UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES FACULTAD DE ARQUITECTURA DISEO Y URBANISMO

CARRERA DE ARQUITECTURA

E S T R U C T U R A S I I I

Tema: ACCIONES SISMICAS

Ing. Jos Mara Canciani

Arqa. Cecil ia Cei

Ao Acadmico: 2011

ACCIONES SISMICAS La accin de los sismos sobre los edificios y el comportamiento de stos frente a una solicitacin de tal naturaleza es compleja. Aunque se ha adelantado mucho al respecto, especialmente en algunos pases, an queda mucho por estudiar y experimentar. Adems existen diferencias en los recursos tecnolgicos, econmicos y naturales entre las diferentes naciones, y an entre distintas regiones de un mismo estado. En los ltimos 10 aos en ciudades importantes a nivel mundial se han dado sismos catastrficos que han provocado la muerte de ms de 100,000 personas. En la mayora de los casos las fallas se han debido a problemas de mala calidad de los materiales utilizados en la construccin, ausencia o deficiencias en el diseo estructural o composicin arquitectnica inadecuada. Gran parte de las construcciones existentes en zonas ssmicas no se cien a un criterio de diseo adecuado que las haga razonablemente seguras en caso de terremotos. Contando slo con conocimientos rudimentarios y el deseo de aumentar la seguridad ssmica, muchas veces las obras se han encarecido exageradamente y hasta se han sobredimensionado elementos que con su excesivo peso contribuyen al derrumbe de la estructura.- O bien a la inversa, haciendo caso omiso del efecto ssmico, se construyen edificios incapaces de mantenerse en pie an ante la presencia de sismos dbiles. Por lo tanto, para evitar que los terremotos devengan en catstrofes, es necesario disminuir la vulnerabilidad de las construcciones , lo que se logra mediante el desarrollo, actualizacin permanente y aplicacin efectiva de reglamentos para construcciones sismorresistentes. Es por esto que en 1972 se crea el Instituto Nacional de Prevencin Ssmica (INPRES), que en 1983 crea el Reglamento Argentino para Construcciones Sismorresistentes (CIRSOC 103).Interesa fundamentalmente el aspecto preventivo de esta norma, que tiene los siguientes objetivos: Evitar prdidas de vidas humanas y accidentes, que pudieran originarse por la ocurrencia de

cualquier evento ssmico, protegiendo los servicios y bienes de la poblacin durante el sismo. Evitar daos en la estructura y en los componentes de la construccin en sismos de

frecuente ocurrencia, o reducirlos al mnimo en los de mediana intensidad. Evitar que en las construcciones se originen daos y colapsos que pongan en peligro a las

vidas de las personas o que inutilicen a esas construcciones en el caso de sismos severos o extraordinarios.

Lograr que las construcciones esenciales de servicios de emergencia sigan funcionando, an en sismos destructivos.

Por todo lo expuesto, en el presente apunte se tratarn, en forma simplificada los siguientes temas: I. Caractersticas Generales de los Fenmenos Ssmicos II. El efecto que estos provocan en los edificios , en particular sobre su comportamiento

estructural , que incluye la determinacin de las caractersticas de magnitud y distribucin de las cargas ssmicas y el dimensionamiento o las verificaciones pertinentes.

III. Recomendaciones sobre el diseo (arquitectnico, estructural, etc.) y las prevenciones constructivas , de ejecucin y de control a tener en cuenta para este tipo de solicitacin.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SISMOS

Los sismos son fenmenos geolgicos. Los instrumentos de medicin han permitido detectar dos tipos de sismos: I. Microsismos: movimientos ssmicos no perceptibles por el hombre y detectado

solamente por instrumentos. II. Macrosismos: se refiere al conjunto de temblores y terremotos. Se analizarn estos ltimos, pues los microsismos no comprometen la estabilidad de las construcciones. ZONAS SISMICAS Los sismos no ocurren con igual frecuencia ni intensidad en todas las regiones de la tierra.

En general y a grandes rasgos, se puede decir que la s zonas ssmicas se agrupan alrededor de 2 amplios crculos que rodean la tierra: El 1 es el llamado Crculo Circumpacfico que rodea el ocano pacfico. El 2 es el llamado de los Mares Mediterrneos que comprende las cuencas martimas producidas por grandes hundimientos tales como el Mar Mediterrneo y el Caribe, la cuenca de Clebes con la situada al Sur de China y el Mar Rojo, atravesando luego la lnea del Ecuador. Irradian de este 2 crculo dos zonas bastante activas: una de Africa Oriental hasta el Cabo de Buena Esperanza y otra que comprende las zonas montaosas del Cucaso, Himalaya e Irn. TEORIA SOBRE EL ORIGEN DE LOS SISMOS Los sismos ocurren preferentemente en zonas de perfil accidentado, especialmente las ocupadas por cordilleras y montaas geolgicamente nuevas, donde puede suponerse que las rocas todava no han alcanzado su equilibrio definitivo y estable. La causa directa de los sismos podra buscarse entre las tres siguientes: I. Derrumbamiento de cuevas subterrneas de grandes dimensiones II. Erupciones volcnicas

III. Formacin de fallas, rupturas y dislocaciones de capas enteras de la costra terrestre. Estos son los llamados sismos tectnicos : los de mayor importancia tanto en nmero, como en extensin y gravedad.

