONFIGURACIÓN – Tamaño y Forma A medida que la configuración del edificio se desvíe mas de la forma de un simple rectángulo, es más probable que éste sufra algún daño. Las irregularidades de configuración resultan en dos efectos principales: concentraciones de esfuerzos y efectos torsionales

Conceptos Básicos El amortiguamiento es la capacidad de la edificación a neutralizar o suprimir la vibración, y por lo tanto, a disipar energía. Carga estática es aquella cuyo valor no cambia con el tiempo. Un ejemplo de carga estática lo representan las cargas muertas ya que éstas permanecen constantes (su valor no cambia) con el paso del tiempo. Carga o excitación dinámica es aquella cuya intensidad es función del tiempo, o sea que su intensidad varía con el tiempo. Un sismo es una excitación dinámica ya que las aceleraciones del terreno cambian de valor en cada fracción de segundo.

Conceptos Básicos Deriva Se entiende por deriva el desplazamiento horizontal relativo entre dos puntos colocados en la misma línea vertical, en dos pisos o niveles consecutivos, de la edificación. Ductilidad: Es la capacidad que deben tener los componentes del sistema de resistencia sísmica de deformarse sin pérdida apreciable en su capacidad resistente. Rigidez: capacidad de resistencia de un cuerpo a cambiar de forma al serle aplicadas fuerzas exteriores.

Conceptos Básicos

Resistencia sísmica en las diferentes direcciones horizontales: "Dado que los efectos sísmicos pueden ser preponderantes en cualquier dirección horizontal, la estructura debe tener resistencia sísmica en todas las direcciones y por lo tanto el sistema estructural de resistencia sísmica debe existir en dos direcciones ortogonales o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se garantice la estabilidad, tanto de la estructura considerada como un todo, como de cada uno de sus elementos, ante movimientos sísmicos que puedan ocurrir en cualquier dirección horizontal."

Conceptos Básicos La resonancia es un fenómeno que se manifiesta en un sistema o cuerpo elástico al aplicarle una fuerza periódica de frecuencia igual o parecida a la del cuerpo o sistema, de manera que provoca un aumento de las vibraciones, al comportarse como un resonador. Se dice que existe resonancia cuando la frecuencia de excitación coincide con la frecuencia natural del sistema y se obtiene la amplificación dinámica máxima. El valor de la amplificación máxima es muy sensible al nivel de amortiguamiento. Entre más pequeño es el amortiguamiento mayor será la amplificación.

Conceptos Básicos La resonancia entre la estructura y el suelo ocurre cuando el período de vibración del edificio coincide con el período natural del suelo, por lo que la vibración del edificio irá en aumento. Generalmente, los movimientos en las áreas cercanas al epicentro son altamente erráticas y entran en el rango de períodos cortos; como resultado, los efectos de resonancia en esta área afectara a los edificios bajos y rígidos. En las áreas distantes del epicentro, los períodos largos afectan a los edificios altos y flexibles.

Conceptos Básicos Un buen ejemplo de ello se observó en el sismo de México en 1985, en el que los edificios altos en la zona de la laguna (suelos blandos) de Ciudad de México entraron en resonancia. En el caso del sismo de Caracas 1967, fue evidente la relación de daño entre los edificios altos y las amplificaciones en los períodos del suelo debido a las grandes profundidades de ese suelo aluvional, lo que ocasionó resonancia y como consecuencia graves daños y hasta el colapso de algunos de estos edificios.

MUROS DE CORTANTE

ARRIOSTRAMIENTOS SIMPLES

ARRIOSTRAMIENTOS CRUZADOS

OTROS TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS

Arriostramientos de esquina

Arriostramientos en K

Arriostramientos Arriostramientos en V en V invertida

PORTICOS RIGIDOS

NUEVOS SISTEMAS DE PROTECCION SÍSMICA Los nuevos sistemas consisten en: • Modificar las fuerzas sísmicas que son trasmitidas por el terreno al edificio. • Modificar la respuesta del edificio.

AMORTIGUADOR VISCOSO

AMORTIGUADORES METÁLICOS

AMORTIGUADOR DE FRICCIÓN

TORRE MAYOR. CIUDAD DE MEXICO

TORRE MAYOR. CIUDAD DE MEXICO

TORRE MAYOR. CIUDAD DE MEXICO

TORRE MAYOR. CIUDAD DE MEXICO

TORRE MAYOR. CIUDAD DE MEXICO

Deformaciones producidas en las edificaciones

La respuesta total del sistema estructural (desplazamiento, rotaciones, fuerzas internas, etc.) depende de la rigidez relativa de sus elementos y de la capacidad de absorción de deformación (a la flexión y/o al corte) de los elementos verticales existentes (pantallas, columnas, etc.).

