Programa Especial de Titulacin Ingeniera Civil

Programa Especial de TitulacinIngeniera CivilIngeniera EstructuraldeObras Civiles

Docente: Ing. Oscar Fernndez Cruz

Ingeniero Civil Pontificia Universidad Catlica del PerDocente Universitario con ctedras ofrecidas en: Pontificia Universidad Catlica, Universidad Ricardo Palma, Universidad San Cristbal de Huamanga y Universidad Peruana de Integracin Global.Docente del Curso de Titulacin en Ingeniera Civil, Pontificia Universidad Catlica del Per.Docente Diplomado Residentes de Obra, SENCICOMiembro del American Concrete Institute (ACI). Captulo Peruano.Miembro del Instituto de Construccin y Gerencia (ICG).Miembro de la Comisin Calificadora de Proyectos en la especialidad de Estructuras (CODEMU) del CD Lima CIP

Miembro del Centro de Peritaje del CD Lima CIPDirector Gerente de CIEPSAT (Consultora en Ingeniera Estructural: Proyectos, Supervisiones y Asesora Tcnica), habiendo realizado el diseo de las estructuras de edificios de hasta veintisiete pisos y diez stanos.Consultor independiente en estructuras con servicios a ASB Contratistas Generales EIRL, BINDA Ingenieros SAC, Inversiones ARISO SAC, Constructora e Inmobiliaria CDR SAC, entre otros.

www.ciepsat.com

tema 01ingeniera sismorresistenteEvolucin de los criterios de Diseo SismorresistenteRevisin de aspectos y conceptos de la Norma E-030Objetivos del Diseo SismorresistenteResistencia, Rigidez y DuctilidadPeligro, Vulnerabilidad y Riesgo SsmicoEvolucin de los criterios deDiseo SismorresistenteIngeniera EstructuralLa ingeniera estructural es una rama clsica de la ingeniera civil que se ocupa del diseo y clculo de las estructuras de las edificaciones, es decir, del sistema destinado a soportar las cargas actuantes sobre la misma. Su finalidad es conseguir estructuras funcionales que resulten adecuadas y que representen una solucin prctica y econmica, con la seguridad necesaria. En un sentido prctico, la ingeniera estructural es la aplicacin de la mecnica racional (esttica, dinmica y resistencia de materiales) para el diseo de elementos y sistemas estructurales tales como edificios, puentes, muros, presas, tneles, etc.Diseo EstructuralSe entiende por Diseo Estructural al conjunto de etapas y procedimientos que desarrolla el ingeniero proyectista para determinar la forma, dimensiones y caractersticas detalladas de una estructura, es decir, la parte de una construccin que tiene por funcin soportar las diversas solicitaciones que se presentan durante las distintas fases de su existencia.Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para otra finalidad o funcin, que lleva, como consecuencia esencial, que la construccin mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo.La resistencia es una condicin fundamental, pero no es la finalidad nica. Ni siquiera es la finalidad primariaEduardo TorrojaEtapas del Diseo EstructuralEstructuracinAnlisisModelacinDeterminacin de las solicitaciones de diseoDeterminacin de las acciones de diseo sobre el modelo Momentos flectores, fuerzas cortantes, desplazamientos.3.Dimensionamiento1. EstructuracinEs la etapa de conjetura inicial racional y educada (supuestos de diseo) que proviene de la experiencia y la intuicin ms que de clculos cientficos.En ella se determinan la ubicacin y dimensiones de los diversos elementos estructurales, esperando en lo posible que resulten definitivos.2. AnlisisEs la etapa en la cual, se elige un modelo matemtico que represente el comportamiento de la estructura bajo las solicitaciones o cargas a las cuales estar sometida, de manera que se obtengan las acciones de diseo sobre el modelo (momentos flectores, fuerzas axiales, fuerzas cortantes, desplazamientos).ModelacinDeterminacin de las solicitaciones de diseoDeterminacin de las acciones de diseo sobre el modelo Momentos flectores, fuerzas cortantes, desplazamientos.Respuesta de los edificios a la accin ssmica

Modelacin del efecto ssmico

Resultados del anlisis ssmico:Fuerzas, Momentos y Desplazamientos

3. DimensionamientoEs la etapa final del proceso de diseo estructural, en la cual se obtienen y/o verifican las dimensiones preliminares consideradas para los diversos elementos estructurales, as como la de los refuerzos complementarios (por ejemplo, en el caso del concreto armado, se calculan las armaduras de acero necesarias).

Consideraciones bsicas delDiseo Estructural

La forma estructural influye decisivamente en el comportamiento ssmico.El diseo estructural no es un clculo matemtico exacto (interesan ms el comportamiento y los modos de falla)Las fuerzas de sismo deben tratarse con la misma importancia que las de gravedad (Fuerzas muy grandes con pequea probabilidad de ocurrencia y durante tiempos muy cortos).Se trata principalmente de evitar el colapso frgil de la estructura.ReflexionesEn un medio como el nuestro, es imprescindible recordar que debemos tratar contra una Solicitacin Ssmica.Las fuerzas de sismo deben ser previstas con la misma rigurosidad que las fuerzas de gravedad ya que, a pesar de su accin eventual y el corto tiempo de su accin, constituyen, para edificaciones convencionales, la solicitacin ms severa que experimentar la estructura durante toda su vida til.El aspecto estructural debe ser considerado durante la etapa de diseo y construccin, cuando se trata de un nuevo edificio, o durante una etapa de reparacin, remodelacin o mantenimiento, cuando se trata de un edificio ya construido.En la planificacin de un edificio nuevo, es necesario tener en cuenta que una de las mayores causas de daos en edificaciones han sido los esquemas arquitectnico-estructurales nocivos. Puede decirse de manera general que el alejamiento de formas y esquemas estructurales simples es castigado fuertemente por los sismos. De cualquier forma, dada la naturaleza probabilstica de los sismos, as como la posibilidad de que se exceda el nivel de diseo, es aconsejable evitar el planteamiento de configuraciones riesgosas, independientemente del grado de sofisticacin que sea posible lograr en el anlisis de cada caso.