El origen de los sismos se debe a fenmenos mecnicos, los cuales se proveen de la energa necesaria de las caractersticas trmicas de la tierra. As, en ltima instancia el origen de los sismos es trmico, gracias a la radioactividad y al proceso de enfriamiento del planeta. Una vez acumulada la energa, se produce el sismo por factores secundarios tales como el geomagnetismo. La ausencia de estos factores puede prolongar el tiempo de inactividad ssmica. FOCO SSMICO Y EPICENTRO El punto donde se inicia la fractura se llama FOCO SISMICO. Corresponde al centro de perturbacin mecnica y desde all se supone que se inicia la irradiacin de la energa. El punto de la superficie de la tierra ubicado directamente sobre el foco se denomina EPICENTRO. Las perturbaciones mecnicas producidas en el foco ssmico se propagan en forma de ondas ssmicas a travs de la tierra, dando origen a los movimientos vibratorios del suelo. Estos movimientos pueden ser medidos por instrumentos especiales: los sismgrafos. El registro grfico del movimiento del suelo es el sismograma. ONDAS SSMICAS Durante el sismo el suelo se mueve en forma oscilatoria, tanto en sentido horizontal como vertical. El movimiento del suelo se desarrolla en forma ms o menos aleatoria, especialmente en el epicentro, rea central del sismo. Estos desplazamientos se caracterizan por su aceleracin, intensidad y velocidad mximas, factores que dependen de la distancia y profundidad del foco ssmico y la geologa del lugar. La energa ssmica es transmitida por el suelo a la construccin que le es solidaria, y esta reacciona por inercia frente a los movimientos ssmicos deformndose o disipando en alguna otra forma de trabajo interno la energa recibida. Se presentan 3 formas distintas de ondas ssmicas: I. Longitudinales:

Son ondas de compresin y dilatacin peridicas y sus vibraciones tienen la misma direccin que la de propagacin de onda. Se las asimila a las ondas sonoras. Tienen la mayor velocidad de propagacin-

II. Transversales:

Las vibraciones son perpendiculares a la direccin de propagacin. Un equivalente son las ondas luminosas-

III Superficiales: Se propagan como su nombre lo indica, en las capas ms superficiales de la tierra,

en el subsuelo. Se la compara con las ondas martimas. Su velocidad de propagacin es la ms lenta. La componente vertical de estas ondas no representa, en general, mayor peligro para las estructuras ya que solo compromete la compresibilidad de las mismas. En cambio la componente horizontal y sus caractersticas: a) amplitud y b) frecuencia, debern tomarse en cuenta en los clculos estructurales tendientes a obtener estructuras assmicas.

Los perodos de las ondas ssmicas son bastante variables. Cerca del epicentro se reducen los perodos a duraciones de slo 0,5 a 0,3 seg. y, por lo tanto mayor frecuencia de onda. Estos son los que ms interesan el las aplicaciones prcticas.

Como todas las ondas, las ssmicas satisfacen las leyes de reflexin y refraccin. Cada vez que se encuentran con diferentes capas terrestres. Esto significa que los rayos ssmicos no siguen lneas rectas en el interior de la tierra ya que la densidad de la misma aumenta con su profundidad, sino que describen curvas

MOVIMIENTO OSCILATORIO: OSCILACIN: Movimiento de un punto que se desplaza alternativamente en un sentido y en otro, pasando siempre por las mismas posiciones. PERIODO (T): Tiempo que se tarda en hacer una oscilacin completa. FRECUENCIA: Nmero de vibraciones por unidad de tiempo en un fenmeno peridico. Es inversamente proporcional al perodo AMPLITUD: Valor que caracteriza la intensidad del fenmeno oscilatorio, el cual puede corresponder a: un

INTENSIDAD Y MAGNITUD SISMICA : ESCALAS DE MEDICION. La medida de intensidad de un sismo se establece en grados que corresponden a determinadas escalas de intensidad ssmica previamente establecidas basadas en la sensacin de las personas y en la observacin de los efectos sobre las construcciones provocados por el sismo. Por ello, la intensidad corresponde a una descripcin cualitativa del sismo. La escala de intensidad ssmica ms ampliamente usada en la actualidad es la Escala Modificada de Mercalli (1931) que comprende 12 grados. (revisada en 1964) Para poder clasificar a los sismos en forma cuantitativa en relacin con la violencia del movimiento del suelo surge la determinacin de su magnitud, medida objetiva, instrumental, relacionada con la energa liberada por el movimiento ssmico. La magnitud se expresa en la Escala de Richter que corresponde a mediciones efectuadas sobre un sismograma obtenido de un sismgrafo normal, ubicado a 100 km. del epicentro. EL SUBSUELO Y LA INTENSIDAD SISMICA Los rayos ssmicos atraviesan el suelo y debido a la heterogeneidad del mismos las ondas ssmicas no solamente cambian de direccin, sino que tambin quedan sometidas a efectos tanto de absorcin como de resonancia, provocados por el material atravesado. Esta resonancia es posible si las caractersticas elsticas del subsuelo estn de acuerdo con la frecuencia de las vibraciones ssmicas, en cuyo caso la intensidad puede incrementarse enormemente. Las construcciones levantadas sobre rocas (suelos rgidos) podrn estar sometidas a movimientos oscilatorios cuya amplitudes verticales alcancen algunos centmetros, y a aceleraciones an mayores que la de la gravedad; pero los movimientos horizontales tendrn

amplitudes pequeas, y aceleraciones menores a 1/10 de la gravedad. Por esto sus estructuras podrn ser ms o menos elsticas con respecto a los esfuerzos horizontales, pues las rocas en que se encuentran fundadas pueden considerarse prcticamente indeformables y por lo tanto no se producirn asentamientos desiguales al presentarse tales esfuerzos. En cambio, en suelos de relleno, sin cohesin, en capas de ms de 80m de profundidad hasta la roca firme (no rgidos), las construcciones deben ser suficientemente rgidas para evitar los asentamientos y soportar los esfuerzos horizontales. SOLICITACIONES A QUE DAN ORIGEN LOS SISMOS DISTRIBUCIN DE LOS ESFUERZOS DE ACUERDO AL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL El fenmeno ssmico es un movimiento oscilatorio, pudiendo ser esas oscilaciones a) Oscilacin Vertical b) Oscilacin horizontal:

