¡Descarga Análisis de la Respuesta Sísmica de Edificios: Características y Efecto en Estructuras y más Ejercicios en PDF de Estructuras y Materiales solo en Docsity!
E N S A y o
CARACTERISTICAS DE EOS SISMOS
Y SUS EFECTOS EN FAS
CONSTRUCCIONES
(Segunda de dos partes)
Jaime de la Colina Martínez y Horacio Ramírez de Alba*
Vs^tesprión: 03 /It fiidewhre tie 1998 Acepfaeión: 17 de dkimbre de 1998
Seismtc Characteristics and their
Effectí on Bnildings
Abstract. This mrk intends lo divulge general concepls of
earlhquake engineering among no
speáalists itarttng from the hasic
concepls on seismology. ll includes ihe origin and ihe characterisiics of seismtc movsments and presentí, in a basic kvel, ¡he acihily field of earlhquake engineering. The ivay earthqnakes affect structures, ibe seismic design process and the observed behaiior of buildings during earthquakes are also presenleá. Technical lerms tvhich are nol commmon lo people are avoided.
V. Instrumentos para medir los movimientos del terreno durante sismos fuertes
Los sismómeiros son instrumentos pata registrar los movimientos leja nos al epicentro, ya que cuando el temblor se presenta muy próximo, estos instrumentos pueden salir de su intervalo de medición. Para me dir vibraciones fuertes se usan los acekrómelros, que pueden ser calibra
VOL, 6 NUBCRQ Oos, J u LtO'O CT u an e 19S
dos para que iiucien su funcionamien to a un nivel dado de aceleración, lo cual impide que registren oscilacio nes diferentes, como aquellas provo cadas por el tráfico de vehículos o el paso de personas. Los avances de la electrónica han permitido el desarrollo de instrumen tos de amplio espectro que permiten registrar desde sacudidas muy leves, imperceptibles paca las personas, has ta movimientos muy fuerces. Ade más, se cuenta coa la posibilidad de intercomunicación entre vanos apa ratos en red, así como el control y la obtención de datos a distancia. Es tas tecnologías, sin embargo, repre sentan inversiones fuertes, por lo que
suelen adquinrse por instituciones o
grupos de instituciones como el Cen tro Nacional de Prevención de De sastres, el Instituto de Ingeniería de la UNAM, la Fundación lavier Barros Sierra, que mantienen redes acelerográficas tanto en el estado de Guerrero como en la ciudad de Méxi co. El Grupo Interuniversitario de
Ingeniería Sísmica, que engloba ocho
instituciones de educación superior,
incluyendo la Facultad de Ingeniería
de la UAEM, opera una red (lUIS) que tiene aparatos en las ciudades de México, Puebla, Chilpancingo, Tuxtla Gutiérrez, Guadalajara,
Morelia y Toluca. Cuando se presen
ta un sismo importante, se publica un boletín por parte de esta Red Interuniversitaria, que contiene los registros de los movimientos detec tados en las diferentes estaciones que la componen, así como el procesa miento de la información.
VI. Respuesta de las estructuras en los sismos
Durante un terremoto, la base de las construcciones sigue casi fielmente el movimiento del terreno sobre el que se apoya. Sin embargo, debido a
la inercia (propiedad intrínseca de
todo cuerpo que trata de mantener su estado de reposo o movimiento) y
- Patullad de higemería, UAEM. Tel.: 14 OS 55. Correo ehcírdiñco: jtolinal^coale^et.iiaenietc-mx y ljra@íoalepeí.tiatmex.mx jAgradeeewos n/npliomente e! apoyo de PHinna Roa/ero parlittpaiilt de! programa "Asómale a la Ciencia 1998". quien llenó a ¡abo el dibujo en tompnlndora de varias de las figuras de este atlíeiilo.
CIENCIA ERCO SUM 169
t a c I t r i s t i
la aceleración a = Fjm de IP; donde
m —wlg (g = aceleración de la gra
vedad).