Problema Fundamental:El Sismo

Maravillas arquitectnicas que pueden conducir a desastres estructuralesEl Diseo Estructural es el arte de usar materiales que en realidad NO conocemos, para formar estructuras que en realidad NO podemos analizar, de manera que resistan cargas que en realidad NO podemos evaluar y hacer todo esto de modo que el pblico no se d cuenta de nuestra IGNORANCIA(Dr. Roberto Melli Piralla) Bases para el Diseo Estructural en el Per (Cdigos y Normas)Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE)Norma E-020 Determinacin de Cargas (pesos propios, S/C)Norma E-030 Determinacin de Fuerzas SsmicasNorma E-060 (Captulo 21) Diseo ssmico en Concreto ArmadoNorma E-070 Diseo en AlbaileraNorma E-050 Aspectos relativos a Suelos y Cimentaciones.Norma E-090 Diseo en Acero

Cdigo de Hammurabi (Babilonia, 1760 A.C.):Si un constructor ha edificado una casa para otra persona y la construccin no ha resultado slida y la casa que se construy se cae, causando la muerte de su propietario, ese constructor debe ser ejecutado. Si causa la muerte del hijo del propietario, deber ejecutarse al hijo del constructor.

Caractersticas bsicas para un eficiente Sistema Estructural Sismo-resistenteEn general, independientemente del sistema estructural empleado, puede evaluarse las caractersticas sismo-resistentes de una edificacin, con el siguiente cuestionario:La estructura es estable ante cargas laterales?La estructura es liviana?La estructura es regular en planta y en altura?La estructura es rgida?La cimentacin es compatible con el suelo?La edificacin tiene un sistema estructural apropiado?La edificacin est construida con materiales competentes?La edificacin presenta buena calidad de construccin?La estructura tiene capacidad de absorber y disipar energa?Si se contestan afirmativamente estas preguntas, es probable que la estructura tenga un grado de sismo-resistencia adecuado. De lo contrario, es probable que sea vulnerable ante eventos ssmicos.

I. La estructura es estable ante cargas laterales?

Aunque a simple vista una edificacin parezca slida, o el simple hecho de haber sobrevivido muchos aos, no implica que la estructura sea verdaderamente estable ante cargas laterales significativas. La estabilidad de la estructura est relacionada con aspectos que incluyen la capacidad de la cimentacin para resistir empujes horizontales bajo cargas dinmicas.

Edificio de 13 pisos en Shangai, con cimentacin sobre pilotes

Secuencia del colapso del edificio

II. La estructura es liviana?

Las cargas ssmicas son fuerzas inerciales, es decir, dependen de la masa de la edificacin, puesto que son precisamente la combinacin entre la masa de cada nivel y su respuesta diferencial ante la aceleracin del suelo impartida por el sismo, lo que resulta en fuerzas relativas que pueden causar dao, colapso parcial o total. As, a menor masa, menor solicitacin inercial.Estructura con masa concentrada en nivel superior: comportamiento de pndulo invertido (Le Corbusier)

Colapso de autopista elevada de Kobe, sismo 1995

Restaurant La Rserve, antes y despus del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960

III. La estructura es regular en planta y en altura?

Las irregularidades en planta o en altura, en trminos de masa, resistencia o rigidez, pueden ocasionar concentraciones de esfuerzos, o desviaciones entre los centros de masa y rigidez, que ponen en peligro la integridad de la estructura.

Torsin en planta en edificio de esquina

Irregularidad en planta: Mal comportamiento ssmico de planta en L

Edificio con escalonamientos: Cambio abrupto de la resistencia y rigidez con la alturaAmpliacin sin continuidad vertical

Proporcionalidad: Edificio de albailera demasiado esbelto (H/B > 4) Efecto de compresin en talones de muro

IV. La estructura es rgida?

Aunque la estructura sea estable y de forma regular, la deformacin total ante cargas laterales depende en gran medida de su rigidez. A menor rigidez, mayor deformacin; y a mayor deformacin, mayor probabilidad de daos.

Edificacin con prticos en una sola direccin

V. La cimentacin es compatible con el suelo?

El suelo debe ser compatible con el tipo de cimentacin empleado. As por ejemplo, un suelo blando puede no ser compatible con cimentaciones superficiales aisladas convencionales y un suelo rgido no requiere de cimentaciones profundas. As mismo, existen taludes que pueden fallar como un conjunto, por lo que es necesario determinar la superficie de falla para garantizar que la cimentacin se realice con la profundidad adecuada.