1. Esfuerzo global sobre el edificio 2. efecto individual en los elementos estructurales.

Los edificios son deformables en menor o mayor medida de acuerdo a las solicitaciones que los afectan y las caractersticas de rigidez de las estructuras que los constituyen. En el caso de los sismos estas solicitaciones estn determinadas por las oscilaciones que ellos provocan en el terreno sobre el cual se encuentra fundado el edificio, teniendo en cuenta las condiciones elsticas del mismo incluyendo particularmente las de esa fundacin. De acuerdo a lo anterior cabe distinguir entre: 1. Efecto de las oscilaciones Verticales 2. Efecto de las oscilaciones Horizontales

EFECTO DE LAS OSCILACIONES VERTICALES: En este caso el sismo tender, alternativamente a levantar el edificio y luego a hacerlo descender. Por el principio de accin y reaccin (ver fig.) en el primer ejemplo producir un efecto de compresin vertical, y en el segundo de traccin. El edificio es en general pesado y es calculado para importantes cargas verticales, por lo tanto las solicitaciones debidas los sismos, son resistidas sin dificultad debido a los coeficientes de seguridad adoptados para las cargas estticas verticales.

EFECTO DE LAS OSCILACIONES HORIZONTALES: En el mismo edificio sometido al efecto de oscilaciones horizontales, las fuerzas derivadas de la inercia actuarn tambin en uno y otro sentido.

Un temblor que produzca movimientos horizontales del suelo puede provocar, en las diferentes partes de la estructura y en su conjunto, esfuerzos que no alcancen a ser absorbidos y sobrepasen los coeficientes de seguridad que se

consideraron al suponer la existencia de cargas verticales solamente. Puesto que los edificios resisten relativamente bien la variacin de cargas verticales segn se dijo anteriormente, el mximo peligro lo presentan las fuerzas horizontales producidas por el sismo. Por este motivo y a los fines de clculo se ha asimilado a la fuerza ssmica a un empuje horizontal que en un sentido y en otro acta sobre la estructura alternativamente

MAGNITUD DE LOS ESFUERZOS SISMICOS La magnitud de la fuerza ssmica global actuante sobre un edificio depende de 2 factores: 1. La masa de la estructura: un edificio pesado al tender a quedar en reposo desarrollar

fuerzas de inercia mayores que un edificio liviano, debido a su masa ms grande 2. Grado de violencia del sismo: La fuerza ssmica ser proporcional a la intensidad de la

accin ssmica, representada por la aceleracin correspondiente. Es decir:

Siendo: F: fuerza ssmica M: masa del edificio (M = p/g) a: aceleracin.

F= M. a

De esos dos factores slo es posible modificar el primero (masa de la estructura) ya que el 2 no es susceptible de ser controlado por el hombre en general. Alivianando la estructura es ms fcil resistir el esfuerzo horizontal PUNTO DE APLICACIN DE LA ACCION SISMICA La accin ssmica global, a los fines de aplicacin prctica, se reduce a un empuje horizontal aplicado en el centro de gravedad del edificio, por donde pasar la resultante de los esfuerzos horizontales parciales originados en las masas de los distintos elementos de la construccin.

NOTA: es conveniente hacer notar la diferencia entre centro de gravedad (centro de masas) y centro geomtrico de la estructura

Este empuje tiende a producir 2 efectos:

1. Tendencia a deslizarse la parte superior del edificio separndose de la base fija al terreno (corte). En general los edificios entran en colapso por este esfuerzo.

2. Tendencia del conjunto de la estructura a volcarse. Este efecto aumenta cuanto ms alto se encuentra el centro de gravedad o de masas. Es el caso de los llamados edificios de pndulo invertido, o sea aquellas estructuras donde por lo menos la mitad de la carga gravitacional est en el tercio superior de su altura total y tienen un solo elemento de soporte en la direccin que se analiza. Al estar ms arriba aumentar el peligro de volcamiento

COMPORTAMIENTO SISMICO DE LAS ESTRUCTURAS ELEMENTALES Es necesario hacer un breve anlisis de la accin del sismo sobre las estructuras (y sus partes) y del efecto que dicha accin produce en los distintos elementos estructurales y en el edificio en su conjunto, llamando efecto a los daos producidos por causa directa del sismo y que son proporcionales a su magnitud. Esta accin y efecto deben ser diferenciados de las fallas que son daos que se originan en defectos o errores de diseo o construccin, que se ponen en evidencia durante el sismo. Los esfuerzos producidos por un movimiento ssmico son siempre oscilantes debido al cambio alternado del sentido de la solicitacin (vibracin) y por lo general provocan esfuerzos alternados de traccin y compresin y cambios de sentido en los esfuerzos de corte y flexin en los distintos elementos de la estructura. Estos cambios de las cargas son muy peligrosos para la estabilidad de un edificio, ya que las acciones debidas al peso propio y la sobrecarga (que son las bsicas del clculo) son siempre cargas estticas y de sentido fijo. Los elementos estructurales simples combinados en conjunto constituyen la estructura del edificio, su esqueleto resistente, indispensable para resistir las solicitaciones a que estar sometido. Se analizarn a continuacin 2 casos simples: 1. PILAR AISLADO, EMPOTRADO EN SU BASE Y LIBRE EN SU EXTREMO SUPERIOR:

Ej.: pilar de un puente, poste de luz, etc. Al producirse el sismo el pilar queda sometido a 2 tipos de fuerzas: a) un sistema vertical proveniente de las cargas gravitatorias (peso propio de la construccin y sobrecarga aplicadas), que como simplificacin se lo supone aplicado en el extremo superior (N) y que producir un esfuerzo de compresin. b) un sistema de fuerzas horizontales de inercia proporcionales a las anteriores y aplicadas en los respectivos centros de masa (F). Estas van a producir esfuerzos de flexin. Es decir que habr una solicitacin de flexin compuesta. Adems F, de acuerdo a lo analizado anteriormente, puede

actuar en cualquier direccin del plano horizontal. Del lado que acta F habr traccin, que debe restarse de la compresin uniforme producida por N, y en el lado opuesto habr compresin.

