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sismica
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALPOLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA
UNEFANUCLEO-GUANARE
ANÁLISIS SÍSMICOPROFESORA: BACHILLERES:
Ing. Genesis Mejias Oscar Valladares CI: 18.705.534
Jhosian Salazar CI: 20.555.660
Rigoberto Cáceres CI: 20.014.992
Maria León CI: 24.017.095
Yovanny Valderrama CI: 25.520.946
Mariana Infante
Anderson Sambrano
Junior Fernandez
GUANARE, JULIO 2015
INTRODUCCIÓN
El hombre ha aprendido desde que tiene uso de razón a temer los
movimientos telúricos apreciando su intensidad en forma cualitativa con
relación a los daños y pánico que estos causan.
El fenómeno sismo se ha ido transformando así en una amenaza de
importancia creciente en la medida en que las áreas urbanas han crecido y
se han hecho más densas. Es por ello que las soluciones constructivas más
duraderas han sido aquellas capaces de resistir las acciones externas y del
uso; entre las acciones externas, en vastas extensiones de nuestro planeta,
deben incluirse las acciones sísmicas.
Hasta hace poco, las soluciones adoptadas para resistir las acciones
sísmicas se desarrollaron esencialmente analizando los efectos de los
terremotos en las construcciones, sin el apoyo teórico de causas y
características de los sismos, ni de información cuantitativa sobre la
naturaleza de los movimientos del terreno; las soluciones constructivas, con
muros de 4 y 5 m de grosor, bóvedas de 60 cm de espesor, contrafuertes,
columnas de esbeltez reducida, etc., fue el resultado de un proceso de
prueba y error durante los siglos XVI, XVII y parte del XVIII.
Por esta razón, se hace necesario contar con los instrumentos necesarios
que nos ayuden a prevenir, este tipo de eventos, en el supuesto aceptado
que las construcciones deben soportar aceptablemente los sismos más
severos; y sin mayores daños, los sismos moderados que con más
frecuencia deben presentarse durante la vida útil de las edificaciones. Existe
por este motivo, una necesidad importante de mitigar los efectos destructivos
de los terremotos, mejorando las técnicas adecuadas de diseño y en
particular, dando a conocer la importante y cuantiosa información
experimental, teórica y práctica existente en medios de investigación de
diseño sismorresistente.
La Ingeniería sísmica, es una disciplina nueva que involucra la
combinación de una serie de disciplinas variadas y complejas, cómo la
sismología, la dinámica estructural y de suelos, el análisis estructural, la
geología, la mecánica de los materiales, etc.; que de manera integrada
permiten el diseño de obras capaces de resistir los sismos más severos que
puedan presentarse en el futuro de una determinada zona.
ANÁLISIS SÍSMICO
El análisis sísmico de la edificación tiene como objetivo encontrar las
fuerzas y momentos internos debidos a la carga sísmica, en cada uno de los
elementos del sistema estructural para luego proceder al diseño. En el
método sísmico, el movimiento del suelo consecuente a un impulso elástico
(originado tramite golpes en el suelo, vibraciones o explosivo) origina ondas
acústicas que son registradas a través de geófonos conectados un
sismógrafo multicanal.
En cuanto a sísmica se refiere, existen dos metodologías principales:
La Sísmica de Refracción, basada en la observación de los tiempos de
llegada de los primeros movimientos del terreno en diversos sitios,
generados por una fuente de energía específica en un sitio determinado.
El conjunto de datos obtenido en la adquisición de datos consiste de
registros de tiempo versus distancia. Estas series son interpretadas en
términos de la profundidad a interfaces entre capas de suelo y de las
velocidades de propagación de la onda P (o S) en cada capa. Estas
velocidades están controladas por los parámetros elásticos que
describen el material.
En la Sísmica de Reflexión el análisis está basado en la energía de las
vibraciones después de iniciado el movimiento del suelo.
Específicamente el estudio se concentra en los movimientos del terreno
inducidos por la reflexión de las ondas, en las diferentes interfaces de
capas, que han sido generadas en un sitio específico. En la reflexión se
extrae información del subsuelo estudiando la amplitud y forma de los
movimientos del terreno.