VI. La edificacin tiene un sistema estructural apropiado?

No todo sistema estructural es apropiado para todo tipo de cargas. Las Normas vigentes reflejan estas experiencias. Sea cual fuere el sistema estructural utilizado, debe cumplir con ciertos requisitos mnimos de configuracin y continuidad para garantizar su respuesta a las solicitaciones impuestas. Por ejemplo, los elementos verticales deben ser continuos desde la cimentacin.

Edificios de albailera confinada de 07 pisos(El lmite permitido por la Norma es 15 m. 05 pisos)

Sismo Pisco 15/08/2007

VII. La edificacin est construida con materiales competentes?

Existen materiales que, debido a su propia naturaleza, tienen una pobre competencia ante cargas dinmicas. En cambio otros, pueden considerarse competentes para la fabricacin de estructuras sismo resistentes. Adems, el nivel de la resistencia y la calidad de los materiales determinan en buena parte el desempeo de la edificacin durante su vida til.Esta lista incluye:Concreto armadoAlbailera reforzada (confinada o armada)AceroMadera

Albailera de tierra cruda: Adobe (izquierda) y Tapial (abajo)

Estructuras con elementos sismo-resistentes de maderaEdificaciones de prticos flexibles y muros de ladrillo pandereta

54VIII. La edificacin presenta buena calidad de construccin?Es posible determinar la calidad de la construccin mediante evidencias fsicas de la propia edificacin, tales como la textura superficial de los elementos y la precisin de la construccin, entre muchas otras.Vivienda de autoconstruccin, con parapetos y tabiquera de fachada sin reforzar

Consecuencias de secuencia constructiva incorrecta(Sismo Pisco 15/08/2007)

Procedimiento incorrecto: solera vaciada en dos etapasPandeo de muro de albailera, por incorrecto encuentro con las losas de piso y ausencia de soleras.

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Sin comentarios

Sin comentarios

61Sin comentarios

62Platea de cimentacin con zonas sin terreno de apoyo debajo (?)

Columna con elementos de albailera y sin zapata de apoyo (!)

Apuntalamiento o amortiguamiento?

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IX. La estructura tiene capacidad de absorber y disipar energa?

Este aspecto es el ms difcil de determinar sin un estudio exhaustivo y minucioso de la estructura. Depende de su diseo y su detallado. Por ejemplo, para que un prtico tenga capacidad de disipar energa, debe detallarse con refuerzo adecuado, no slo en cantidad sino en configuracin. As, los estribos deben cerrarse con ganchos de 135 y deben colocarse con un espaciamiento pequeo en las vecindades de las conexiones entre vigas y columnas y se debe proporcionar adecuadas longitudes de anclaje.

Antiejemplo N 01 :Hotel Ambassador, Pisco. Sismo 15/08/2007

Caso de Hotel Ambassador(Sismo Pisco 15/08/07)1) Baja calidad de los ladrillos, que dio lugar a una baja resistencia al corte de los muros.2) Baja densidad de muros en la direccin corta, donde slo haban dos muros perimetrales.3) Mala distribucin en planta de los muros, donde el muro longitudinal no aporta resistencia a fuerza cortante en la direccin corta, sino ms bien genera torsin.4) Piso blando, por existencia de cocheras.Este tipo de estructura debe evitarse.

Antiejemplo N 02:Hotel Embassy. Sismo Pisco 15/08/2007 (M = 7.9)

Detallado NO dctil de estructuras de Concreto Armado

- Refuerzo insuficienteFalta de continuidad en el refuerzoConfinamiento insuficiente

Revisin de aspectos y conceptos de la Norma E-030Antecedentes de la Ingeniera Sismorresistente1963: ACI introduce el Diseo a la Rotura.1964: Primer proyecto de Norma Peruana, basada en la de SEAOC (Structural Engineers Association of California).1970: Primera Norma Peruana de nivel nacional.1977: Segunda Norma Peruana.1997: Tercera Norma Peruana.2003: Actualizacin de la Tercera Norma Peruana.2014: Cuarta Norma Peruana.Los cdigos actualmente introducen la ductilidad (con otros factores) en la estimacin de las fuerzas ssmicasDiseo lmite usado en Nueva Zelanda y Japn.77

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81Requisitos de la Norma E-030 para la concepcin sismo-resistente

El comportamiento ssmico de las edificaciones mejora cuando se observan las siguientes condiciones:1.Simetra, tanto en la distribucin de masas como en las rigideces.2.Peso mnimo, especialmente en los pisos altos.3.Seleccin y uso adecuado de los materiales de construccin.4.Resistencia adecuada.

5.Continuidad en la estructura, tanto en planta como en elevacin6.Ductilidad.7.Deformacin limitada.8.Inclusin de lneas sucesivas de resistencia.9.Consideracin de las condiciones locales.10. Buena prctica constructiva e inspeccin estructural rigurosa.