La magnitud de la tensin de traccin suele alcanzar valores considerables y son pocos los materiales que resisten adecuadamente estos esfuerzos.. Tambin la tensin de compresin aumenta y por esto debe dimensionarse el pilar teniendo en cuenta estos 2 ltimos esfuerzos.

2. MARCO DE 2 PILARES EMPOTRADOS EN SU BASE Y CON VIGA SUPERIOR DE

UNION: Ej. prtico. Generalmente la viga recibe a N. El sismo provoca F (proporcional a N; F= .N siendo = factor de proporcionalidad) que acta horizontalmente a la altura de la viga. En el sentido del plano formado por el marco (viga y pilares), F produce flexin en los 2 elementos. En el sentido perpendicular al marco, los pilares se calculan como empotrados en el terreno y libres arriba, solicitados por: F1 = N1 y F2 = N2 Siendo N1 y N2 las reacciones en los apoyos producidas por N. Por lo tanto la accin ms desfavorable es la producida por los esfuerzos horizontales perpendiculares a su plano.

Estos diferentes elementos estructurales (pilares, vigas, tabiques, prticos, etc.) debidamente distribuidos y orientados en la planta del edificio, pueden o no estar ligados entre s mediante diagramas de gran rigidez (entrepisos) que permiten la distribucin adecuada de las fuerzas horizontales entre los elementos resistentes. La ausencia o existencia de diagramas determina dos tipos de estructuracin que son fundamentalmente diferentes desde el punto de vista de las solicitaciones horizontales.

En el primer caso (entrepisos deformables), los entrepisos no constituyen un diafragma rgido y por lo tanto no existe condicin de compatibilidad de deformaciones. Cada elemento resistente al sismo tomar la parte del empuje que acta directamente sobre l. No ser posible por esto que elementos ms resistentes colaboren con los de menor resistencia, resultando, en general, estas estructuras menos seguras. No son recomendables en la construccin antissmica, salvo en el caso de edificios menores en los que no se generan grandes esfuerzos de corte. (fig.1) En el segundo caso, el esfuerzo cortante ssmico ser transmitido por el diafragma rgido (losa de entrepiso) a los elementos ssmicos (muros y prticos) en forma tal que la deformacin de cada elemento sea compatible con la condicin de diafragma rgido.(fig.2) En caso que la planta sea simtrica, es decir que haya una razonable coincidencia entre los centros de masa y rigidez, se tendr solo un efecto de traslacin bajo la accin del empuje ssmico. Cuando la planta sea asimtrica o sea que no coinciden los centros de masa y rigidez- adems de la traslacin aparecer una torsin, que ser tanto ms importante cuanto mayor sea la excentricidad del centro de masas respecto al centro de rigidez. EJEMPLO 1. Estructura en el espacio, compuesta de pilares, tabiques y vigas con diafragma rgido

(tablero indeformable)

Esta estructura es simtrica cuando acta la fuerza ssmica (F) paralela a la direccin X; en este caso, se producir un desplazamiento horizontal del entrepiso (diafragma) que arrastra consigo a todos los elementos resistentes a los esfuerzos horizontales (tabiques, prticos) por estar stos fuertemente unidos a ella en sus extremos superiores e inferiores. El desplazamiento es igual en todos los puntos, entonces porque el entrepiso es indeformable y los elementos estructurales son simtricos (en este caso en particular hay simetra geomtrica y resistente). Cuando F Acta paralela al eje Y, sta ser tomada casi en su totalidad por el tabique, ya que la lnea de pilares tiene rigidez despreciable en esta direccin. Por consiguiente habr sobre el eje Y del tabique una fuerza igual y contraria a F (-F) que equilibrar a esta. Ambas constituyen un par (F.d) que tiende a hacer rotar la losa en su plano, adems del desplazamiento producido por la accin directa de F.

Este efecto de torsin debe ser resistido por los elementos estructurales dispuestos segn el eje X (prticos 1,2y 3). En este caso el centro de

torsin (0) , alrededor del cual gira la estructura es el baricentro del tabique. Muchas veces el efecto de torsin es mayor que el desplazamiento.

2. Estructura de 2 ms pisos , compuesta por muros, vigas, pilares y con diafragmas

rgidos (tableros indeformables) Siendo: n: nmero de pisos

K: un piso cualquiera l < k < n

Sobre el tablero (losa) del piso K, acta FK que es un determinado porcentaje de la carga gravitacional (FK = % NK) y que ser soportada, segn la direccin que acta, por los distintos elementos estructurales, de acuerdo a lo ya analizado. La estructura del nivel K est soportada a su vez por la del nivel K-1 (quien soporta tambin FK-1 y NK-1). Por consiguiente la carga va aumentando al acercarse a los niveles inferiores, siendo mxima en la base de la construccin. El Clculo es ms complejo cuando no hay simetra de rigideces, ya que se producen los mencionados efectos de torsin.

DETERMINACIN DE LAS ACCIONES SSMICAS Y SUS VERIFICACIONES La respuesta de las estructuras a los efectos de los sismos es, como stos, de carcter dinmico, y por consiguiente depender de las caractersticas elsticas de las estructuras en cuestin. Una estructura rgida se comportar en forma diferente a una estructura elstica deformable. En el primer caso la respuesta ser esttica, y en el segundo ser dinmica. Para una primera verificacin global, se supone al edificio como infinitamente rgido (slido indeformable), correspondiendo entonces efectuar la verificacin al volcamiento (igual verificacin que para el caso de edificios sometidos a la accin del viento. Debe cumplirse Me

>1,5

Mv Siendo: Me: Momento estabilizador Mv: Momento volcador.

