VII Congreso Regional de Ciencia, Tecnología e Innovación ...congresocti.concyt.gob.gt/portal/attachments/article/79/... · «Un refugio de desalojo vertical es un edificio o montículo

VII Congreso Regional de Ciencia, Tecnología e Innovación:Bases para el desarrollo nacional

El impacto de un tsunami en la costa sur de Guatemala:Análisis de estructuras resistentes a tsunamisAlejandra Ruano

Importancia

• Los tsunamis tienen un efecto devastador en las comunidades costeras. Aparte del daño sustancial en las estructuras que son sometidas a las fuerzas existe una gran cantidad de pérdidas humanas debido al colapso de infraestructura.

Tsunami Japón 2011

Importancia• Los sistemas de evacuación vertical son estructuras para albergue de

personas en los niveles superiores y deben tener capacidad suficiente para resistir las fuerzas del tsunami.

Fuente: Revista vista al Mar

¿Qué sucede en Guatemala?

• FEMA P646 2008

• ASCE 24-14

• FEMA 55 2005

• DESIGNING FOR TSUNAMIS: SEVEN PRINCIPLES FOR PLANNING AND DESIGNING

FOR TSUNAMI HAZARDS

• DESIGN GUIDELINES FOR STRUCTURES THAT SERVE AS TSUNAMI VERTICAL

EVACUATION SITES - (Harry Yeh 2005)

• CITY OF HONOLULU BIULDING CODE - (Dames & Moore 1980) –

• NORMA TÉCNICA MINISTERIAL NTM 007 – (Chile) –

Manuales y Guías

Objetivos de funcionamiento sísmicoFEMA, 2008

Objetivos de desempeño

Fuente: ASCE 7-10

Daños causados por un tsunami

Daños producidos por momentode flujo

en vivienda de bloques de concreto

Fuente: (Alodia, 2008)

Colapso de Viviendas de madera en Iwaki, Japón

Fuente: (Lekkas, 2011)

Suelo y Cimentación

• Bajo los efectos de un tsunami la capacidad de soporte del suelo se ve sumamente afectada y reducida por el efecto de la fuerza boyante. Los cimientos deben ser diseñados considerando los efectos de saturación del suelo y socavamiento. Estos efectos deben ser tomados en cuenta en el comportamiento final de la estructura. Socavamiento de los cimientos (Camaná)

Fuente: (Yauri, 2008)

Sistemas de evacuación Vertical

«Un refugio de desalojo vertical es un edificio o montículo de tierra con altura suficiente para elevar a los desalojados sobre el nivel de

inundación, y está diseñado y construido con la fortaleza y resiliencia necesaria para resistir el embate de las olas de tsunami» (FEMA, 2008)

Opciones de desalojo vertical

• Terrenos altos existentes

• Bermas de terreno

• Estacionamientos

Bermna de tierra con espacio comunal abierto.

Fuente: (FEMA, 2008)

Consideraciones para un refugio vertical

1. Planeamiento Urbano1. Localidad

2. Arquitectura1. Circulación e ingreso vertical

2. Tamaño1. Número de ocupantes

2. Tipo y duración de ocupación

3. Consideraciones en elevación

4. Tipología y orientación de la estructura

Elevación mínima de Refugio.

Costo de la construcción tsunami resistente

Los costos estructurales varían en función del nivel de desempeño de la estructura.

Dependiendo de la ocupación y la importancia de la estructura existen variaciones

entre un 5% y 40% de los costos totales. Es de esperarse que un edificio tsunami –

resistente que incluya características de diseño resistentes tanto a cargas sísmicas

como las del tsunami, pueda experimentar un aumento del orden del 10% a 20%

en los costos totales sobre los de un edificio de uso normal. (FEMA, 2008)

Adaptado de (NTM, 2013) y (FEMA, 2008)

CARGAS PRODUCIDAS POR UN TSUNAMI SEGÚN FEMA P-545

Run-up o cota de inundación (R):

Cota de Terreno (z):

Altura de inundación (h)

Profundidad de inundación (d):

FUERZAS HIDROSTÁTICAS FUERZA BOYANTE

FUERZA DE HIDRODINÁMICAS FUERZAS IMPULSIVAS

FUERZA DE IMPACTO POR ESCOMBROS Y ACUMUULACIÓN DE DIQUES POR ESCOMBROS

FUERZA DE LEVANTAMIENTO

FUERZAS POR SOBRECARGA GRATIVTACIONAL

1 2 3

4 5 6

7 89

Análisis de un modelo estructural resistente a un tsunami

• La capacidad de resistencia que tenga una estructura que se encuentre en las cercanías de la zona costera o que este propensa a inundaciones es importante para resguardar la vida de las personas. Una estructura es capaz de soportar las fuerzas inducidas por un tsunami puede servir entonces como un refugio de evacuación vertical. Es importante tener en consideración que las estructuras en primera instancia deben ser capaces de soportar un sismo que puede ocurrir previo a un tsunami.

Características

• Ubicación: Puerto San Jose

• Funcionar como un refugio con un tiempo de ocupación máximo de 24 horas en lo que ocurre el Tsunami

• Capacidad de albergar bajo la cota máxima de inundación, alrededor de 370 personas.