Deformaciones producidas en las edificaciones

Aunque en la realidad las edificaciones se mueven en diferentes direcciones durante el sismo, generalmente se consideran tres componentes principales del movimiento: dos desplazamientos horizontales ortogonales, un desplazamiento vertical y tres rotaciones sobre cada uno de los ejes de desplazamiento. Los movimientos en cada una de las direcciones producen efectos diferentes en las distintas porciones del edificio, las cuales reaccionan de diferente manera a los movimientos de traslación y rotación del suelo, dependiendo de las características del movimiento del suelo, y a las propiedades del edificio.

Deformaciones producidas en las edificaciones

La configuración de la edificación como un todo, así como la configuración y ubicación de cada una de sus diferentes componentes, afecta la magnitud de las fuerzas reales que dicha edificación tendrá que resistir sin sufrir daño crítico cuando ocurre un sismo.

Desplazamientos Horizontales

La naturaleza del movimiento del suelo que afecta a las edificaciones es predominantemente horizontal. Las fuerzas horizontales generadas hacen mover cada una de las partes de la edificación de un lado hacia otro, desplazándolas horizontalmente de su posición original unos con relación a los otros.

Desplazamientos Horizontales

Cuando un sismo ocurre, la base de la edificación se desplazará con el suelo en la misma dirección que éste; pero, los otros pisos se moverán de manera y en tiempo diferentes, tratando de recuperar su posición original en la edificación. Mientras tanto el suelo ha comenzado a moverse nuevamente en la dirección contraria, produciéndose nuevos desplazamientos horizontales en la dirección contraria los cuales a su vez producirán deflexiones laterales que la estructura tendrá que resistir. Si la edificación no puede resistir estos desplazamientos , sufrirá daños.

Desplazamientos Horizontales

Desplazamientos Verticales

Los edificios están básicamente diseñados para resistir los efectos verticales de la fuerza de la gravedad. Sin embargo, esto no es suficiente para resistir las fuerzas producidas por un terremoto debido a las características de reversión (cambio de dirección) de los efectos verticales de las fuerzas sísmicas. La componente vertical del movimiento sísmico aumenta y disminuye los efectos de la fuerza de la gravedad. Estos efectos pueden producir esfuerzos que no estaban previstos y hasta el desplazamiento vertical del edificio de sus bases.

Desplazamientos Verticales

En los voladizos, debido a su condición de extremos libres, se pueden producir desplazamientos verticales considerables, los cuales pueden causar daños en los elementos de tabiquería. La Norma Sísmica incluye las consideraciones que se deben tener cuando existen voladizos.

Desplazamientos Verticales

Efectos Torsionales

Cuando se presentan desequilibrios estructurales en una edificación, se pueden generar efectos torsionales, siendo la torsión una de las principales causantes de los daños producidos por los sismos en las edificaciones. La torsión consiste en la acción de dar vueltas a un objeto, en este caso un edificio, por sus dos extremos (superior e inferior), rotando cada uno de ellos en sentido contrario.

Efectos Torsionales

Al rotar la base de una edificación debido a los efectos de un sismo, por inercia los pisos superiores seguirán el movimiento de la base, pero mientras éstos intentan alcanzar su posición relativa en la edificación, la base ya se está regresando con el movimiento del suelo, por lo que se generan en el extremo superior de la edificación rotaciones en el sentido contrario.

Efectos Torsionales

Estas torsiones se deben al desequilibrio en la distribución de rigideces en la edificación. Para que una edificación se mantenga en equilibrio y para que al aplicar una fuerza horizontal se produzcan desplazamientos mas no torsiones, deberían coincidir el centro de masa con el centro de rigidez. Si la distribución de los componentes resistentes a las fuerzas laterales no es simétrica, se produce un desplazamiento del centro de rigidez con respecto al centro de masa y la edificación rotará.

Efectos Torsionales

Efectos Torsionales • El centro de masa es el punto hipotético de un nivel, en donde se supone que actúa la resultante de las fuerzas gravitacionales para obtener un sistema en equilibrio. Es el centro geométrico de todas las masas reactivas. El centro de rigideces de un nivel, es el centro geométrico de las rigideces relativas de todos los componentes verticales que resisten fuerzas horizontales. Es aquel punto del nivel donde al aplicar un a fuerza horizontal, el nivel se traslada sin rotar respecto al nivel inferior. • La excentricidad es la distancia entre el centro de rigideces y el centro de masa.

Efectos Torsionales

A pesar del esfuerzo que se haga por reducir la excentricidad al mínimo en el diseño de la edificación, generalmente se puede producir una torsión o excentricidad accidental generada por variaciones imponderables en los valores considerados para el cálculo de los momentos torsionales. Estas variaciones se pueden producir por defectos en la construcción, concentración de equipos pesados o mobiliario, remodelaciones arquitectónicas y otros factores que no fueron considerados en el análisis inicial y los cuales se escapan de la mano del diseñador estructural.