La masa « y la dgidez k definen el
periodo de vibración T de la cons
trucción, T = 2Kl(klm)^l-. Esta can
tidad intrínseca de cada estructura es
útil para descnbir su respuesta ante
sismos y se refiere al tiempo que ésta tarda en completar un ciclo durante su vibración (lateral). Un valor gran de del penodo (por ejemplo T = 3.0 s)
es típico de edificios altos, mientras
que un valor pequeño (por ejemplo r= 0.3s) es característico de cons- tnicciones de poca altura. La respuesta sísmica no sólo depen de de la edificación, sino también del tipo de movimiento en su base. Este último depende pnncipalmente del carácter del temblor, de la distancia epicentro-estructura y del suelo so bre el que se apoya la construcción.
.-.sí, seleccionado como parámetro
de respuesta estructura] al promedio de las máximas aceleraciones que experimenta un modelo con periodo T en vanos sismos, resultan curvas como las de la figura 11 (Clough y Penzien, 1993). Estas curvas se obtu vieron normalizando la máxima ace leración del sistema entre la máxima aceleración del terreno. Cada curva identifica la variación de para di
ferentes condiciones del suelo. Se pue
de notar que las curvas correspondien tes a estratos duros alcanzan valores mayores que las correspondientes a suelos blandos. Sm embargo, las de
sucios blandos son más amplias que
las correspondientes a suelos fiemes.
Si se toma en cuenta que la ordenada
de estas curvas representa el cociente
de la máxima aceleración del sistema entre la máxima aceleración del te rreno, se puede determinar el efecto de los sismos en inmuebles caracteo- zados por su periodo de vibración. Por ejemplo, si una estructura con T =
sismes e f e t t B s^ CBHStrUCíi
Número lolal (le registros analizados = 104 Espectros para un amoitiguamiento de S%
Arcilla í arena (suave a media) 15 registros Suelo noctrfiesivo profundo (> 250 pies). 30 registros _^CondÍcÍones de lerreno firme (< 150 pies) /.3l regiitros Roca • 28 registros
1.0 1.5 2. Periodo T, segundos
l.Os (como un edificio de diez pisos)
se desplanta en terreno blando, expe
rimentará fuerzas laterales del orden de 2m veces la máxima aceleración del terreno, donde m es la masa de la edificación. Por el contrario, si se
desplanta en superficie firme, las fuer
zas que experimentará sólo serán del
orden de 0.6//? veces la máxima ace
leración del terreno. Como se dijo an
tes, estas aceleraciones (o fuerzas) re
sultan del movimiento que impone
el sismo a la base de la estructura.
VI. Espectro de respuesta
De este breve análisis se deduce que la manera como responde una estruc tura a un sismo depende tanto de las características de masa y rigidez de
la edificación como del cipo de mo
vimiento en su base. Gráficas como la mostrada en la figura 11, o con
ordenadas que representen los despla
zamientos o las velocidades máximas
de w, se conocen como tspeclros de
respuesta. Éstos también se emplean
para proponer espectros de diseño que
usa el ingeniero para estimar las fuer
zas laterales durante el diseño de la construcción.
Vil. Respuesta no lineal de las estructuras
El análisis previo de sistemas sim ples como el ilustrado en la figura 10 para mostrar la respuesta de los
inmuebles ante los sismos, ha supues
to que el valor de la rigidez del resor te k es constante. Aun cuando esto
es cierto para pequeñas magnitudes
de deformación, en realidad la rela ción entre el desplazamiento .v y la fuerza F no es tan simple como se
indicó antes y depende de: 1) el tipo
de material de la estructura, 2) la magnitud de las deformaciones cau sadas por el temblor al edificio y 3) el desarrollo cíclico de la deforma ción. Tanto para construcciones de acero, como de concreto reforzado o de madera, la relación fuerza-despla zamiento no es única cuando las de formaciones que impone el movi miento son grandes y/o cíclicas. Por
CIEMOA ERCO SUM
ENSAYO
Lineales
Fuerza
Desplazamiento
Periodo natural de vibración, T [seg.]