Diseño

Códigos y Manuales• ACI 318-14, ASCE 7-10 Estándar

“Minimum Design loads for Biuldings and Other Structures”,

• AGIES NSE 2-10 “Demandas estructurales, condiciones de sitio y niveles de protección”

• FEMA P-646 “Guías para el diseño de estructuras de desalojo vertical en caso de Tsunami

Consideraciones• Esfuerzo de compresión del concreto

a 28 días (f’c) de 4000 psi• Densidad del concreto (γ) 150 pcf • Esfuerzo a fluencia del acero (fy) de

60,000 psi. *El modelo estructural se realizó utilizando hojas de cálculo en Mathcad y Excel, y softwares de diseño estructural Etabs 2009 y Staad Pro V8i.

IMPORTANTE RECORDAR….

• El diseño de una estructura debe ser suficientemente dúctil, flexible y redundante para soportar las vibraciones de un sismo que pueda ocurrir previo a un tsunami, al igual debe ser lo suficientemente resistente y rígida para soportar las fuerzas causadas por el fluido y las posibles fuerzas de impacto por escombros. Estas consideraciones no deben ser contradictorias si no ambas deben ser tomadas en cuenta para el diseño de una estructura tsunami – resistente.

PARÁMETROS DE TSUNAMI

•

FUERZAS HIDROSTÁTICAS

FUERZAS HIDRODINÁMICA

IMPACTO POR ESCOMBROS

FUERZA BOYANTE

FUERZA IMPULSIVA FUERZA POR SOBRECARGA GRAVITACIONAL

Escenarios considerados

• Fuerzas hidrodinámicas (Fd) en los elementos que ya han pasado la ola y fuerza impulsiva (Fs) en los siguientes conforme avanza la ola.

• Fuerzas de impacto por escombros (Ft) y fuerzas hidrodinámicas (Fd) en los demás elementos. Solo se consideró impacto por troncos, dado que en Puerto San José la probabilidad de que la estructura se vea impactada por un contenedor es casi nula. La fuerza de impacto se aplicó como una carga puntual actuando a la altura de inundación.

• Fuerzas hidrostáticas (Fh) y boyantes (Fb)

• Fuerza por sobre carga (Fr).

DERIVAS CON CARGAS DE TSUNAMI

Tsunami Dirección X

Nivel hi, ft Despl, in

4.00 12.00 0.1028

0.1028

3.00 12.00 0.0967

0.0967

2.00 12.00 0.0790

0.0790

1.00 12.00 0.0356

0.0356

El desplazamiento máximo de tsunami es 8.49% del desplazamiento sísmico, es decir que las fuerzas por tsunami no producen desplazamientos significativos en la estructura. Hay que tener en cuenta que las cargas sísmicas son inerciales y están en función de la altura, mientras que las cargas de tsunami no dependen de las propiedades inerciales de la estructura si no de su resistencia.

Sismo Dirección X

Nivel hi, ft Despl, in

4.00 12.00 1.213

1.126

3.00 12.00 0.965

0.906

2.00 12.00 0.611

0.567

1.00 12.00 0.223

0.207

Sismo en X

Ft + Fd

Las cargas de tsunami son

aplicadas únicamente a los

primeros dos niveles

donde existe inundación.

Este cambio de

esfuerzos lo que

produce es un

levantamiento en la

estructura y es allí donde

se debe hacer una

estricta revisión de las

cimentaciones para

evitar que la estructura

colapse por falla en los

cimientos.

Fuerza axial1.2 D + Fh + Fb + Lref + 0.25L

Fuerza axial 1.2DL + 1.6LL

DISEÑO DE LOSAS

Distribución de momentos bajo la combinación

1.2DL + 1.6LL en el sentido corto.Distribución de momentos bajo la combinación

1.2DL + 1.6LL en el sentido largo.

DISEÑO DE LOSAS


0.9DL +Fb + 0.25LL en el sentido corto


0.9DL +Fb + 0.25LL en el sentido largo

Losa 1 Mn (kip-ft)Mu Tsunami (kip-

ft)Mn/Mu Tsunami

Mx (Lado largo)

Negativo continuo 2.327 4.450 52%

Negativo discontinuo 3.458 14.500 24%

Positivo 3.458 15.300 23%

My (lado corto)



Positivo 2.327 7.320 32%


ft)

Mx (Lado largo)



Positivo 3.458 15.400 22%

My (lado corto)

Negativo continuo 1 3.458 11.020 31%


Positivo 2.327 6.050 38%


ft)

Mx (Lado largo)



Positivo 2.782 13.100 21%

My (lado corto)



Positivo 2.327 7.020 33%


ft)

Mx (Lado largo)



Positivo 2.782 12.800 22%

My (lado corto)



Positivo 2.327 5.460 43%

1.2DL + 1.6LL

1.2DL +Fb

DISEÑO DE VIAS GRAVITACIONALES

Vano 1 y 4 Mu Mn (kip-ft) Mu Tsunami (kip-ft) Mn/Mu Tsunami

Momento positivo 278.06 280.00 1360.00 21%

Momento negativo 1 0.00 280.00 0.00 N/A

Momento negativo 2 415.20 436.32 2020.00 22%

Vano 2 y 3 Mu Mn (kip-ft) Mu Tsunami (kip-ft) Mn/Mu Tsunami

Momento positivo 138.82 280.00 678.00 41%



El Wu obtenido para la combinación 1.2DL +

Fr + 0.25LL es de 234.8lb/ft2 que

comparándolo con el Wu de 1.2DL + 1.6LL, la

combinación crítica de tsunami es incluso

inferior.

