VULNERABILIDAD SÍSMICA EN ESTRUCTURAS DE ACERO

Prof. Dr. Juan Carlos Vielma PérezBecario Prometeo

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Resumen

En esta conferencia se presenta a los estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas (ESPE) algunos aspectos relevantes sobre la vulnerabilidad sísmica de las estructuras metálicas.

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Resumen

Algunos de los conceptos que se presentan son de tipo general, pero se procura mostrar algunos avances de la investigación como becario Prometeo que pueden ilustrar cómo algunas decisiones de tipo ingenieril pueden incidir desfavorablemente sobre las construcciones, convirtiéndolas en vulnerables.

La ocurrencia de los fenómenos sísmicos es inevitable debido a su naturaleza física. Daniell (2011) reseña que los terremotos de los siglos XX y XXI han causado aproximadamente 1,8 trillones de dólares en daños globales, y que los daños en edificios ocasionados por terremotos históricos evidencian la vulnerabilidad en las construcciones tradicionales de las poblaciones, tales como la construcción con mampostería, adobe y concreto armado de mala calidad.

1. Introducción

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También es notable que un número considerable de estas edificaciones dañadas por terremotos fueron proyectadas con normativas de diseño y construcción vigentes. Este comportamiento deficiente en viviendas y edificios es lo que ocasiona las perdidas de vidas humanas, materiales y los daños económicos que en el primer caso es irreparable.

1. Introducción

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Nuestro continente no ha escapado de esta terrible realidad. En la Tabla siguiente se puede observar un conjunto de eventos sísmicos que han causado daños a la infraestructura y un número considerable de pérdidas humanas.

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Efecto de los terremotos sobre las estructuras

De forma general, cuando un terremoto sacude un determinado lugar, las estructuras sufren consecuencias derivadas de la aceleración del terreno. De esta forma las aceleraciones tienen un efecto que se asimila al de fuerzas de piso que actúan sobre las estructuras.

Investigaciones realizadas luego de la ocurrencia de terremotos catastróficos señalan que el fallo de los edificios ocurre esencialmente por el fallo de los nodos. En el caso particular de las estructuras metálicas este es un tema que deber tratarse con especial cuidado, a fin de evitar el incremento de la vulnerabilidad.

Otro de los desafíos importantes que afrontan los proyectistas de estructuras tiene que ver con la estabilidad de los elementos que conforman la estructura de acero y que van a estar sometidos a la compresión.

Los fenómenos de inestabilidad pueden agruparse en dos tipos principales. El primero comprende aquellos fenómenos de inestabilidad que abarcan todo o gran parte de un miembro de acero, por lo que se de- nomina pandeo global. En este grupo se incluyen varios estados límites, como el pandeo flexional, torsional y flexo-torsional en miembros comprimidos y el pandeo lateral-torsional en miembros flexionados.

El segundo grupo de problemas de inestabilidad se relaciona con el pandeo localizado de las placas o componentes de las secciones metálicas, y se denomina pandeo local o abollamiento. El abollamiento puede suceder en las alas o en el alma de los perfiles que no son compactos.

En la siguiente figura se puede apreciar ejemplos de pandeo flexional, pandeo torsional, pandeo flexo-torsional y el pandeo local.

Para el diseño de miembros flexionados las especificaciones ANSI/AISC 360-10 consideran que la plastificación de la sección se logra sólo en el caso de secciones compactas.

Los efectos de segundo orden son aquellos inducidos por las cargas de gravedad actuando en la configuración deformada de la estructura, es decir que se trata de un problema de no linealidad geométrica. En el caso particular de cargas de gravedad a medida que la estructura se deforma por la acción del sismo, estas inducen un momento adicional que es proporcional al desplazamiento lateral δ. A este caso particular de efecto de segundo orden se lo denomina efecto P-Delta

El acero es el material más dúctil entre aquellos de uso estructural. Sin embargo, es un error grave considerar que esta propiedad inherente al material se puede asumir directamenteal sistema estructural. Recientes investigaciones han señalado que para asegurar el comportamiento dúctil de las estructuras es necesario suministrar adecuada ductilidad no sólo a nivel del material, sino también a nivel seccional y de los miembros que componen el sistema (columnas, vigas, riostras, conexiones).

Los terremotos de Northridge (1994) y Kobe (1995) pusieron en evidencia fallos relativos a unos componentes esenciales del sistema estructural: las conexiones.El diseño y detalle de las conexiones entre los distintos componentes estructurales es un aspecto de fundamental importancia para alcanzar una estructura con una ductilidad adecuada para soportar las acciones sísmicas.

Los resultados obtenidos del programa SAC indican que las causas que llevaron a la ocurrencia de las fallas observadas son múltiples. Entre las más importantes, puede mencionarse:• El uso de electrodos inadecuados• La práctica constructiva de dejar elementos de

respaldo (steel backing)• La presencia de defectos en la raíz de la soldadura,• El uso de prácticas constructivas no recomendadas,• Otros efectos adversos

El diseño sismo resistente procura en todo momento reducir la vulnerabilidad de las estructuras frente a la acción de los terremotos. Para ello se adoptan una serie de recomendaciones que van desde un nivel global (recomendaciones de diseño conceptual) pasando por un nivel de elementos, hasta llegar a un nivel de detallado (conexiones).

Uno de los principales preceptos del diseño conceptual lo constituye el criterio de columna fuerte viga débil, que prescribe que la plastificación deberá ocurrir siempre antes en estas últimas.

A nivel normativo esto se controla mediante la aplicación de la siguiente expresión:

Para el caso de los pórticos especiales resistentes a momentos, es necesario garantizar una protección adecuada de la zona de panel y producir una conexión que sea capaz de disipar energía de forma estable. En la Figura siguiente se puede apreciar una conexión típica de pórtico resistente a momentos.

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Conclusiones:

La vulnerabilidad sísmica de las estructuras sólo puede ser controlada por los ingenieros que las proyectan, construyen y mantienen. Es por tanto perentorio mantenerse actualizados en los avances técnicos que van ocurriendo, para incorporarlos a las nuevas construcciones y usarlos para la actualización y reforzamiento de las existentes.

Conclusiones:

Debemos ser capaces de traducir los avances técnicos a las condiciones constructivas propias del medio en el que nos desempeñamos, ya que:“Las estructuras se comportan tan bien como son diseñadas, pero no mejor de como son construidas”.

Gracias!