CIENCIA caso suw
ejemplo, si el resorte idealizado en
la figura 10 fuera de concreto refor zado y se aplicaran deformaciones cíclicas de gran amplitud, como ge neralmente ocurre durante los terre motos, se obtendrían curvas F-x (fuer
za-desplazamiento) como las mostra
das de manera simplificada en la fi
gura 12. En ellas se puede identificar
una primera parte que es práctica mente lineal (despreciando el agrie tamiento en el concreto reforzado)
hasta llegar a un punto donde la in
clinación o pendiente de la curva dis
minuye considerablemente. La fuer
za correspondiente a este punto es la de Jbienría ^ y es un valor im portante en la etapa del diseño
sísmico. El desplazamiento corres
pondiente a es el desplazamiento de fluencia dy Otra cantidad impor
tante dentro de la ingeniería estruc
tural es la ductilidad de desplaza
miento fX, la cual se puede defimt
como el cociente del desplazamiento
máximo desarrollado por la estructu-
ra d^g^ entre el desplazamiento de
fluencia d^ Le., fX = d,„,Jdy De acuerdo con estas curvas, el in cremento de fuerza de reacción de la estructura pata movimientos mayo res que dy es mucho menor que el
incremento de fuerza que se tiene
antes de llegar a fluencia para un mismo incremento de desplazamien to. Este comportamiento, conocido como comportamiento no lineal o
inelástico, tiene algunas implicaciones
en la respuesta sísmica y en el diseño de las construcciones: 1) la relación básica vista anteriormente entre F y X se pierde; 2) la magnitud de los des
plazamientos (y las deformaciones) de
sistemas inelásticos es aproximada mente igual a la de estructuras elásti cas ^ara los que tienen periodos cor tos, entre 0.125s y 0.5s, la estima ción del desplazamiento no lineal se
puede mejorar multiplicando el des-
V»b, 6 NuBEAo OftE. J uti« •Ocru»«E 1999
racteristicas d t los sismos (^) ^fictos
plazamiento elástico por
(Qougíi 7 Penzien, 1993)); 3) la mag
nitud de la fuerza máxima sísmica
desarrollada por la estructura en el
caso inelástico es aproximadamente
Igual a la fuerza de una estructura li
neal dividida entre H para sistemas
con periodos largos o entre (2/t
para penodos cortos; 4) a diferencia de! caso lineal, en el no lineal gene
ralmente quedan desplazamientos (y
deformaciones) permanentes después de un sismo y; 5) el periodo de vibra ción de sistemas no lineales crece respecto al de los lineales con la mis ma rigidez inicial. Es importante destacar que aun cuando los no li
neales muestran una degradación de
rigidt^ desde el punto de vista de di
seño sísmico es imperativo impedir una degradación significativa de re sistencia para los niveles de deforma ción esperados.
VIII. Espectro de diseño y proceso de diseño sísmico
El diseño sísmico toma en cuenta el comportamiento no lineal de las es tructuras. De acuerdo con el proce dimiento de diseño usual, basado en
la aplicación de fuerzas laterales a la
construcción, se emplea un espectro de diseño en términos de aceleracio nes. Este espectro generalmente se
especifica por los reglamentos de
construcción de acuerdo con las ca- racteristicas sismológicas del lugar y es similar a los espectros de respues ta considerados anteriormente para inmuebles elásticos (figura 11) con al gunas modificaciones: 1) se basa en espectros de respuestas de sistemas no lineales y; 2) trata de cubrir en lo
posible las cur'as correspondientes a
los de respuesta.característicos del lugar. Es importante mencionar que la definición de un espectro de dise ño también toma en cuenta, en cier
Vol. 6 Níiucro Dos. JuLio^OCTuene 1999
to modo, las incertidumbres relacio
nadas con las magnitudes de las ace
leraciones esperadas en terremotos
futuros. Un espectro de diseño típi
co (adaptado de Chop ra, 1995) se
muestra en la figura 13 y representa
gráficamente el nivel de aceleración
relativa que debe emplearse para
calcular una fuerza de diseño para
una estructura con periodo de vibra
ción r. El proceso de diseño sísmicose pue de resumir como sigue. Primeramen te se analiza el anteproyecto arqui tectónico con el fin de conciliar un
plan que sea arquitectónica y
estmcturalmente conveniente. Por lo
que se refiere a la parte de ingenie-
ria, se busca que la construcción cum pla. dentro de lo posible, con una planta regular de sistemas resisten tes bien definidos y con distribucio nes de masa y rigidez más o menos
uniformes en planta y en elevación.