Anlisis esttico equivalenteCortante basal debido a sismo:

Z: Factor de zonaU: Factor de usoC: Factor de amplificacin ssmicaS: Factor de sueloR: Factor de reduccin por ductilidad P: Peso de la edificacin (para estimaciones, usar 1 tn/m2 por piso)

84ZonaZ30.420.310.15Factor de zona (Z)A cada zona se le asigna un factor Z que representa la aceleracin mxima del terreno, con una probabilidad de 10% de ser excedida en 50 aos (equivale a un perodo de retorno de 500 aos)

85Factor de uso o importancia (U)

Se consideran edificaciones esenciales hospitales, centros educativos, cuarteles de bomberos y polica, entre otros.Se consideran edificaciones importantes teatros, estadios, centros comerciales, entre otros.CategoraDescripcinUAEsenciales1.5BImportantes1.3CComunes1.0DMenores-----Factor de suelo (S) (considera las propiedades mecnicas del suelo, el espesor del estrato, el perodo de vibracin y la velocidad de propagacin de las ondas de corte)

TipoDescripcinTp (s.)SS1Suelos rgidos0.41.0S2Suelos intermedios0.61.2S3Suelos flexibles0.91.4S4Casos excepcionales**Factor de amplificacin dinmica (C) (factor de amplificacin de la respuesta estructural respecto a la aceleracin del suelo)C = 2.5 x (TP/T) ;C 2.5

Perodo de la estructura (T)Para anlisis esttico: T = hn / CT

Para anlisis dinmico:Sistema EstructuralCTPrticos35Sistema dual (Prticos + Placas)45Placas de CA y Albailera60

Coeficiente de reduccin por ductilidad (R) (considera la configuracin estructural y el material)

Aspectos generalesPara estructuras regulares, el anlisis podr hacerse considerando que el total de la fuerza ssmica acta independientemente en dos direcciones ortogonales. Para estructuras irregulares deber suponerse que la accin ssmica ocurre en la direccin que resulte ms desfavorable para el diseo de cada elemento o componente en estudio. Se considera que la fuerza ssmica vertical acta en los elementos simultneamente con la fuerza ssmica horizontal y en el sentido ms desfavorable para el anlisis. No es necesario considerar simultneamente los efectos de sismo y viento.Cuando sobre un slo elemento de la estructura, muro o prtico, acta una fuerza de 30 % o ms del total de la fuerza cortante horizontal en cualquier entrepiso, dicho elemento deber disearse para el 125 % de dicha fuerza.

PROPUESTA Para la elaboracin de modelos de anlisis de estructuras nuevas, se deber considerar secciones brutas sin incluir reducciones por agrietamiento. Configuracin estructuralEstructuras Regulares. Son las que no tienen discontinuidades significativas horizontales o verticales en su configuracin resistente a cargas laterales.Estructuras Irregulares. Se definen como estructuras irregulares aquellas que presentan una o ms de las caractersticas indicadas en la Tabla N4 o Tabla N 5.

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94Procedimientos de anlisisCualquier estructura puede ser diseada usando los resultados de los anlisis dinmicos referidos en el Artculo 18. Las estructuras clasificadas como regulares segn el artculo 10 de no ms de 45 m de altura y las estructuras de muros portantes albailera armada o confinada de no ms de 15 m de altura, an cuando sean irregulares, podrn analizarse mediante el procedimiento de fuerzas estticas equivalentes del Artculo 17.

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97Peso de la edificacinEl peso (P), se calcular adicionando a la carga permanente total de la Edificacin un porcentaje de la carga viva o sobrecarga que se determinar de la siguiente manera:

En edificaciones de las categoras A y B, se tomar el 50% de la carga viva.En edificaciones de la categora C, se tomar el 25% de la carga viva.En depsitos, el 80% del peso total que es posible almacenar.En azoteas y techos en general se tomar el 25% de la carga viva. En estructuras de tanques, silos y estructuras similares se considerar el 100% de la carga que puede contener.

Desplazamientos laterales mximos

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100Junta de separacin ssmica

Valor reglamentario para la junta de separacin ssmicaEst dado en la Norma E-030 y depende de la altura de la edificacin y su desplazamiento mximo lateral por sismo:Toda estructura debe estar separada de las estructuras vecinas una distancia mnima S para evitar el contacto durante un movimiento ssmico. S1 > 3 + 0.004 (h 500)S1 > 3 cm S2 > 2 (1 + 2) / 3El Edificio se retirar de los lmites de propiedad adyacentes a otros lotes edificables, o con edificaciones, distancias no menores que 2 1/3 ni menores que S1 /2Los valores de los se determinan multiplicando los desplazamientos elsticos por (0.75 R)Casos de presencia y ausencia de junta

Choque de edificios, Sismo Mxico 1985

Sismo Tokachi-Oki, Japn, 1968

Sismo Pisco15/08/2007

Daos en edificio y muro de cerco, sin debida junta de separacin entre ellosEstabilidad del edificioLos efectos de segundo orden (P-Delta) debern ser considerados cuando produzcan un incremento de ms del 10 % en las fuerzas internas. Para estimar la importancia de los efectos de segundo orden, podr usarse para cada nivel el siguiente cociente como ndice de estabilidad:

Los efectos de segundo orden debern ser tomados en cuenta cuando Q > 0.1

Efecto P- en el sismo de MxicoFuerza cortante mnima en la basePara cada una de las direcciones consideradas en el anlisis, la fuerza cortante en la base del edificio no podr ser menor que el 80 % del valor calculado segn el Artculo 17 para estructuras regulares, ni menor que el 90 % para estructuras irregulares.Si fuera necesario incrementar el cortante para cumplir los mnimos sealados, se debern escalar proporcionalmente todos los otros resultados obtenidos, excepto los desplazamientos. Anlisis Tiempo-HistoriaEl anlisis tiempo-historia se podr realizar suponiendo comportamiento lineal y elstico y debern utilizarse no menos de cinco registros de aceleraciones horizontales, correspondientes a sismos reales o artificiales. Estos registros debern normalizarse de manera que la aceleracin mxima corresponda al valor mximo esperado en el sitio.Para edificaciones especialmente importantes el anlisis dinmico tiempo-historia se efectuar considerando el comportamiento inelstico de los elementos de la estructura. CimentacionesCompatibilidad de hiptesis de diseo con capacidad del suelo. Exigencia de conexin de zapatas en suelos S3 y S4Para el clculo de las presiones admisibles sobre el suelo de cimentacin bajo acciones ssmicas, se emplearn los factores de seguridad mnimos indicados en la NTE E-050 Suelos y Cimentaciones. Factor de seguridad volteo FS = 1.5

Asentamiento diferencial:Mxima diferencia de nivel entre dos cimentaciones adyacentes de una misma estructuraAsentamiento uniforme

Asentamientos diferenciales

En estructuras rgidas, el asentamiento no uniforme, puede producir volcaduraViga de conexin entre zapatas,en suelos S3 y S4

Alternativas diversas deplateas de cimentacinElementos no estructuralesSe consideran como elementos no-estructurales, aquellos que estando o no conectados al sistema resistente a fuerzas horizontales, su aporte a la rigidez del sistema es despreciable.

Ejemplos de elementos no estructurales

Reparacin de estructurasDefectos estructurales que provocaron la falla deben ser corregidos para recuperar la capacidad de resistir un nuevo evento ssmico. Se podr emplear otros criterios y procedimientos diferentes a los indicados en esta Norma, con la debida justificacin y aprobacin de la autoridad competente. Instrumentacin ssmicaSe exige la instalacin de un registrador acelerogrfico triaxial para edificaciones con un rea igual o mayor de 10,000 m2.

Presentacin del Proyecto de EstructurasLos planos del proyecto estructural debern contener como mnimo la siguiente informacin:Sistema estructural sismorresistente Parmetros para definir la fuerza ssmica o el espectro de diseo. Desplazamiento mximo del ltimo nivel y el mximo desplazamiento relativo de entrepiso.

Para la revisin y aprobacin por la autoridad competente, los proyectos de edificaciones con ms de 70 m de altura debern estar respaldados con una memoria de datos y clculos justificativos. Objetivos del Diseo SismorresistenteSolicitaciones ssmicas de diseo y respuesta estructuralSismo de servicio: (Sismos leves y moderados)Aquel que puede ocurrir muchas veces durante la vida til de la estructura. Se espera no experimentar dao estructural o que el nivel de dao sea pequeo, de manera que no se altere el normal funcionamiento.Sismo de diseo: (Sismo severo):Evento que ocurrir por lo menos una vez durante la vida til de la estructura. Se espera experimentar dao estructural moderado, sin llegar al colapso.

Filosofa del diseo estructuralsismorresistente(Norma E-030, 2003)1) Evitar prdidas de vidas2) Asegurar la continuidad de los servicios bsicos.3) Minimizar los daos a la propiedad.Los sismos NO matan a la gente. Los edificios pueden matar a la gente si no se disean para soportar sismos. (Dr. Javier Piqu)

Objetivos del diseo sismo-resistente(Norma E-030, 1997)1) Resistir sismos leves sin daos2) Resistir sismos moderados, considerando la posibilidad de daos estructurales leves.3) Resistir sismos severos con la posibilidad de daos estructurales importantes, con una posibilidad remota de ocurrencia del colapso de la edificacin.

Se reconoce que dar proteccin ssmica a todas las estructuras no es tcnica ni econmicamente factible. En concordancia:Principios para el Diseo:La estructura debe soportar sismos severos y NO colapsar ni causar graves daos a personas durante los sismos (estado ltimo)b) La estructura debe soportar sismos moderados, experimentando daos aceptables (estado de servicio)

129Antes y despus del sismo de Mxico 28/07/1957 (M =7.7)

130Hotel Saada, antes y despus del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960

131Palacio Nacional de Hait, antes y despus del sismo 12/01/2010 (M = 7.0)

132Edificio Alto Ro, antes del sismo

Av. Padre Hurtado 776, Concepcin, Chile. Sismo Chile, 27/02/2010(M = 8.8)133

Edificio Alto Ro, despus del sismo

134Resistencia, Rigidez y DuctilidadRequisitos fundamentales para un adecuado comportamiento estructural sismorresistenteResistenciaLa estructura debe ser capaz de soportar el sistema de cargas verticales y horizontales, estticas y dinmicas, que acten sobre ella.2. RigidezLos desplazamientos horizontales deben ser pequeos.3. DuctilidadPara que en determinadas zonas pueda tener un comportamiento inelstico, lo que significa fisuracin, sin perder su resistencia ni que se produzca una falla frgil.Se trata de buscar un comportamiento elstico durante sismos leves e inelstico durante sismos severos.

Para que la estructura sea rgida: El proyecto arquitectnico debe permitir ubicar muros de corte (de Concreto Armado o Albailera Confinada, que limiten los desplazamientos laterales)Para que la estructura sea dctil: Se deben cumplir las exigencias de la Norma de Concreto Armado, especialmente los artculos referidos al Diseo Sismo-resistente. Esto trata principalmente del tipo de estribos, su espaciamiento, longitudes de anclaje, longitudes de traslape y detalles sobre la colocacin de las armaduras dentro de las vigas.Acerca de la Resistencia:Debe existir resistencia ssmica por lo menos en dos direcciones perpendiculares.Deben existir lneas sucesivas de resistencia (Ventaja del sistema dual Prticos-Muros de Corte)Deben existir trayectorias continuas para las cargas, desde su punto de aplicacin hasta su punto final de resistencia.