El efecto de un sismo sobre una estructura puede incluirse en uno de
los siguientes conceptos:
1. Daños Imperceptibles
2. Daños ligeros en acabados
3. Daños ligeros en las estructuras
4. Daños graves en las estructuras
5. Falla de la estructura.
El riesgo sísmico implica un problema único de Ingeniería de Diseño,
ya que un sismo intenso constituye la carga más severa a que la mayoría de
las estructuras pueden estar sujetas, pero una vez que esto haya sido
tomado en cuenta, la probabilidad de que cualquier estructura pueda ser
afectada por un sismo importante será mínima.
El enfoque óptimo frente a ésta combinación de condiciones, desde el
punto de vista de la Ingeniería, es diseñar la estructura de tal manera que se
evite el colapso ante el sismo más severo posible, asegurando con ello la
vida humana; pero aceptando la posibilidad de daño sobre la base de que es
menos caro, reparar o reemplazar las estructuras afectadas por un sismo
fuerte, que construir cada una de ellas lo suficientemente resistentes para
evitar daños. Obviamente este concepto de diseño enfrenta al Ingeniero
estructural con un verdadero desafío: lograr un diseño económico que sea
susceptible al daño sísmico, pero que al mismo tiempo no llegue al colapso
total, aún ante el sismo más severo posible.
ANÁLISIS DE METODO SISMICO
En el proyecto de edificaciones que puedan quedar sometidas a
acciones sísmicas, es fundamental entender su comportamiento probable:
cómo se va a deformar, cuáles son sus regiones críticas y, sobre todo, evitar
fallas prematuras que limiten la reserva resistente de la estructura. En
aquellos casos donde sea previsible que la estructura entre en el rango
inelástico, debe garantizarse una conducta dúctil.
El golpeteo entre edificaciones adyacentes ha sido la causa de daños
importantes y fallas prematuras de edificaciones de varias plantas, en
especial cuando estas se encuentran a diferente nivel. Los grandes paños de
pared de mampostería no reforzada deben evitarse, pues se ha demostrado
en múltiples ocasiones que resultan inestables durante sacudidas sísmicas
intensas.
A diferencia de otras sobrecargas, los sismos generan acciones
dinámicas de signo alternante; es decir, las oscilaciones de la edificación
durante su respuesta, superponen a las solicitaciones debidas a la gravedad,
otras de signo alternante (pueden ser momentos flectores, fuerzas axiales o
fuerzas cortantes).
Es importante tener presente la filosofía adoptada en el diseño
sismorresistente de la gran mayoría de las edificaciones y obras de
ingeniería existentes en áreas urbanas. Esta puede resumirse en la forma
que se anota a continuación:
La filosofía del diseño sismorresistente consiste en:
Evitar pérdidas de vidas
Asegurar la continuidad de los servicios básicos
Minimizar los daños a la propiedad.
Se reconoce que dar protección completa frente a todos los sismos no
es técnica ni económicamente factible para la mayoría de las estructuras. En
concordancia con tal filosofía se establecen en esta Norma los siguientes
principios para el diseño:
a. La estructura no debería colapsar, ni causar daños graves a las
personas debido a movimientos sísmicos severos que puedan ocurrir
en el sitio.
b. La estructura debería soportar movimientos sísmicos moderados, que
puedan ocurrir en el sitio durante su vida de servicio, experimentando
posibles daños dentro de límites aceptables.
Aspectos importantes a considerar para el análisis sísmico:
Peso De La Edificación
Las fuerzas inducidas por movimientos sísmicos en una edificación
son inerciales, es decir, dependen de la aceleración inducida por el sismo y
de la masa a mover, en este caso, la masa de la edificación.
Como primer paso para hallar las fuerzas sísmicas necesitamos
conocer la masa y donde se ubica. Consideraremos que la masa se
concentra en cada piso (lo cual es cierto para un edificio de pórticos) y por lo
tanto determinaremos la masa por piso y el centro de masa de cada uno de
estos.
Centro De Masa
Este punto nos indica donde se genera la masa y por lo tanto donde
estaría ubicada la fuerza sísmica inducida por el sismo.