Esto conduce a la definición del o de
los materiales por emplear y de las
dimensiones preliminares de colum nas, trabes, muros, entre otros. De acuerdo con el lugar donde se cons
truirá y de la importancia de la es
tructura, se define o se selecciona un espectro de diseño sísmico. El nivel
de deformación esperado del sistema
deberá ser congruente con el nivel de reducción de fuerzas sísmicas. Con base en este último, así como en las dimensiones preliminares de los ele mentos, se realiza un análisis estruc
tural, el cual proveerá las magnitu
des de los desplazamientos y de las
fuerzas en los componentes de la edi
ficación, con los cuales se dimensionan estos últimos. Si no hay diferencias
significativas en las dimensiones pro
puestas, se procede a detallar la es tructura. Este último paso es de suma importancia, ya que permitirá que ésta pueda absorber las deformacio nes impuestas por el temblor sin pér
l a construcci
dida significativa de su resistencia. El
proceso de diseño termina con la ela
boración de los planos y de las espe
cificaciones que reflejan los resulta
dos. La labor del ingeniero pudiera
terminar aquí, sin embargo se reco
mienda que también participe en la
supervisión de la obra, a fin de evi
tar o corregirdiferencias entre lo pro
yectado y lo construido.
IX. Comportamiento sísmico de
estructuras diseñadas contra terremotos
El comportamiento de sistemas pla
neados contra sismos es generalmen
te mejor que el comportamiento de
estmcturas sin este diseño. Sin em bargo, ello no implica que los siste mas proyectados contra temblores no exhiban síntomas al ocurrir és tos. Si las estructuras diseñadas con tra terremotos se identifican con la
letra S y las que no con la N, se pue
den esperar los comportamientos in
dicados en la tabla 3 para un sismo intenso esperado. Es importante aclarar que el diseño de las edifica ciones se lleva a cabo con la suposi ción de que en su vida útil serán sometidas a un tipo de temblor es perado {sismo de diseñd). Dada la in-
certidumbre asociada a esta suposi
ción, es claro que si la intensidad
resulta mayor que la del sismo de di
seño, la respuesta de las estructuras será más desfavorable de lo previs
to, como ocurrió en algunas zonas
de la ciudad de México en 1985.
Comentarios finales
Para finalizar, resulta importante ha cer algunas observaciones sobre la actividad sísmica y sus efectos en los centros de población:
- Puede haber terremotos de rela tivamente baja energía liberada pero
CIENCIA ENGO SUM 173
TAB:LA. 3
.e:P;MipOiBTAMtiE:NT;0 .OE ,ESTR',i:I.GTU:RAS. ( Dil SEflA.OAS SIS'M.IC AMENTE) Y N ( N'O OlíS.E.Kl.A'p A.S S'l SiMiie.AMiENTf'i) Comportamiento observado Movimiento lateral oscilatorio mlfv ARRECIABLE, PARTICULARMENTE EN PISOS. ••SUPERIORES DE EDIFICIOS Asentamientos y/c desplomes de la ESTRUOTURA
EsTRucnjHATiPo S Estructura TIPO N SÍr.PERP'eONTBOLAD.O ' 'Sí,-PERO PUEDE 'CRÉCERSIN.ÜMITE- MASTA'ELCOLAPSO
Comentarios El MOVIMIENTO OSCILATORIO CONTROLADOINDICA QUE LA ESTRUCTURA AÚN RESPONDE ANTE LAS FUERZAS DE
SER-REPARADO ASRIETAMJENTD en trabes de concreto si, PERO no EXCESIVO I EXCESIVO
Asentamientos y/c desplomes de la No Posibles Una falla del terreno puede tener graves ESTRUCTURA _ CONSECUENCIAS Agrietamiento EN cclumnas.y/o muros de Sí, pero mínimo. Puede , Excesivo y difIciloe La integridad de estos elementos generalmente JCONORETO.REFORWC^ SER-REPARADO R_EPARAR. _ ES VITAL-PAPA.LA ESTAB1UQAD-DE LA-GDNSTRUCCION. Agrietamiento en trabes de concreto Sí, pero no excesivo Excesivo El nivel de agrietamiento deber ser menor en REFORZADO COLUMNAS OUE EN TRABES Pandeo local o-'global'-de -pa-tines "o Ñb.