Sistema estructural con dos direcciones perpendiculares de resistencia ssmica

Lneas sucesivas de resistencia

Necesidad de trayectorias continuas para las cargas

Edificio informal de siete pisos, que originalmente fuera de tres2.Acerca de la Rigidez:Es importante proporcionar elementos que resistan fuerzas horizontales sin deformaciones importantes (Placas!)Antiguamente se consideraba el criterio de disear estructuras flexibles sobre suelo rgido, y estructuras rgidas sobre suelo flexible (para alejar sus frecuencias de vibracin). Hoy esto se considera obsoleto y se exige siempre RIGIDEZ..

Debe controlarse la deriva en ambas direcciones perpendiculares principales

Colapso por ausencia de rigidez lateral

Tpica edificacin de la costa, con prticos flexibles de columnas .25x.25 m en la direccin principal y muros de ladrillo pandereta en la direccin secundaria

El concepto de resonancia mecnica llev a pensar en la conveniencia de distanciar los perodos del suelo y la estructura an a costa de flexibilizar las edificaciones. Actualmente, esto no se considera adecuado.

3. Acerca de la Ductilidad:Las estructuras deben ser capaces de ingresar a una etapa plstica, sin perder su resistencia y sin llegar a la falla.Se debe prevenir la formacin de rtulas plsticas en elementos que afecten menos la estabilidad de la estructura (antes en vigas que en columnas).Deben existir conexiones entre elementos, que permitan desarrollar la ductilidad.Deben existir adecuadas longitudes de anclajeConsiderar que la falla por corte es frgil y causa prdida repentina de resistencia sin suficiente disipacin de energa.

Concepto de Seguridad SsmicaAnte eventos ssmicos severos, se apela a la ductilidad de la estructura para reducir las fuerzas laterales elsticas y llevarlas a niveles de diseo compatibles con la economa y la factibilidad. Se trata de conseguir un modo de falla dctil, con capacidad de disipar energa.

El objetivo de esta filosofa es disear edificios razonablemente econmicos, pero seguros, an a costa de admitir que la accin de un sismo severo sea mayor a la accin de diseo.

Comportamiento sper dctil en columnas de edificio

Sismo NorthridgeLos Angeles, U.S.A.17/01/94 (M = 6.7)Edificio de estacionamientosCal State Campus03 pisos, PrefabricadoVariables para el control de la respuesta estructural1. Fuerza de inercia:La fuerza de inercia es la generada por el movimiento ssmico del suelo que se transmite a los edificios apoyados sobre el terreno debido a que la base del edificio tiende a seguir el movimiento del suelo y la masa del edificio por inercia se opone a ser desplazada dinmicamente y seguir el movimiento de su base.

Esquema del efecto ssmico sobre la estructuraEstas fuerzas de inercia son producto de lo que la segunda ley de Newton define como: F=ma, donde la masa (m) del edificio, se mueve debido a la aceleracin de las ondas ssmicas (a). En tal sentido, la masa (contenida en el edificio) va a generar la fuerza ssmica que es directamente proporcional a ella y a la aceleracin, por lo que determinar las masas del edificio es un proceso importante en el anlisis ssmico. La masa de la edificacin debe incluir todas las de carcter permanente o muertas en la estructura ms aquellos valores probables de las cargas variables, mviles o vivas. Por lo general se supone que la masa est concentrada a nivel de piso en cada uno de los entrepisos.2. Perodo y resonancia:El perodo es el tiempo en que tarda un objeto en cumplir un ciclo cuando vibra. Es una caracterstica nica del objeto y no se altera a menos que sea forzado a cambiarlo. En un edificio, el perodo (T) depende de la relacin entre la masa y la rigidez del sistema (K), como se observa en la frmula para calcular el periodo de un sistema de un grado de libertad:

Perodo de un elemento que oscila y perodos aproximados de edificios aporticadosLa respuesta ssmica de un sistema elstico de un grado de libertad depende de su periodo de vibracin, lo que indica que la respuesta mxima de una estructura ante un sismo vara principalmente por el perodo de vibracin. Para cambiar el perodo de vibracin se debe variar la masa o la rigidez del edificio. En general, un proyectista tiene poca libertad para modificar la masa del edificio. Mayor es la amplitud en que puede variar la rigidez lateral, principalmente dependiendo del sistema estructural que se elija, el cual puede ser relativamente flexible, cuando es a base de prticos o muy rgido cuando tiene muros estructurales.Por otra parte, los perodos de vibracin de un edificio aumentan con el nmero de pisos, por lo que se acostumbra a numerar a las T en orden decreciente; as el primer perodo T1 (llamado perodo fundamental) tiene el mayor valor y el ltimo, Tn , el menor. En cada perodo se obtiene una deformada llamada modo de vibracin.