Pero, como en la realidad el edificio no es totalmente rgido, sufre desplazamientos horizontales y verticales, y eventualmente giros (construcciones asimtricas), corresponde determinar el valor de cada una de las fuerzas ssmicas aplicadas en cada uno de los niveles FK para obtener el esfuerzo de corte producido por esas fuerzas, y as poder dimensionar y/o verificar cada uno de los elementos estructurales que estn ubicados en el entrepiso considerado (nivel K). Esta segunda etapa de clculo y verificacin no ser realizada en el presente trabajo, por estar fuera de los objetivos del mismo. Se har la verificacin global al volcamiento que, a los efectos de un predimensionado del volumen (y masa) a construir en su totalidad, permite conocer su factibilidad. Para ello y en base a lo ya expuesto, se analizarn las estructuras considerando las acciones ssmicas horizontales actuantes segn 2 ejes ortogonales (x e y ). Los mtodos de clculo para determinar la magnitud de las excitaciones ssmicas (Reglamento INPRES- CIRSOC 103/83, basado en la NAA 80) son los siguientes: 1. Mtodo Esttico 2. Mtodo Dinmico La eleccin de procedimiento a seguir se realiza considerando las limitaciones indicadas especficamente para cada uno de ellos. (ver reglamento) En este caso se seguir el mtodo esttico, aplicable a estructuras de configuraciones regulares de distribucin de rigideces y de masas, tanto en elevacin como en planta. Este procedimiento consiste en esquematizar la excitacin ssmica mediante sistemas de fuerzas estticas proporcionales a las cargas gravitacionales. en edificios de mayor complejidad debern usarse los mtodos dinmicos. El esfuerzo de corte (Vc) producido por las acciones ssmicas horizontales en la base de la construccin, paralelo a la direccin considerada se determinar solo con la siguiente expresin:

Vc =C . W

Nota: Se utilizar la nomenclatura del INPRES CIRSOC 103/83

Siendo Vo = esfuerzo de corte en la base de la construccin paralelo a la direccin considerada C = coeficiente ssmico de diseo W = carga gravitatoria total de la construccin.

A continuacin se ver como se determinan cada uno de estos valores A. COEFICIENTE SISMICO DE DISEO Contempla los siguientes aspectos 1. Perodo fundamental de la construccin 2. Sismicidad de la regin 3. Tipo de suelo de fundacin 4. Destino de la Construccin 5. Caractersticas de la estructura A.1 Perodo fundamental de la construccin (T) Segn se lo defini anteriormente es el tiempo que tarda el edificio en hacer una oscilacin completa. Para un predimensionado se lo determina mediante frmulas empricas. A.2 Sismisidad de la regin Esta da una idea de la intensidad y la frecuencia de los fenmenos ssmicos en la regin considerada, ya que de sta depender en gran medida la magnitud de la fuerza ssmica que actuar sobre el edificio en el momento de producirse el terremoto, condicionando as el diseo de la construccin. El territorio de la Argentina se divide en 5 zonas de acuerdo al grado de peligrosidad ssmica (ver mapa fig. 1 y tabla 1 del reglamento), que varan desde una peligrosidad muy reducida hasta una muy elevada. Cuando el lugar de emplazamiento del futuro edificio coincide con una lnea que delimita 2 zonas, se deber considerar el emplazamiento en la zona de mayor peligrosidad aplicando el criterio de seguridad. A.3 Tipo de suelo de fundacin: Como tambin ya se ha expresado las condiciones locales del manto del suelo sobre el que se asienta la construccin tienen gran influencia en la respuesta ssmica de la misma Los suelos pueden ser, desde el punto de vista dinmico: 1. Estables 2. Inestables. 3. 1. Estables: se clasifican de acuerdo a lo indicado en la Tabla 3 del reglamento en 3 tipos:

Tipo I: muy firmes y compactos a) rocas: t > 2MN/m2 * (= 20 kg/cm2) b) rgidos: 0,3MN/m2 *< t < 2MN/m2

(= 3kg/cm2 < t < 20kg/cm2) Tipo II: intermedios 0,1MN/m2 < t < 0,3 MN/m2 (1kg/cm2 < t < 3kg/cm2)

Tipo III: blandos y poco densos: t < 0,1 Mn/m2 (= 1kg/cm2) 2. Inestables: se debern realizar estudios preliminares precisos y lo ms completos posibles,

a causa de la posibilidad de asentamientos diferenciales permanentes, derrumbes de taludes, licuefaccin de suelos granulares saturados, etc.

A.4 Destino de la construccin: Con el objeto de establecer los requerimientos de previsiones sismorresistentes, las construcciones se agrupan de acuerdo a sus funciones y con la trascendencia que puedan tener eventuales daos o colapsos de las mismas en caso producirse un sismo, en 4 grupos: Grupo A0: Construcciones que cumplen funciones esenciales y cuya falla producir efectos catastrficos: Ej.: centros militares, hospitales, centrales de bomberos, instalaciones de servicios sanitarios,

centrales de comunicacin, de energa, aeropuertos, depsitos de sustancias txicas, radio activas o combustibles.

Grupo A: Construcciones con alto factor de ocupacin, donde se guarden contenidos de gran valor para la comunidad y/ o inters para la produccin. Ej.: sedes de edificios pblicos, edificios educacionales, cines, teatros, templos, estadios,

museos, archivos, bancos, grandes hoteles, edificios comerciales, y/o industriales de elevada densidad.

Grupo B: Construcciones cuyo colapso producira prdidas de magnitud intermedia. Ej.: viviendas, edificios privados de habitacin, edificios comerciales, industriales y de uso

pblico no comprendidos en el grupo A Grupo C: Construcciones cuya falla producira prdidas de escasa magnitud y no causara daos a las construcciones de los grupos anteriores. Ej.: tinglados, establos, construcciones precarias. En la tabla 2 del reglamento se establecen los valores del factor de riesgo d segn el grupo a que pertenezca la construccin

Construccin

d

Grupo A0

1,4

Grupo A

1,3

Grupo B

1

Para las construcciones del grupo C no se requiere el anlisis bajo las acciones ssmicas.