En el caso de las vigas el Wu obtenido en

tsunami fue de 4522 lb/ft la cual es bastante

parecida a la obtenida para carga viva y carga

muerta, con una diferencia de únicamente

3.2%.

Modelo tridimensional utilizado para el análisis de marcos especiales a momento

Ejemplo del refuerzo de una viga principal

TSUNAMI SISMO

Sobre el eje

A-E (V-

1)

Entre ejes Mi, k-ft Mc, k-ft Mj, k-ft Mi (k-ft) Mc (k-ft) Mj (k-ft)

1 2sup 205 220 576 578

inf 121 107 139 95

2 3sup 203 216 564 564

inf 115 93 131 93

3 4sup 203 215 564 564

inf 115 93 131 93

4 5sup 208 217 578 576

inf 120 96 140 108

Sobre el eje

B-C-D

(V-2)

Entre ejes Mi, k-ft Mc, k-ft Mj, k-ft Mi, k-ft Mc, k-ft Mj, k-ft

1 2sup 332 348 709 708

inf 195 233

2 3sup 328 340 698 698

inf 184 216

3 4sup 330 340 698 698

inf 184 216

4 5sup 335 344 708 709

inf 195 233

Sobre el eje

A-E (V-

3)


1 2sup 157 182 389 415

inf 103 145

2 3sup 170 174 397 395

inf 93 130

3 4sup 169 175 395 397

inf 93 130

4 5sup 176 162 415 389

inf 103 145

Sobre el eje

B-C-D (V-

4)


1 2sup 240 275 511 558

inf 158 241

2 3sup 260 263 534 530

inf 143 216

3 4sup 258 265 530 534

inf 143 216

4 5sup 270 245 558 511

inf 158 241

DISEÑO DE COLUMNAS

Carga incluyendo Fb Carga excluyendo Fb

CONCLUSIONES

• Es importante que las estructuras tsunami- resistentes ubicadas en las zonas costeras se encuentre de tal manera que permita el flujo de agua. Los elementos no deben entorpecer el paso de agua, ya que se generarían fuerzas adicionales en los primeros niveles.

• La fuerza boyante es la carga crítica para una estructura sometida a fuerzas de un tsunami, ya que posee una magnitud muy alta que aparte de generar esfuerzos locales muy grandes en los elementos, a nivel general de la estructura produce tensión en las columnas de los niveles inferiores generando así que exista un uplift en los cimientos los cuales pueden causar el colapso de la estructura

CONCLUSIONES

• Las estructuras deben primero soportar un sismo previo a un tsunami tenido poco daño estructural y suficiente resistencia paraposteriormente poder resistir las fuerzas del tsunami.

• Las fuerzas laterales de un tsunami con un Run – up de 20’ son más pequeñas que las fuerzas sísmicas aplicadas para una categoría de diseño sísmico D, por lo que el diseño realizado permitiría que la estructura tuviera daños estructurales en elementos como vigas y losas del primer nivel, sin embargo, el edificio no colapsaría ante la ocurrencia de un tsunami.

RECOMENDACIONES

• Es recomendable que para una próxima investigación se estudie la erosión y la fuerza de levantamiento causada por el tsunami para conocer el comportamiento de la cimentación, condiciones de flujo y características necesarias del suelo.

• Las cargas por tsunami dependen de la cota de inundación con la que se diseñe. Se recomienda que se analicen otros parámetros de inundación para determinar si se obtienen los mismos resultados, al igual que otra categoría de diseño sísmico.

RECOMENDACIONES

• Analizar otros métodos de construcción diferentes a marcos de concreto, para evaluar el comportamiento de los muros los cuales estarían actuando como barreras de contención y analizar el tipo de esfuerzos producidos en ellos.

• La mitigación de los efectos causados por un tsunami está relacionada con la aplicación de los códigos y las exigencias municipales. Se recomienda que las autoridades locales tengan un control más estricto sobre el uso de los códigos para construcciones.

RECOMENDACIONES

• Investigar la probabilidad de implementación de estructuras que cumplan con los requisitos de diseño sísmico, ya que ayuda a mitigar los daños causados por un tsunami. Esta estructura mientras no exista necesidad de ser usada como refugio, puede ser utilizada para otras necesidades comunales como una escuela.

• Investigar sobre tsunamis ocurridos en países cercanos o que tengan condiciones similares a Guatemala para tener información sobre inundaciones, zonas inundables, alturas y velocidades de flujo, brindando así información necesaria para un mejor diseñoestructural.

¡Gracias por su atención!

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