En vista de que las edificaciones diseñadas en este curso cuentan con
un sistema de piso rígido en su plano (diafragma rígido), la masa se puede
considerar concentrada en un solo punto, este corresponde al centro de
masa. Recordemos la definición de sistemas equivalentes de fuerza, donde
todo el peso se puede concentrar en un solo punto y este produce el mismo
efecto que los pesos repartidos en el cuerpo.
Si la losa tiene cargas uniformes por m² el centro de masa coincide
con el centroide del área, sino (casos especiales donde se cambia el espesor
de losa en algunos puntos o por ejemplo existencia de piscinas u otros
elementos que hagan más pesada la losa en ciertos puntos) el centro de
masa se debe determinar considerando, no las áreas, sino los pesos de los
elementos.
Cortante Basal
La fuerza sísmica total en la base del edificio, cortante basal, se
encuentra por medio del espectro de diseño (aceleración de respuesta de la
edificación según su periodo de vibración) y el peso total de la edificación.
(F=m*a, segunda Ley de Newton).
La forma como responde el edificio a la aceleración inducida por el
sismo determina la repartición de las fuerzas sísmicas tanto en la altura
como en cada uno de los elementos estructurales que la conforman.
Existen varios métodos para determinar esta repartición de fuerzas en altura,
estos pueden ser simplificados, métodos estáticos equivalentes (fuerza
horizontal equivalente, FHE) o más completos como los métodos de análisis
modal espectral.
Independiente del método a usar se tienen también diferentes formas
de considerar el modelo de la edificación.
Modelo De Análisis
El modelo de la estructura debe representar su geometría,
dimensiones, apoyos, efectos de diafragma rígido si lo hay, los efectos de
torsión por excentricidades entre el centro de rigidez y el centro de masa, y
los efectos de carga axial por momentos de vuelco.
El modelo de la edificación se puede hacer tridimensional o por
pórticos planos.
En el análisis por el método de la fuerza horizontal equivalente
seguiremos el procedimiento de los pórticos planos para tener conciencia de
la repartición de las fuerzas en los pórticos y del efecto de torsión. La norma
recomienda que se diseñe la edificación para el 100% de la carga sísmica
actuando en ambas direcciones principales perpendiculares del edificio no
simultáneamente. Este requisito asegura que para cualquier dirección del
sismo, la carga se puede descomponer en estas dos direcciones
perpendiculares entre si y el edificio estaría en capacidad de soportarlo.
Centro De Rigidez
Es el punto con respecto al cual el edificio se mueve desplazándose
como un todo, es el punto donde se pueden considerar concentradas las
rigideces de todos los pórticos. Si el edificio presenta rotaciones estas serán
con respecto a este punto.
Existe línea de rigidez en el sentido X y línea de rigidez en el sentido
Y, la intersección de ellas representa el centro de rigidez. Las líneas de
rigidez representan la línea de acción de la resultante de las rigideces en
cada sentido asumiendo que las rigideces de cada pórtico fueran fuerzas.
DENTRO DEL ANALISIS DEL METODO SISMICO CABE DESTACAR LOS
SIGUIENTES CRITERIOS DE ESTRUCTURACION Y DISEÑO
1. La idealización que se realice para el análisis, debe ser lo más
cercana posible a la estructura real a construirse.
2. Las estructuras más complejas son difíciles de predecir su
comportamiento sísmico.
3. Debe procurarse hacer estructuraciones simples de manera que el
modelo por analizar este perfectamente definido y los resultados
puedan reflejar el comportamiento real
4. La simetría estructural es deseable en las dos direcciones, de lo
contrario se producirían efectos torsionales difíciles de evaluar con
incrementos de esfuerzos que podrían ser mayores a los resistentes.
5. Debe proporcionárseles a las estructuras resistencias sísmicas en
todas las direcciones o por lo menos en dos direcciones ortogonales,
de manera que se garantice la estabilidad en todos y cada uno de sus
elementos.
6. Debe garantizarse una trayectoria continua de la carga, desde su
punto inicial, hasta su punto final; con la suficiente resistencia y
rigidez.
7. Debe prepararse a la estructura con la ductilidad suficiente, de manera
que tenga un comportamiento inelástico, sin llegar a la falla.