A.5 Caractersticas de la estructura Se refiere a la capacidad de disipacin de energa ssmica que tiene la estructura por medio de deformaciones anelsticas ( plsticas) de la misma. O sea que contempla el grado o la medida en que la estructura puede absorber parte de la carga ssmica, y es por lo tanto un factor de reduccin A mayor amortiguacin o absorcin, menor movimiento vibratorio.

Finalmente el coeficiente ssmico de diseo se expresa mediante la siguiente frmula

C = Sa . c R

Siendo: C: coeficiente ssmico de diseo

Sa: aceleracin equivalente o pseudo aceleracin elstica producida por el sismo en funcin de las caractersticas dinmicas de la estructura. Est expresada como fraccin de la aceleracin de la gravedad. Este valor se obtiene en base a: el perodo (T), el tipo de suelo de fundacin, y a la zona ssmica en que se encuentra la construccin.

d : es el factor de riesgo segn el destino de la construccin. R: es el factor de reduccin por disipacin de energa que vara segn el tipo de estructura.

Contempla la posibilidad de que la mayor parte de la estructura participe en forma uniforme en la disipacin de la energa, con deformaciones anelsticas, sin que se produzcan concentraciones de deformaciones plsticas en slo algunas zonas de la estructura. Este concepto se lo lama ductilidad (). En edificios altos, generalmente R = O sea que en toda la construccin es deseable que las deformaciones permanentes se absorban en forma uniforme y pareja. Para estructuras constantes en toda su altura, simtricas y en el caso especfico de tabiques sismorresistentes de HA asociados entre s por vigas que permitan su funcionamiento en conjunto, el reglamento indica

= 4 R= 4 B. Carga gravitatoria total de la construccin-

La carga gravitatoria operante en un determinado nivel (k) durante el sismo est constituida por las cargas permanentes y una fraccin de las sobrecargas de servicio . Es decir: Wk = Gk + . LK

Siendo: Wk: carga gravitatoria operante en el nivel k Gk: carga gravitatoria permanente Lk: sobrecarga de servicio : factor de simultaneidad y presencia de sobrecargas de servicio.

Los valores de h estn en funcin del destino de la construccin y del factor de ocupacin (Tabla 3). Se establece en base a consideraciones de tipo probabilstico

Entonces la carga gravitatoria total de la construccin es:

O sea la sumatoria de las cargas gravitatorias operantes en cada nivel ( cada una con su correspondiente valor de ). Distribucin en la altura de las fuerzas ssmicas laterales o esfuerzo de corte. Interesa ahora conocer como se distribuye en toda la altura del edificio el esfuerzo de corte, es decir que porcentaje de carga va a tomar cada entrepiso para poder luego dimensionar cada nivel. Para construcciones en torre con las caractersticas de las que se analizan la fuerza ssmica lateral (FK) asociada a la carga gravitatoria (WK) en el nivel K se determinar por medio de la siguiente expresin:

n W = 1 WK

FK = wk hk v n wk . hk 1

Siendo: Fk: fuerza ssmica (esfuerzo de corte En el nivel K Wk: carga gravitatoria concentrada en el Nivel K hK: altura desde el nivel considerada hasta el nivel +/- 0,00 V : esfuerzo de corte en la base

n wk . nk :sumatoria del producto de cada una de las fuerzas Fk por sus respectivas distancias hk, desde el piso 1 hasta el piso n.

Determinacin del momento de vuelco con respecto al plano de fundacin. En la superficie de contacto suelo fundacin el momento de vuelco (Mf) (Mv) se determinar mediante la siguiente expresin:

Mf = 0,9 n Fk. Hk* 1

Siendo: Mf Momento volcador en el nivel de fundacin Fk : la fuerza horizontal de corte aplicada en el nivel k Hk*: la altura desde el nivel k de la construccin hasta el nivel de fundaciones. Esta reduccin del 10% del Momento volcador slo se admite para el caso de Mb con respecto al plano de fundacin, no permitindolo el reglamento para los otros niveles.

Determinacin del momento estabilizador: Se determina en forma anloga para el caso de la verificacin de la carga de viento, con la siguiente expresin: Siendo: Me: momento estabilizador W: carga gravitatoria total d: distancia desde la recta de accin de la resultante Hasta el punto de giro (A) del edificio. Una vez obtenidos los valores de Mb y Me, se est en condiciones de realizar la verificacin propuesta al inicio:

Me = W .d

Me > 1,5 Mv

Si se cumple esta relacin, esto significa obviamente que el edificio resiste el momento volcador producido por la accin ssmica y adems indica con que grado de seguridad se est trabajando. No obstante como se dijo oportunamente debe tenerse en cuenta que el edificio entra en colapso por corte. A los efectos del clculo no se considera la accin simultnea de las cargas de viento y las ssmicas.-

RECOMENTACIONES SOBRE DISEO Y PREVENCIONES CONSTRUCTIVAS Deben procurarse construcciones compactas.- Los edificios en forma de L, E, F, H , T, etc., debern preferentemente separarse o subdividirse en varios cuerpos compactos e independientes entre s:

Planta

Elevacin

El criterio general de diseo, independientemente del material usado (en cuanto a predimensionado) es el lograr marcos rgidos e indeformables por medio de los distintos elementos estructurales (columnas, vigas, tabiques, prticos).- Algunos materiales tienen la suficiente afinidad constructiva como para permitirles trabajar con conjunto como si fueran un solo elemento (ej.: H A y ladrillos armados.).- Tanto pisos, vigas, tabiques, pilares, marcos rgidos y fundaciones deben formar un conjunto perfectamente trabado capaz de llevar al terreno las cargas propias y los efectos horizontales causados por los temblores.

