Cómo los terremotos afectan a los edificios

Publicado por Fernando Arancibia Carvallo Etiquetas: Sismicidad y la Construcción Civil

 

Introducción: El movimiento sísmico del suelo

Figura 1

La respuesta dinámica de la construcción de un movimiento telúrico es la causa más importante de los terremotos inducidos por daños a edificios. El incumplimiento de la tierra y el suelo debajo de los edificios es también una causa importante de daño. Sin embargo, contrariamente a la creencia popular, los edificios son muy rara vez, dañado por culpa del desplazamiento por debajo de un edificio.

Para examinar brevemente los fundamentos de la generación de los terremotos:

La mayoría de los terremotos el resultado de un movimiento rápido a lo largo del plano de las fallas de la corteza de la tierra. (ver figura 1)

Este movimiento súbito de la culpa libera una gran cantidad de energía que viaja a través de la tierra en forma de ondas sísmicas.

Las ondas sísmicas viajan a grandes distancias antes de finalmente perder la mayor parte de su energía. La Figura 2 ilustra algunas de las características básicas comunes, no sólo a las ondas sísmicas, sino a todas las formas de movimiento ondulatorio.

Figura 2

En algún momento después de su generación, estas ondas sísmicas se llega a la superficie de la tierra, y la puso en movimiento, que no es sorprendente que nos referimos como un movimiento de tierra de terremotos.

Cuando este movimiento del suelo terremoto ocurre debajo de un edificio y cuando es lo bastante fuerte, que establece la construcción en marcha, empezando con la fundación del edificio, y transfiere el movimiento a través del resto del edificio de una manera muy compleja. Estos movimientos, a su vez inducen fuerzas que pueden producir daños.

Ver estas fuerzas en acción y experimentar con Make-A-Quake Simulador, Discovery.com 's animación interactiva de un edificio en condiciones diferentes terremoto.

La complejidad de movimiento sísmico del suelo

Real movimiento de tierra de terremotos en un edificio en particular es mucho más complicada que la forma de onda simple ilustra en la Figura 2. Aquí es útil para comparar la superficie de la tierra en virtud de un terremoto a la superficie de un pequeño cuerpo de agua, como un estanque. Puede establecer la superficie de un estanque en movimiento - por arrojar piedras en él.

Las primeras piedras pocos crear una serie de ondas circulares, que pronto empiezan a chocar unos con otros. Después de un tiempo, las colisiones, que los patrones de interferencia plazo comienza a predominar sobre el patrón de ondas circulares. Pronto, toda la superficie del agua está cubierta por ondas, y ya no puede distinguir las formas de onda original. Durante un terremoto, el suelo vibra de una manera igualmente compleja, como las ondas de diferentes frecuencias y amplitud de interactuar unos con otros.

La complejidad de un movimiento telúrico se debe a tres factores:

Las ondas sísmicas generadas en el momento del movimiento terremoto culpa no eran de un carácter uniforme

A medida que estas ondas pasan a través de la tierra en su camino de la culpa a la obra, que sean modificadas por el suelo y la roca a través de los medios de comunicación que pasan

Una vez que las ondas sísmicas llegar al sitio de construcción que ser objeto de modificaciones que dependen de las características de la tierra y el suelo debajo del edificio. Nos referimos a estos tres factores como los efectos de origen, los efectos de ruta, y los efectos de sitio local.

Movimientos del suelo y frecuencias de construcción

Las características de los movimientos de tierra terremoto que tienen la mayor importancia para los edificios son la duración, amplitud (de desplazamiento, velocidad y aceleración) y la frecuencia del movimiento del suelo. La frecuencia se define como el número de ciclos completos de vibración realizados por la onda por segundo.

Aquí, podemos considerar una vibración completa a ser la misma que la distancia entre una cresta de la ola y la siguiente, en otras palabras, una longitud de onda completa. (Ver Figura 2.) Frecuencia a menudo se mide en unidades llamadas Hertz. Así, si dos olas pase completo en un segundo, la frecuencia es de 2 Hertz (abreviado como 2 Hz).

Movimiento del suelo de superficie de la obra es en realidad una superposición compleja de frecuencias de vibración diferentes. Hay que mencionar también que en un sitio determinado, algunas frecuencias por lo general predominan. La distribución de las frecuencias en un movimiento de tierra se conoce como su contenido de frecuencia.

La respuesta de la construcción para el movimiento del suelo es tan complejo como el movimiento del suelo en sí, sin embargo, suelen ser muy diferentes. También comienza a vibrar de una manera compleja, y porque ahora es un sistema vibratorio, también posee un contenido de frecuencia. Sin embargo, las vibraciones del edificio, tienden a concentrarse en torno a una frecuencia particular que se conoce como su frecuencia natural o fundamental. En general, cuanto más corta de un edificio es el más alto de su frecuencia natural, y el más alto del edificio es, menor es su frecuencia natural.