8. Toda estructura debe tener una disposición hiperestática para lograr
una mayor capacidad resistente, lográndose que la energía sísmica se
disipe en un mayor número de rótulas plásticas.
9. Las estructuras deben ser construidas monolíticamente dónde sea
posible, para evitar las llamadas juntas frías.
10.En toda estructura debe evitarse el cambio brusco de rigidez,
recomendándose que los elementos sean continuos tanto en planta,
como en elevación, de necesitarse una reducción, ésta debe
realizarse en forma progresiva.
11.Los sismos generan deformaciones laterales en las edificaciones, por
consiguiente es necesario dotar a las estructuras de la suficiente
rigidez lateral en las dos direcciones, para evitar daños en los
elementos no estructurales. Se ha comprobado que las edificaciones
rígidas tienen mejor respuesta que las edificaciones flexibles.
12.Debe evitarse tener grandes aberturas en losas o reducciones en
planta tipo puente, para que sea válida la hipótesis de diafragma
rígido; que permita una distribución de la fuerza horizontal de acuerdo
a la rigidez lateral de columnas y muros; a la vez que se consigue
mantener una misma deformación lateral en un determinado nivel.
13.Debe tenerse en cuenta en la estructuración, la influencia de los
elementos no estructurales, para evitar distorsiones en la distribución
de la fuerza sísmica.
ESTRUCTURACION SISMORRESISTENTES
Es premisa del diseño en ingeniería el lograr el balance entre
seguridad y economía. El primer propósito del diseño sismoresistente de
edificaciones, es de evitar pedidas de vidas y luego el de minimizar daños a
la propiedad.
La filosofía para el diseño sismo resistente, requiere que la estructura sea
capaz de:
Resistir sismos leves sin daños.
En estos casos la estructura deberá trabajar en el rango elástico.
Resistir sismos moderados con daño estructural leve y algún daño en
elementos no estructurales.
El diseño deberá permitir que el daño estructural en la mayoría de los
sistemas sea limitado y reparable.
Resistir sismos mayores, catastróficos, sin colapsar.
El diseño sismoresistente, debe proveer a la estructura de cualidades
estructurales y dinámicas de manera que tengan niveles de respuesta
adecuados frente a sismos de diversos características. La experiencia ha
demostrado que dichas cualidades tienen que ver con su configuración, su
rigidez, su resistencia y con su ductilidad.
a. CONFIGURACIÓN
Está definida por aspectos de:
Forma y tamaño de la edificación
Estructuración
Masa
Tipo y ubicación de elementos no estructurales (especialmente en la
tabiquería)
Forma y Tamaño de la Edificación
Elegir formas simples, simétricas y compactas a las formas complejas,
asimétricas y esbeltas. En planta, evitando las formas abiertas e irregulares;
como son las formas L, T, U, H, y buscando en lo posible, las formas
cerradas y regulares como son: la cuadrada, la rectangular, la triangular, la
circular, entre otras.
En elevación, debe evitarse los retiros y los crecimientos de la planta
con la altura de la edificación.
Estructuración
Debe Estructurarse definiendo caminos continuos, uniformes y
directos para la transferencia de fuerzas verticales y horizontales a la
cimentación; evitando las discontinuidades. Son ejemplos de discontinuidad,
la interrupción de muros antes de llegar a la cimentación, las aberturas
grandes en muros o las aberturas en elevación del muro, las perforaciones
de los diagramas horizontales.
No es conveniente también los cambios bruscos de resistencia o de
rigidez en los pórticos, muros de corte o en los diafragmas horizontales;
ejemplos típicos de cambios de rigidez lo vemos en los "pisos blandos" que
se producen en los edificios cuando la rigidez de un piso bajo es inferior a la
de los niveles superiores, o cuando en un mismo nivel ocurren columnas de
diferentes alturas; tal es el caso típico de columnas cortas
La estructura debe contar con diafragmas horizontales rígidos y
capaces de distribuir las fuerzas horizontales a los elementos verticales.
La disposición y características de los elementos sismo resistentes
deben tender a lograr simetría, y coincidencia de centro de rigideces con el
centro de masas, para minimizar los efectos torsionantes.