- .'Posible: Estos modos dé falla deben evitarsé ya que- ALMAS DE PERFILES EN COLUMNAS DE ACERO. í USUALMENTÉ CONDUCEN AMODOS DE FALLA SÚSjJOS" ' Pandeo local de patines o almas de Es posible, pero Excesivo En general un diseño sísmico trata de perfilesentrabesdeacerd deberá ser mínimo concentrar el posible comportamiento INELÁSTICO EN LAS VIGAS Y NO EN LAS COLUMNAS •Rotura pÉ'-'cq)iExipNES -atornilládas b, 'No Posible' -Uña falla de -este tipO' puede conducir Au SOLDADAS colapso DE UNA ESTRUCTURA -YA QUE IMPIDE LA, TRANSMISIÓN DE FUÉFIZAS ENTRE VIGAS YCOLUMNAS Agrietamiento de muros divisorios. Es posible, pero Excesivo Generalmente este comportamiento no refleja ROTURA DE VIDRIOS, CAÍDA DE PLAFONES Y/O DEBERÁ SER MÍNIMO ELCOMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA
Pandeo local o-'global'-dé -pa-tines "o Ñí.b- ALMAS DE PERFILES EN COLUMNAS DE ACERO. Pandeo local de patines o almas de Es posible, pero perfiles en trabes de acero (^) I DEBERÁ SERmínimo
•R'OTURA pÉ'-'CpÑEXIONES -ATORNILLÁDAS 'O, l'NO
Agrietamiento de muros divisorios. Es posible, pero ROTURA DE VIDRIOS, CAÍDA DE PLAFONES Y/O DEBERÁ SER MÍNIMO DESPRENDIMIENTO DE RECUBRIMIENTOS
I.R'qsible:
I Posible'
I Excesivo
que ocasionen daños importantes y pérdidas elevadas de vidas. Esto ocu rre cuando el epicentro queda muy próximo a un centro de población importante y además no se tiene la debida preparación en cuanto a dise ños estructurales especiales para la re
sistencia de fuerzas sísmicas, planes
de emergencia, entre otros. Este es el caso del temblor que ocurrió en Agadir, Marniecos, el 29 de febrero
de 1960- La magnitud se estimó en
5.7; la ciudad quedó prácticamente
destruida y murieron 12 mil perso
nas de una población de 33 mil habi tantes. También el de la ciudad de h-ía- nagua, ocurndo en 1972 se puede con
sidecar de este tipo. La ciudad sufrió
grandes daños y se estima que mu
rieron 10 mil personas, sin embar
go, la magnitud del movimiento fue de sólo 6.1.
- Un sismo que libere gran ener gía puede causar modificaciones im portantes en la superficie, como ele
CIENCÍ A £RGO SU U
vaciones o hundimientos del terre no, cambios en el cauce de ríos, o en la localización y profundidad de la
gos. No obstante, puede no provo
car daños a grupos humanos simple
mente por el hecho de ocurrir en zonas deshabitadas. Este es el caso
de un temblor de gran magnitud,
como el de Canadá (M = 8.9) que causó aceleraciones de dos veces la correspondiente a la gravedad y por lo tanto cambió la topografía del lu gar y lanzó rocas hacia arriba (Hodgson, 1964).
- Existen zonas en el planeta en que se pueden presentar terremotos
importantes y que la población no
está preparada; por consiguiente, los
daños y las pérdidas de vidas y eco
nómicas son de mayor consideración que SI se hubieran tomado las debi das precauciones a la luz de los cono cimientos actuales. El ejemplo más reciente es el de Armema, donde no se había presentado un temblor im
portante desde hace 300 años. Las construcciones no estaban cabalmen te diseñadas para resistir las tremen
das fuerzas que generó una magnitud
de 7.3 y que provocó grandes daños
en diferentes ciudades. Igualmente la
ciudad de México y otros sirios del país no estaban debidamente prepa
rados cuando ocurrió el sismo de sep
tiembre de 1985, aunque se tenían pre cedentes de temblores que provoca ron daños en las estructuras existen tes, como el de 1957, ciq'a magnitud fue de 7.6, y fue denominado "del ángel" por que se vino abajo la escul tura colocada en la parte superior de la columna de la Independencia. En 1985, se suponía que la ciudad de
México estaba preparada para sismos
que generaran aceleraciones en el te rreno comparables a las observadas en 1957, de aproximadamente un cuarto de la correspondiente a la gra vedad; sin embargo, durante el terre moto se registraron aceleraciones más
VoL. S NOuERO Das, J u li d «Oc ru » a g 1999