Construcción de la frecuencia y el periodo

Otra forma de entender esto es pensar en la respuesta de la construcción en términos de otra cantidad importante, el edificio período natural. El período de construcción es simplemente la inversa de la frecuencia: Considerando que la frecuencia es el número de veces por segundo que el edificio vibre de ida y vuelta, el período es el tiempo que tarda la construcción para hacer una vibración completa. La relación entre la frecuencia f y el período de T es la matemática, pues, muy simple:

Alturas del edificio y Frecuencia Natural

Construcción de la Altura

Natural típico Período

2 pisos .2 Segundos

De 5 pisos .5 Segundos

De 10 plantas 1,0 segundos

De 20 plantas 2,0 segundos

30 pisos 3,0 segundos

50 pisos 5,0 segundos

Frecuencias de resonancia

Figura 3

Cuando el contenido de frecuencia del movimiento del suelo se centran alrededor de la frecuencia natural del edificio, se dice que el edificio y el movimiento de la tierra están en resonancia con otros. La resonancia tiende a aumentar o amplificar la respuesta del edificio. Debido a esto, los edificios sufren el mayor daño del movimiento del suelo en una frecuencia cercana o igual a su frecuencia natural.

El terremoto de Ciudad de México del 19 de septiembre de 1985 prevé una notable ilustración de esto. La mayoría de los muchos edificios que se derrumbaron durante el terremoto fueron alrededor de 20 pisos de altura - es decir, tenían un período natural de alrededor de 2,0 segundos. Estos edificios de 20 plantas, se encontraban en resonancia con el contenido de frecuencias del terremoto de 1985. Otros edificios de diferentes alturas y con las características de vibración diferentes, a menudo se encuentran en buen estado a pesar de que se encuentra justo al lado de la historia de 20 edificios dañados.

Espectros de Respuesta

Figura 4

Como hemos visto, los diferentes edificios pueden responder de muy diversas maneras a la misma un movimiento telúrico. Por el contrario, cualquier edificio determinado actuar de manera diferente durante los terremotos diferentes, lo que da lugar a la necesidad de concisión que representan la gama de la construcción de respuestas a tierra el movimiento de los contenidos de frecuencia diferentes. Este tipo de representación que se conoce como un espectro de respuesta. Un espectro de respuesta es un tipo de gráfico que representa los valores de respuesta máximo de aceleración, velocidad y desplazamiento contra el tiempo y la frecuencia. Espectros de respuesta son muy importantes "herramientas" en ingeniería sísmica.

En la página ¿Cómo Edificios responder a terremotos describe con más detalle, la cantidad de aceleración que sufre una edificio durante un terremoto es un factor crítico para determinar qué tanto daño que sufrirán las consecuencias. Los espectros de la figura 4 proporciona algunas indicaciones de cómo aceleraciones están relacionados con características de frecuencia, lo que muestra una manera en la que los espectros de respuesta puede ser útil, ya que la identificación de las frecuencias de resonancia en la que un edificio se someterá a aceleraciones pico es un paso muy importante en el diseño de la capacidad para resistir los terremotos.

 Justificación

Colombia, por su ubicación en el cinturón de fuego circunpacífico y por sus registros históricos, puede definirse como un país de alto riesgo sísmico.

Para enfrentar la alta amenaza sísmica se requiere de la formación de profesionales con conocimientos profundos en el proceso de generación de los sismos y en el comportamiento de las estructuras cuando se ven sometidas a estos fenómenos.

Igualmente, se requiere de profesionales que desarrollen tecnologías y normas constructivas adecuadas a las características de los fenómenos sísmicos que se registran en el país y a sus condiciones económicas.

En los planes de estudio de pregrado en Ingeniería Civil no es posible impartir esta clase de conocimientos; su alcance requiere de una dedicación e intensidad especial. EAFIT, consciente de esta problemática y previo análisis de los programas existentes en Colombia, de pregrado y posgrado en Ingeniería Civil, propuso la creación de la Especialización en Ingeniería Sismo-Resistente con el objeto de formar profesionales capaces de analizar, interpretar y proponer soluciones que permitan enfrentar la amenaza sísmica colombiana.

 Objetivos

Formar profesionales que puedan desempeñarse en el análisis, diseño y construcción de estructuras que resistan de manera segura y económica los efectos de los fenómenos sísmicos, que puedan emprender investigaciones en los campos de ingeniería sísmica y de comportamiento de materiales.

Instruir al ingeniero civil en los procesos de generación, evaluación, descripción y caracterización de los fenómenos sísmicos.