Cuando no hay simetría se producen torsiones que llevan a
comportamientos que son difíciles de predecir y a la magnificación
innecesaria de las fuerzas internas en algunos elementos.
Masa
Las fuerzas de inercia producidas por un sismo son proporcionales a
la masa de la edificación, debe buscarse por lo tanto reducirse al mínimo la
masa. Debe tenderse también a su distribución uniforme, en planta y
elevación, evitando concentraciones de masa, particularmente en los pisos
superiores.
Tipo y Ubicación de Elementos No Estructurales
Los elementos no estructurales, como la tabaquería de albañilería y
las escaleras, pueden interferir en la transmisión fluida de las fuerzas de
inercia provocadas por los sismos y comportarse como elementos resistentes
de fuerzas horizontales, produciendo alteraciones en la distribución de las
rigideces, que pueden originar torsiones, discontinuidades en la transmisión
de fuerzas y finalmente, concentraciones de esfuerzos que pueden ser
origen de fallas estructurales.
En consecuencia debe estudiarse la disposición de los elementos
rígidos no estructurales, de manera de asegurarse que no producirá
modificaciones en el comportamiento asumido de la estructura.
Eventualmente su fijación a la estructura debe diseñarse para permitir el libre
desplazamiento de esta.
b. RESISTENCIA
Dada la filosofía actual de diseño sísmico, en la que la resistencia se
cambia por redundancia y ductilidad, un mínimo de resistencia debe ser
provista para asegurar que las demandas correspondientes de ductilidad no
excederán las ductilidades disponibles de los elementos de la estructura.
Una resistencia excesivamente alta, ciertamente aceptable; puede ser
económicamente imposible. Cualquier resistencia intermedia puede ser
aplicable, siempre que los aspectos de la rigidez y ductilidad sean atendidos.
Debe buscarse una estructuración con más de una línea de
resistencia y con capacidad para redistribuir las fuerzas de sismo en
eventualidad de falla de elementos importantes. Esto puede lograrse con
sistemas de pórticos hiperestáticos que incluyan muros de corte y que estén
preparados para redistribuir las fuerzas horizontales después de la fluencia
inicial.
c. RIGIDEZ
Los desplazamientos laterales, de traslación y de rotación, dependen
de la suma de rigideces de los elementos resistentes y de la rigidez Torsional
de la planta, que es función de la ubicación de los elementos resistentes
verticales.
Los desplazamientos deben limitarse tanto por razones estructurales,
por protección de los elementos no estructurales, así como por el confort de
los ocupantes. El incremento de rigidez en una edificación se logra de
manera muy eficiente con la incorporación de muros estructurales.
d. DUCTILIDAD
En la generalidad de estructuras de edificios compuestos por
estructuras aporticadas, con la inclusión o no de muros de corte, cuya
características estructural común es la hiperestaticidad y la redundancia, la
economía en el diseño se logra al permitir que algunos elementos
incursionen en el rango inelástico, es decir, que sean capaces de disipar la
energía del sismo por medio de la fricción interna y la deformación plástica.
De esa manera será posible diseñar para fuerzas horizontales
sustancialmente menores a las correspondientes a una repuesta elástica.
Cuando mayor sea la ductilidad que desarrolle la estructura, mayor
será la energía disipada y mayor podrá ser la reducción de las fuerzas de
diseño. Debe verificarse que los elementos de la estructura columnas, muros
y vigas desarrollen ductilidades tales, que permitan a la estructura como un
todo, tener un comportamiento dúctil compatible con el factor de reducción
de ductilidad R, asumido en la determinación de las fuerzas laterales de
diseño.
La incursión de los elementos de una determinada estructura, en el
rango inelástico, debe ser selectiva y secuencial, de manera de disipar de la
estructura, minimizando la posibilidad de daños severos en elementos
verticales y eliminando la posibilidad de colapso de la estructura. El diseño
debe orientar a que sean los elementos horizontales los que ingresen
primero en el rango inelástico con la formación de rotulas plásticas en sus
extremos, mientras los elementos verticales permanecerán en el rango
elástico.