Modos de vibracin de un sistema de 04 niveles 04 grados de libertadLa relacin entre el periodo fundamental del edificio (T) y el periodo dominante del suelo (Ts) influye en la respuesta de una estructura real. Si se someten varios sistemas de un grado de libertad con diferentes periodos a un movimiento del terreno, cada uno responde de manera diferente; la amplitud de su respuesta depende esencialmente de la relacin entre el periodo de la estructura y el periodo dominante del movimiento del suelo (T / Ts). La resonancia ocurre cuando esta relacin esta cerca de la unidad, ya que la amplitud de la respuesta es mayor. Por ello, es conveniente evitar esta situacin en los edificios, alejando el valor T de Ts , ya que de ser as, estaran sujetos en cada sismo fuerzas grandes. Es recomendable procurar que la relacin est fuera del rango 0.7 < T / Ts < 1.2Por lo general cuando el movimiento del terreno es lento, con periodos dominantes largos, son las estructuras altas y flexibles donde se amplifican las vibraciones y generan aceleraciones ms elevadas y por ende fuerzas ssmicas mayores. Por el contrario, un movimiento de periodo corto afectan ms a las estructuras bajas y rgidas.La Norma E-030 permite calcular aproximadamente el perodo de un edificio con la expresin T = hn / CTdonde hn es la altura del edificio y CT un coeficiente que depende de las caractersticas estructurales.3. AmortiguamientoEl amortiguamiento es una caracterstica estructural que influye en la respuesta ssmica porque decrece el movimiento oscilatorio. Se expresa normalmente como una fraccin del amortiguamiento crtico (), o amortiguamiento donde el movimiento resultante en vez de ser oscilatorio decrece exponencialmente con el tiempo hasta hacerse cero.En las estructuras, el amortiguamiento es generado por las fricciones internas de los elementos, apoyos, elementos no estructurales, etc. Todos estos disipan la energa ssmica. La magnitud de la disminucin de estos efectos es difcil de cuantificar con precisin, por ello los reglamentos indican aproximadamente un amortiguamiento igual al 5% del crtico.4. Resistencia y RigidezLa resistencia y la rigidez son los dos aspectos ms importantes del diseo ssmico.La resistencia es el parmetro de diseo donde se busca que las dimensiones de los elementos garanticen la integridad de la estructura sometida a todas las combinaciones de carga posibles y la rigidez relaciona la deformacin de la estructura con las cargas aplicadas. Este parmetro asegura que la estructura cumpla con las funciones impuestas.La rigidez lateral se refiere a la deflexin horizontal de piso a piso y previene as que la estructura se salga del alineamiento vertical ms all de una cantidad dada. El desplazamiento se debe limitar a causa de su efecto sobre los tabiques, fachadas, cielo rasos y en la comodidad de los ocupantes. Tambin, la deflexin horizontal excesiva puede hacer que las cargas se apliquen excntricamente sobre las columnas lo que genera un momento flector, el cual aumenta el desplazamiento lateral que a su vez incrementa el momento flector, continuando hasta llegar al colapso. Este efecto se denomina P-.

Como medida de control para la rigidez necesaria de una estructura se utiliza el desplazamiento relativo de entrepiso, que representa una medida de la respuesta de un sistema estructural sujeto a cargas laterales.Resulta conveniente el uso de un ndice adimensional de este desplazamiento. Al dividir el desplazamiento relativo del entrepiso entre la altura del mismo se obtiene en el ndice . Este ndice se denomina drift, distorsin de entrepiso o deriva y es el ms empleado para cuantificar la respuesta de edificios, a fines de comparar el comportamiento de diferentes sistemas y para estimar el grado de dao que puede presentarse, tanto en la estructura misma como en los elementos no estructurales.Deriva o Drift

5. DuctilidadEs la capacidad de un sistema estructural de sufrir deformaciones considerables (por encima del lmite elstico) bajo una carga aproximadamente constante, sin padecer daos excesivos. Esta es una propiedad muy importante en una estructura que debe resistir efectos ssmicos, ya que elimina la posibilidad de una falla frgil y adems suministra una fuente adicional de amortiguamiento. Es por ello que una parte importante del diseo ssmico consiste en proporcionar a la estructura (adems de la resistencia necesaria), la capacidad de deformacin que permita la mayor ductilidad posible para salvar as un edificio del colapso. La ductilidad (), se define como el cociente entre el mximo desplazamiento (max ) y el desplazamiento de fluencia (y ) = max / y

Ductilidad adecuadaUn criterio aproximado para evaluar la ductilidad adecuada aplicable a prticos regulares, simtricos, sin cambios bruscos de rigidez se da cuando el edificio es capaz de deformarse lateralmente como un todo, por lo menos con ocho inversiones de carga, de manera que la deflexin horizontal total en la parte superior del edificio, calculada en la condicin de formacin de rtulas plsticas, sea por lo menos cuatro veces la deflexin horizontal del mismo punto en la primera fluencia, sin que la capacidad resistente a fuerzas horizontales se haya reducido en ms del 20%.Distribucin de las fuerzas de inerciaLas fuerzas de inercia que se generan sobre una estructura son funcin de la masa, rigidez y amortiguamiento; pero conocer el punto de aplicacin de la fuerza es primordial, ya que estas se pueden amplificar y en algunos casos puede ser muy grande esta amplificacin.Para cuantificar la amplificacin de la fuerza se hace una simplificacin de la distribucin de las fuerzas, determinando la ubicacin de las resultantes en cada piso a nivel de losa. Los puntos geomtricos que permiten ponderar la amplificacin de las fuerzas de inercia se indican a continuacin.