Si los elementos resistentes estn distribuidos dentro de un ntido reticulado de lneas estructurales, la continuidad entre ellos no presenta dificultades de proyecto y simplifica la construccin.- As el edificio resistir como un todo armnico. Pero si la trabazn mecnica de las partes es deficiente, la accin ssmica se manifiesta separadamente sobre cada una de ellas en forma proporcional a sus masas, significando esto un peligro.- En la homogeneidad de la estructura influye la calidad y modo de empleo de los materiales. La falla de un material puede producir una resistencia ms baja que la estipulada para un determinado elemento estructural y provocar el colapso del conjunto. Por lo tanto es indispensable un estricto control de calidad durante la etapa constructiva.

Y

Planta

X

El reglamento (INPRES- CIRSOC 103/83) RECOMIENDA: La estructura debe poseer adecuada resistencia segn las 2 direcciones principales de la

construccin y adems poseer un mecanismo apto para la resistencia a la torsin. En el planteo estructural se evitarn cambios bruscos de rigidez y /o resistencia en elevacin

y/o en planta, procurando de una distribucin uniforme y continua de stos.- Asimismo se evitarn asimetras de rigideces y de masas.-

Se evitarn especialmente los llamados pisos flexibles y columnas cortas en la que predomina la falla frgil originada por corte, que han presentado un mal comportamiento frente a acciones ssmicas

Columna Corta Piso flexible La resistencia y rigidez de la estructura debe ser compatible con el sistema de fundaciones y

el tipo de suelo. El sistema estructural debe poseer suficiente rigidez inicial y aceptables deformaciones

totales en estado de agotamiento para que frente a los terremotos frecuentes los daos se minimicen y frente a terremotos severos los daos provocados por stos sean econmica y

tcnicamente reparables. Para lograr esto se tendrn en cuenta la naturaleza del suelo y los tipos estructurales posibles.

En lo que respecta especficamente a HA, algunas recomendaciones a tener en cuenta, segn el reglamento (INPRES-CIRSOC 103/83) son: Empleo de hormigones de la mejor calidad posible, siendo la mnima a utilizar la de

bk = 17 Mn/m2 = 170 kg/cm2 Uso de aceros de dureza natural (DN) con tensin de fluencia 420Mn/m2 = 4200 kg/cm2

(barras nervuradas) TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES En lo que respecta a construcciones sismorresistentes se ordenan 3 tipologas a) Prticos: constituidos por vigas y columnas donde la accin ssmica es soportada mediante

su resistencia a flexin y corte. El reglamento detalla espesores, alturas mnimas y luces libres para vigas, as como tambin establece espesores mnimos de columnas en funcin de la forma de su seccin y de la zona ssmica.- Las zonas de interseccin entre vigas y columnas (nudos) deben disearse y construirse de acuerdo con los siguientes criterios para evitar posibles desplazamientos anelsticos del prtico a que pertenecen: La resistencia del nudo no puede ser menor que la mxima resistencia del elemento

estructural ms dbil que a l concurre. Se tendr especial precaucin para asegurar un correcto hormigonado.- En caso de terremotos moderados, lo deseable es que su reparacin no sea necesaria.

b) Tabiques: La accin ssmica es totalmente soportadas por planos verticales constituidos por

tabiques sismorresistentes de H A, que son aquellos cuya seccin transversal horizontal cumple la siguiente condicin

Lw > 4 Bw

Siendo. Lw: longitud del tabique (lado mayor de la seccin horizontal) bw: espesor del tabique (lado menor de la seccin horizontal

Estos pueden ser: I. Simples: en toda su altura no tienen aberturas regularmente distribuidas ni conexiones

significativas con otros tabiques.- Se clasifican en A) Esbeltos Hw >2 Lw Siendo Hw: altura total del tabique B) Bajos Hw < 2

Lw

II. Acoplados: sistema estructural formado por un conjunto de 2 ms tabiques simples

conectados por elementos de significativa rigidez y resistencia en forma regular en toda su altura. El reglamento especifica las limitaciones dimensionales de los tabiques, tambin en funcin de la zona ssmica.

c) Sistemas mixtos, prticos y tabiques: la accin ssmica es soportada por una combinacin

estructural de ambos. Merecen especial anlisis los puntos de conexin entre los 2 tipos. Diafragmas: estn constituidos por losas de entrepisos y/o techos solicitadas en su plano por

acciones ssmicas. Para su dimensionamiento se considerarn las solicitaciones normales y de corte.

POSIBLES CAUSAS DE LOS DAOS: Inmediatamente despus de ocurrir el sismo surge la necesidad de evaluar la magnitud de los daos y reunir todos los antecedentes necesarios para decidir las medidas de emergencia a tomar y las tareas de investigacin posteriores. Por lo tanto se analiza la estructura segn los factores que pueden explicar el dao: Estos factores pueden ser: Errores de concepcin: 1. Tipo estructural inadecuado con respecto al tipo de suelo de fundacin. 2. Materiales mal elegidos 3. Mala disposicin de elementos resistentes. 4. Mala disposicin de elementos no resistentes (cornisas) 5. Proteccin insuficiente de los elementos resistentes. 6. Equivocaciones o errores en la evaluacin de las solicitaciones. 7. Idem en el proceso de calculo 8. Mala transmisin de la idea de proyecto (errores de dibujo, etc.) Defectos de materiales de construccin. 1. Propiedades y caractersticas (resistencia mecnicas) 2. Defectos del material Defectos de ejecucin: 1. Calidad geomtrica 2. Equipos, Herramientas, y maquinarias 3. Errores de operacin Uso de la estructura 1. Alteraciones de la estructura: eliminacin o agregados de elementos, alteracin de

secciones, cambios de destino, falta de mantenimiento, etc. 2. Alteraciones de contornos, excavaciones, nuevas construcciones.