Finalmente estos columnas o muros ingresaran en el rango inelástico con la
formación de rotulas en su base. El esquema de comportamiento integral de
la estructura en este caso será tri-lineal.
Los principales procedimientos de análisis sísmico son los siguientes:
a) Análisis estáticos lineales. Conocidos como Estáticos Equivalentes.
b) Análisis dinámicos lineales. Se usan de dos tipos:
Tiempo Historia. Cuando se usan registros de aceleración y las
respuestas estructurales se conoces a lo largo de toda la duración
del evento sísmico.
Espectro de respuesta. Cuando se trabaja con los espectros
obtenidos de los registros de aceleración, combinando los aportes
de cada modo, a fin de obtener un valor representativo de la
respuesta, ya que la falta de simultaneidad de las máximas
respuestas en cada modo de vibración implica la necesidad de
combinarlas adecuadamente.
c) Análisis estático no lineal. Más conocido como push-over, cuya
principal característica es la de usar sistemas equivalentes de un
grado de libertad, para modelar una estructura de múltiples grados de
libertad y que únicamente nos permiten apreciar respuestas globales
de la estructura.
d) Análisis dinámico no lineal. Cuando conociendo las propiedades de
los materiales constructivos de nuestra estructura y de los elementos
de los sistemas estructurales, hacemos uso de registros de
aceleración, en un cierto número de ellos, para predecir las
respuestas de nuestro sistema, generalmente las basadas en
desplazamientos. En general, pueden establecerse como objetivos del
diseño sísmico:
1. Evitar que se exceda el estado límite de servicio para sismos de
intensidad moderada que pueden presentarse varias veces en la vida
de la estructura.
2. Que el estado límite de integridad estructural no se exceda para
sismos severos que tienen una posibilidad significativa de presentarse
en la vida de la estructura.
3. El estado límite de supervivencia no debe excederse ni para sismos
extraordinarios que tengan una muy pequeña probabilidad de
ocurrencia. Para la realización de un análisis sísmico es necesario
considerar las siguientes etapas:
a) La selección de un sistema estructural adecuado. Capaz de absorber y
disipar la energía introducida por el sismo.
b) El análisis sísmico. Determinación del modelo analítico más representativo
de la estructura real.
c) El dimensionamiento de la sección. Los métodos de dimensionamiento
delas secciones y elementos estructurales no difieren sustancialmente de los
que se especifican para otro tipo de acciones, excepto para los métodos de
diseño por capacidad.
d) Detallado de la estructura. Para lograr un comportamiento dúctil, esto es,
detallar sus elementos y conexiones para proporcionar gran capacidad de
deformación antes del colapso.
ANALISIS SISMICO DE UN EDIFICIO
El comportamiento preferencial de una estructura de hormigón armado
cuando solicitada por fuerzas sísmicas debe consistir en la disipación de
energía por toda la estructura, sin pierda de capacidad resistente, teniendo
aptitud para disipar la energía transmitida pelos movimientos sísmicos,
pasada la suya fase de respuesta elástica. O sea, la estructura debe ser
dotada de ductilidad, no solamente a nivel de cada elemento, pero también
como un todo, evitando la formación de mecanismos instables y mecanismos
de rotura frágiles.
El comportamiento estructural dúctil será más eficaz para resistir a la
acción sísmica pues los elementos exhiben mayor capacidad de hacer
desvanecer la energía transmitida por esta solicitación de carga y descarga,
a través de la suya respuesta non-lineal.
Resumiendo, se pretende conferir resistencia a los eslabones flacos
tal que la rotura al acontecer, ocurra primero por los eslabones dúctiles. De
esta forma, en el caso de los pórticos son de evitar mecanismos que
envuelven la concentración de rotulas plásticas en pila, conduciendo a la
formación de un mecanismo sin absorción suficiente de energía. Por otro
lado, los mecanismos con formación de rotulas plásticas en vigas (con
posterior formación de rotulas en las pilas) conduce a la formación de un
mayor número de rotulas, garantiendo la disipación de la energía y
distribuyendo ésta por un mayor número de elementos. Así se puede
controlar y prever el comportamiento de una estructura fase una solicitación
sísmica.