Analizar y discutir la filosofía tanto del diseño sísmico como del comportamiento de los diferentes sistemas estructurales, haciendo énfasis en las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98.

Desarrollar en el ingeniero civil la capacidad de evaluar la respuesta de las estructuras y el comportamiento de los materiales ante cargas sísmicas, con el fin de obtener estructuras seguras y económicas.

Crear la necesidad y desarrollar la capacidad de investigación en el área de Ingeniería Sísmica.

El sismo y sus efectos sobre las estructuras..

Colaborado por: Dr. Ing. Alexis Negrín Hernández Profesor Titular e Investigador Auxiliar. anegrin@uclv.edu.cu

La acción de los sismos sobre las estructuras, edificaciones y obras en general es de gran importancia, por la magnitud de los daños y fallos que ocasionan, las grandes pérdidas económicas, y sobre todo, por el gran número de víctimas humanas, tanto en muertos como en lesionados.

Las cargas que el sismo provoca sobre las estructuras dependen de muchos factores, entre otros: las características dinámicas del evento, la zona geográfica, las propiedades del suelo y la estructura, la interacción suelo-estructura, el propio movimiento sísmico, la capacidad de liberar energía de la estructura, etc.

La carga de sismo, en zonas de actividad sísmica, es una de las más importantes a tener en cuenta en el diseño. La acción de un sismo sobre una estructura tiene aspectos netamente distintos que los de la mayoría de las otras acciones. La diferencia no reside tanto en las características dinámicas de la acción, si no en la relación entre el movimiento sísmico, las propiedades del suelo subyacente y las estructuras.

El diseño sismorresistente implica mucho más que la simple consideración, como se hace con otras cargas, de un conjunto de cargas estáticas que se aplican al modelo de la estructura; requiere, además y principalmente, la selección de un sistema estructural idóneo y eficiente para absorber los efectos sísmicos y de un cuidado especial en la observancia de requisitos de diseño de los elementos estructurales y no estructurales. Esto implica que un diseño adecuado para soportar las acciones comunes, puede resultar totalmente inapropiado para resistir efectos sísmicos, como lo demuestran las frecuentes fallas y problemas que se tienen al utilizar sistemas constructivos desarrollados para zonas no sísmicas en otras en que estos efectos son críticos.

A grandes rasgos el diseño sísmico enmarca las siguientes etapas: la selección de la composición estructural adecuada, la obtención de las acciones de diseño, el cálculo de la respuesta estructural y el diseño y detalles de la estructura. Un terremoto puede tener su centro epicentro a varios kilómetros de la estructura, tal como pasa con los ciclones, pero aquí la onda se desplaza por la corteza terrestre, por tanto su efecto llega a la estructura por los cimientos y la mueve o sacude en todas direcciones, en general, piénsese en el símil de un péndulo invertido.

La carga de sismo va en contra de la lógica estructural, pues rompe con la transferencia tradicional de carga sobre la estructura. Las otras cargas bajan, normalmente, de las losas a las vigas, de éstas a las columnas y de allí a los cimientos. En el sismo la carga comienza por los cimientos, esto le da un marcado efecto dinámico, además, las vibraciones u oscilaciones se pueden mantener sobre la estructura y provocar la resonancia.

En resumen: durante el diseño con la carga de sismo hay que tener en cuenta que la estructura soporte las grandes

fuerzas de cortante que se introducen, pero además hay que cuidar que el período de oscilación de la estructura no coincida con la del suelo. Esto presupone una estructura rígida para soportar la carga y una más flexible para evitar la resonancia. Una buena manera de lograr esto es diseñando estructuras aporticadas con paredes de mampostería enmarcadas. Durante los primeros embates del sismo el peligro de resonancia es menor (las fuerzas horizontales son mayores pero mas "desorganizadas" y las oscilaciones muy variables) la estructura se comporta, inicialmente, como rígida; esas fuerzas "cuartean" las paredes y rompen un poco la unión con el pórtico, haciendo la estructura mas flexible. Luego del acomodo del suelo las oscilaciones son mantenidas, pero las fuerzas horizontales son menores y pueden ser soportadas por la estructura flexible; la flexibilidad de la estructura evita la resonancia.

Cuando ocurre un evento sísmico en el mundo se genera un gran cúmulo de informaciones, noticias, comentarios y preocupaciones. Pensamos que se necesita de una "cultura sísmica" para poder entender bien esos sucesos. Para esto debe quedar muy claro la diferencia entre magnitud e intensidad de un sismo. La magnitud de un sismo es la medida del tamaño del mismo que es independiente del lugar donde se hace la observación y que se relaciona, en forma aproximada, con la cantidad de energía que se libera durante el evento. Se determina a partir de las amplitudes de registros de sismógrafos. La escala más conocida de magnitudes es la de Richter. Cada incremento de una unidad en la escala de Richter implica un aumento de 32 veces en la cantidad de energía liberada.