NUEVAS TECNOLOGAS AISLADORES DE BASE Y DISIPADORES DE ENERGA Aislacin ssmica de base Esta basada en la idea de aislar una estructura del suelo mediante elementos estructurales que reducen el efecto de los sismos sobre la estructura. Estos elementos estructurales se denominan aisladores ssmicos y son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energa que un terremoto transmite a una estructura. Estos dispositivos pueden ser de diferentes tipos y formas, los mas conocidos son los basados en goma de alto amortiguamiento, goma con nucleo de plomo, neoprenicos o fricionales. Al utilizar estos elementos, la estructura sufre un cambio en la forma como se mueve durante un sismos y una reduccin importante de las fuerzas que actuan sobre ella durante un sismo.

Los mas usados son los de goma de alto amortiguamiento y los neoprnicos.

Aisladores de base

Disipacin de energa Esta basada en la idea de colocar en la estructura dispositivos destinados a aumentar la capacidad de perder energa de una estructura durante un terremoto. Toda estructura disipa o elimina la energa de un sismo mediante deformaciones. Al colocar un dispositivo de disipacin de energa en una estructura, estos van ha experimentar fuertes deformaciones con los movimientos de la estructura durante un sismo. Mediante estas fuertes deformaciones se incrementa notablemente la capacidad de disipar energa de la estructura con una reduccin de las deformaciones de la estructura. Estos dispositivos se conocen como disipadores de energa o amortiguadores ssmicos y pueden ser de diversas formas y principios de operacin. Los mas conocidos son en base a un elemento viscoso que se deforma o con un elementos metlico que logra la fluencia fcilmente.

Disipador Viscoso de Energa

Esquema del Disipador Viscoso de Energa Los Disipadores Histerticos incluyen los disipadores metlicos y los disipadores friccionantes, y dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metlicos estn basados en la fluencia de los metales debido a flexin, corte, torsin o extrusin. Uno de los dispositivos metlicos ms reconocidos es el ADAS, que est compuesto por placas de acero con seccin transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres. Los disipadores friccionantes son dispositivos que disipan la energa mediante fuerzas de friccin que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son diseados para deslizar una carga predeterminada, y permanecen inactivos mientras no exista una demanda ssmica importante sobre el edificio.

Disipador Histertico

EL DISEO Y LA TECNOLOGA APLICADOS A LA RESOLUCIN DE EDIFICIOS ANTISSMICOS

Hasta aqu hemos establecido la problemtica de los sismos y los efectos que ellos generan en los edificios altos, y brevemente el clculo necesario para su estabilizacin. Para asegurar la estabilidad de los edificios, hemos visto que la tecnologa avanza cada vez ms en la resolucin de los problemas planteados y el diseo propone soluciones de alta creatividad a los problemas constructivos poniendo en juego los nuevos desarrollos tecnolgicos. Por eso es oportuno analizar estos ejemplos en los que la trada -diseo- tecnologa- construccin han resuelto en forma eficaz los problemas que se fueron planteando: EL DISEO: TRANS AMERICAN PYRAMID

El primer ejemplo es el edificio Trans American Pyramid un cono de La ciudad de Chicago. Vale la pena observar detenidamente sus caractersticas: aqu se ha optado por un diseo piramidal, utilizando en sus fachadas el tringulo que geomtricamente es la figura ms indeformable, y adems utilizando la forma triangular, por lo tanto su centro de masas va a estar ubicado en su tercio inferior, lo que disminuye considerablemente su momento volcador y hace un edificio muy efectivo para resistir cargas como el viento o el sismo. En este ejemplo queda claro la importancia del conocimiento y la eleccin de la geometra adecuadas en el diseo de los edificios para llegar a optimizar su resistencia frente a las cargas dinmicas, que es la problemtica de los edificios en altura

1972 William L Pereira 48 Niveles 260 m de altura

Figura 23: Trans Americxan Pyramid

Centro de masas

h

LA TECNOLOGA: TORRE TAIPEI 101 El Taipei 101 de Taiwn es conocido como el edificio ms grande del mundo, pero su atractivo va ms all de la altura. Su diseo estructural y la seguridad que ofrece ante posibles riegos de sismos o atentados terroristas, lo convierten en un ejemplo de la ingeniera. Su construccin, iniciada en 1997

La forma de diseo del Taipei 101 representa el cubo de arroz que se comercializa en esa ciudad, con la base ms pequea haca abajo, logrando una simetra escalonada. En total, el edificio est formado por once cubos. Cada cubo es un mdulo de ocho pisos, donde el primero se reserva a los equipos y maquinarias de mantenimiento de cada mdulo.

La resistencia de la estructura del edificio se basa en 8 columnas laterales, y 16 columnas centrales. Estas ltimas forman una mega estructura por donde pasa el ascensor. Las columnas son un hbrido de metal y hormign.

Algunos edificios altos, como el Citicorp de Nueva York del que hablamos cuando nos referamos al estudio de la accin del viento, el Taipei 101, disponen en los pisos superiores de un amotriguador de masa. Se trata de un mecanismo simple en trminos relativos, ya que consiste bsicamente en un enorme bloque de acero u hormign colgando como un pndulo o colocado sobre rales o una plataforma deslizable. Su misin es contrarrestar los vaivenes y movimientos laterales habituales en este tipo de edificios, desplazndose en el sentido contrario a estos.

En el caso del contrapeso del Taipei 101 se trata de una masa con forma esfrica de entre 600 y 700 toneladas de peso. Est suspendido por cables entre los pisos 87 y 91 y se calcula que puede contrarestar movimientos producidos por terremotos de hasta 7 en la escala de Richter y vientos de hasta 450 Km/h.

Regulador de Masa Taipei 101

Bibliografa

Reglamento Cirsoc 103/83

Aislacin Ssmica.www.cec.uchile.cl

Estudio comparativo de edificios con aislamiento ssmico en la base. Universidad de Santiago de Chile, Departamento de Ingeniera en obras Civiles.

Amortiguador de Masa del Taipei 101. Tania Molina.www.arqhys.com

ACCIONES SISMICAS EL DISEO: TRANS AMERICAN PYRAMID