Esquema de la ubicacin de la fuerza ssmica y la fuerza cortanteCentro de masaLa resultante de la fuerza de inercia en cada entrepiso se ubica en el centro de masa (CM), que es el lugar geomtrico o punto en el entrepiso donde todo el movimiento puede representarse solamente por el movimiento del centro de masas.Centro de rigidezEl centro de rigidez (CR) representa el centro geomtrico de las rigideces de los elementos estructurales de un nivel y es el punto del entrepiso en que al aplicar una fuerza cortante, el nivel se traslada sin rotar respecto al nivel inferior. Esta situacin es hipottica, ya que la fuerza cortante se aplica en el centro de cortante.Un edificio sometido a una carga ssmica es similar a una viga en volado, por lo que la base del edificio es la que est sometida a la mayor fuerza por sostener la suma de todas las fuerzas de inercia o fuerzas ssmicas (Fi) que se generan en cada entrepiso. Esta suma de las fuerzas ssmicas por encima de cada nivel analizado se denomina fuerza cortante de entrepiso (Vi) y el lugar geomtrico donde acta esta fuerza en un nivel es el centro de cortante (CC).En la prctica, se asume que el centro de cortante coincide con el centro de masa.

Momento Torsor (Mt):Es originado por la situacin dada al aplicar la fuerza cortante en el centro de cortante y el edificio moverse alrededor del centro de rigidez, lo que hace que el edificio adems de trasladarse, gire alrededor del mencionado punto. La anterior condicin no es ideal para los elementos verticales (columnas y muros de corte), por ser los elementos que mantienen unidos los distintos entrepisos y deben soportar entonces unas fuerzas muy grandes. Asimismo este momento torsor se puede descomponer en pares de fuerzas que se suman a las fuerzas de inercia, incrementndolas de esta manera.El momento torsor se puede obtener de dos formas. La ms sencilla es el producto de la fuerza cortante del nivel, multiplicada por su distancia con respecto al centro de rigidez de ese nivel y la segunda es considerando el grado de libertad dinmico de rotacin por nivel en un anlisis de este tipo.La menor distancia entre la lnea de accin de la fuerza cortante y el centro de rigidez se denomina excentricidad esttica (e) y representa el brazo que origina el momento torsor. Por otra parte, el cociente entre el momento torsor proveniente de un anlisis dinmico con tres grados de libertad por nivel, calculado con respecto al centro de rigidez y la fuerza cortante de ese nivel se denomina excentricidad dinmica.

Efecto del Momento TorsorAl existir excentricidad, se van a originar fuerzas adicionales a las de inercia. Ella depende de la ubicacin en planta de las masas y los elementos resistentes (aspectos relativos a la configuracin arquitectnica principalmente), de ah la influencia de la configuracin en el anlisis sismo-resistente.Por otra parte, la verticalidad de la lnea que une los centros de masa, corte y rigidez de cada entrepiso es fundamental en la manera de responder del edificio ante una fuerza ssmica, a pesar de no influir en la dimensin de la excentricidad.Peligro, Vulnerabilidad y Riesgo SsmicoOrigen de los sismosLa actividad ssmica en el mbito mundial se encuentra estrictamente ligada con la teora de placas o deriva de los continentes, que establece que los continentes se desplazan como grandes bloques de corteza terrestre sobre un manto lquido. Al observar un mapa de sismicidad encontramos los puntos donde epicentros con magnitudes a 4.0 han ocurrido a lo largo de la historia; es evidente cmo la sismicidad mundial est concentrada en ciertas regiones.Actividad ssmica mundial

Capas de la Tierra agrupadas por el movimiento que se produce en la cortezaNomenclatura de las placas tectnicas

Teora de la tectnica de placas

Propagacin de las ondas ssmicasCuantificacin del sismoPara cuantificar el tamao (magnitud) y consecuencias (intensidad) de un sismo, existen varias formas de hacerlo, pero las ms utilizadas son la escala de Magnitud Richter que proporciona medidas cuantitativas del tamao del sismoy la Escala de Intensidades de Mercalli Modificada, que da medidas cualitativas del movimiento ssmico en un sitio.

Mtodos para la medicin de sismosEscala de Richter:La magnitud de un sismo se determina en base a la energa liberada por el mismoEscala de Mercalli:La intensidad de un sismo se estima en base a los daos a las obras realizadas por el hombre y a su reaccin al movimiento del terrenoEl tamao de un sismo esta relacionado con la cantidad de energa liberada. La magnitud (M) definida por Richter en 1935 se utiliza para definir el tamao del sismo. Cada vez que la magnitud aumenta un valor (por ejemplo de 4.5 a 5.5), la cantidad de energa liberada aumenta 32 veces.Por otro lado la intensidad es una escala que cuantifica el movimiento con base en la valoracin del dao en las obras realizadas por el hombre y la reaccin humana generada por el movimiento del terreno. La escala de Mercalli Modificada (MM) de 12 grados se ha adoptado en muchas partes del mundo para estimar la intensidad del movimiento.

Paralelo entre las escalas de Mercalli y Richter

Relacin de los sismos ms importantes en el Per en los ltimos 50 aos

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208Muchas gracias por su atencin

Ing. Oscar Fernndez Cruzwww.ciepsat.com