La intensidad de un sismo es una medida de los efectos que éste produce en un sitio dado, o sea, de las características del terreno y del potencial destructivo del sismo en un lugar en particular y en lo concerniente a sus efectos en las construcciones. Las intensidades varían en grados desde I al XII y un buen ejemplo de este tipo de escala los es la MSK-1964 (Escala Internacional Macrosísmica o Mercalli Modificada).

Es frecuente la confusión entre magnitud e intensidad. La magnitud es una medida de la potencia del sismo, independiente del lugar donde se mide. La intensidad es una medida de las característica del movimiento del terreno que el sismo provoca en un sitio dado. Desde el punto de vista del Ingeniero Civil lo que interesa son las intensidades que pueden presentarse en el lugar donde se va a construir la edificación. Una misma intensidad puede ser producida por un sismo lejano de gran magnitud o por uno cercano de menor magnitud. Por ejemplo, el sismo que destruyó a Managua en 1972 fue de magnitud relativamente baja, en la escala de Richter fue de 5.7, pero su epicentro se localizó en la misma ciudad, así que la intensidad fue muy alta, prácticamente del orden de X y la destrucción fue casi total.Los grados el la escala MSK tienen las siguientes definiciones:

I.- Terremoto imperceptible. Sólo son registrados por los sismógrafos.

II.- Terremotos escasamente perceptibles (muy leves).

III.- Terremoto débil, observado sólo parcialmente. Las personas más sensibles lo sienten.

IV.- Terremoto sentido considerablemente. El evento es sentido por muchas personas.

V.- Fuerte. Despertamiento. Sentido por todas las personas en el interior de edificios y por muchas fuera. Muchas personas durmiendo se despiertan. Hay algunos daños en edificios menos sólidos.

VI.-Daños ligeros. Las personas se asustan y corren hacia afuera de las edificaciones. Hay daños en estructuras medias.

VII.-Daños en edificios. Se asustan la mayoría de las personas. Hay daños sobre las estructuras. En el diseño y construción debe ser tomada en cuenta la carga de sismo.

VIII.-Fuertes daños en los edificios. Destrucción de edificios. Alarma general. La carga de sismo comienza a ser crítica en el diseño.

IX.-Daño general de edificios. Pánico general. Muchos edificios se caen. La carga de sismo es la más importante en el diseño. Hay que tomar medidas especiales antisísmicas.

X.- Destrucción general de edificios. Grandes grietas en el suelo.

XI.-Catástrofe. Ocurren serios daños, destrucción total. Considerables deformaciones del suelo.

XII.- Cambio de relieve. Se destruyen prácticamente todas las construcciones. Cambios radicales en la superficie del terreno.

Para el cálculo de la carga de sismo se necesita de una expresión confiable, y científicamente probada, que evalúe todos los factores antes mencionados y que garantice la seguridad implícita en los métodos de cálculo. En los tiempos actuales existen muchos métodos de cálculo de carga de sismo y hay mucho desarrollo en ese campo. Muy buen desarrollo es esta esfera tienen: Japón, EEUU, México, Perú, Chile y otros que evidentemente son muy afectados por estos eventos.

Los estudios geológicos y la historia de actividad sísmica permiten identificar las zonas sismogenéticas, o sea aquellas donde existen fallas tectónicas activas cuya ruptura genera los sismos. Los movimientos sísmicos del terreno se presentan no solo en las zonas sismogenéticas sino en todas aquellas que están suficientemente cercanas a las mismas para que lleguen a ellas ondas sísmicas de amplitud significativa.

Aunque el sismo es una carga casi impredecible y causa muchos daños el proyectista no puede evitar el reto. Cualquier país con actividad sísmica tiene que ser estudiada desde el punto de vista ingenieril. Para poseer una norma propia de cálculo lo primero que debe existir es un estudio de sismicidad y luego hacer la adecuada interpretación física y estadística del fenómeno. Posteriormente, apoyándose en todo los estudios precedentes y en las normas de países de más desarrollo en la temática, valorando las condiciones particulares definir una norma propia de cálculo. De esa manera se contará con suficiente argumento para realizar un diseño ante la carga de sismo totalmente confiable. Un buen ejemplo, si no el mejor, de material de consulta de todas estas cuestiones es la referencia (1) que recomendamos a todo ingeniero estructural.

BILIOGRAFIA CONSULTADA:

Bazán Enrique y Meli Roberto; "Diseño Sísmico de Edificios", Editorial LIMUSA, México, 1998.

Negrin Alexis; "Comportamiento de Estructuras de Concreto", Monografía para curso de Diseño Estructural, UNITEC, Tegucigalpa, Honduras, 2007.