ESTRUCTURA SISMICA

Estructuración Sísmica.

Capacidad de predicción

La idea prevalente sobre el vocablo predicción es el de un pronunciamiento determinístico sobre un evento futuro de naturaleza no determinística tal como la magnitud, sitio, día y hora de un futuro sismo. Una revisión sobre este aspecto y sus implicaciones de prevención, permite afirmar lo siguiente:

a) No se poseen aún teorías generales en base a las cuales se puedan hacer predicciones confiables sobre futuros sismos. De una manera general, la predicción debe verse como una probabilidad condicional a ser revisada a medida que se produce nueva información. Para ello se requiere como mínimo:

(i) identificar las áreas en las cuales se considere más probable la ocurrencia de un sismo importante, en un plazo corto de tiempo;

(ii) seleccionar los parámetros o indicadores que resulten más confiables;

(iii) contar con los medios adecuados para medirlos u observarlos sistemáticamente durante lapsos de tiempo que suelen ser de varios años.

b) La capacidad de hacer una predicción confiable, en el sentido de poder efectuar un anuncio público de un próximo sismo, no permite intervenir con el fin de reducir sustancialmente las pérdidas materiales directas en zonas densamente pobladas. Salvo en casos aislados, la estrategia más eficiente para limitar las pérdidas materiales, es la de proyectar y construir utilizando racionalmente los conocimientos de la Ingeniería Sismorresistente.

Es el caso por ejemplo, del apuntalamiento de edificaciones afectadas por un sismo, con la finalidad de salvar su contenido ante la amenaza de un futuro movimiento, réplica del anterior.

c) La experiencia demuestra que una vez admitida una predicción, es posible tomar medidas de defensa civil que reduzcan sustancialmente el riesgo de pérdidas de vidas así como de cierto tipo de pérdidas indirectas.

A los fines de la Ingeniería Estructural interesa centrar nuestra atención en la capacidad de pronosticar la respuesta y el desempeño de edificaciones existentes bajo la acción de sismos. Es decir, dada una edificación ubicada en cierto escenario sísmico, evaluar las consecuencias de esa exposición.

El esquema operativo de los algoritmos diseñados para tal evaluación es el que se da en el cuadro 1.

Cuadro 1.

Caracterización del escenario sísmico Caracterización de la edificación expuesta

Respuesta

Vulnerabilidad a sismos

Consecuencias de la exposición

La secuencia anterior es válida, tanto para e edificaciones como para conjuntos dispuestos en una o más localidades.

No obstante, las incertidumbres en los fenómenos asociados a los movimientos sísmicos requieren extrema cautela. Por ejemplo, ésta edificación Portuaria sufrió daños irreparables como consecuencia del movimiento de sus bases debido a inestabilidad del suelo de fundación, bajo la acción de movimientos sísmicos intensos.

Desempeño inadecuado

En el proyecto de edificaciones que puedan quedar sometidas a acciones sísmicas, es fundamental entender su comportamiento probable: cómo se va a deformar, cuales son sus regiones críticas y, sobre todo, evitar fallas prematuras que limiten la reserva resistente de la estructura.

En aquellos casos donde sea previsible que la estructura entre en el rango inelástico, debe garantizarse una conducta dúctil.

Construcciones de adobe o tierra, debidamente reforzadas, pueden resistir sacudidas de cierta intensidad con daños menores. Cuando estos refuerzos han sido ignorados o la madera esta podrida y carcomida, el desempeño es inadecuado.

El golpeteo entre edificaciones adyacentes ha sido la causa de daños importantes y fallas prematuras de edificaciones de varias plantas, en especial cuando estas se encuentran a diferente nivel. Algunas normas toleran el adosamiento, siempre y cuando se compruebe que los daños son limitados; en estas situaciones son de esperar daños localizados, reparables.

Los grandes paños de pared de mampostería no reforzada deben evitarse, pues se ha demostrado en múltiples ocasiones que resultan inestables durante sacudidas sísmicas intensas.

Estrategia de las normas vigentes

A diferencia de otras sobrecargas, los sismos generan acciones dinámicas de signo alternante; es decir, las oscilaciones de la edificación durante su respuesta, superponen a las solicitaciones debidas a la gravedad terrestre otras de signo alternante (pueden ser momentos flectores, fuerzas axiales o fuerzas cortantes).

Figura 1. Sobrecargas: variaciones temporales

Es importante tener presente la filosofía adoptada en el diseño sismorresistente de la gran mayoría de las edificaciones y obras de ingeniería existentes en áreas urbanas. Esta puede resumirse en la forma que se anota a continuación,

Se espera que las edificaciones diseñadas de acuerdo a. las presentes Normas cumplan las siguientes pautas:

a) no sufran daños bajo la acción de sismos menores;

b) resistan sismos moderados, con algunos daños económicamente reparables en elementos no estructurales;

c) resistan sismos intensos sin colapsar, aunque con daños estructurales importantes".

Es común en buena parte de las normas; en otros cuerpos normativos, o en normas anteriores a las vigentes, va implícita en los criterios de diseño establecidos.

Obsérvese que bajo la acción de sismos fuertes, de la intensidad prevista en las normas, se admiten daños estructurales importantes. Estos pueden incluso llegar a ser tan importantes que, sin alcanzar el estado de ruina o inestabilidad, requieran la demolición de la edificación.

En la Figura 2 se compara la respuesta de un sistema que responde en el rango elástico, con la de un sistema que durante su respuesta incursiona en el dominio de las deformaciones inelásticas (post-elásticas). Esta incursión es tanto más importante mientras más ductilidad se pueda garantizar, entendiéndose por factor de ductilidad la relación entre los desplazamientos máximos reales y los desplazamientos calculados suponiendo un comportamiento elástico lineal de la estructura.

Figura 2. Respuesta de sistemas elásticos e inelásticos

Selección del sitio

Los bordes de mesetas —excepcionales por su vista panorámica— presentan mayor azarosidad cuando se encuentran en áreas amenazadas por sismos, especialmente son evidentes los fenómenos de inestabilidad de sus taludes por otras acciones naturales. Algo similar puede decirse de las zonas al pié del talud.

En algunas normas se exige la evaluación de la estabilidad del talud cuando la edificación se encuentra en sus cercanías.

En áreas de topografía abrupta se han constatado y medido fenómenos de amplificación del movimiento del terreno. Tal es el caso de área del Canal Beagle, en Viña del Mar, donde un conjunto de edificaciones nominalmente iguales ubicadas en el tope de un cerro, sufrieron daños importantes como consecuencia del terremoto de Marzo de 1985, a diferencia de otras iguales ubicadas al pié del cerro, que no se dañaron.

Figura 3. Condiciones que requieren la evaluación de taludes

Acciones de diseño

Aceleración máxima del terreno

Las acciones sísmicas se caracterizan por la aceleración máxima de la componente horizontal y son seleccionadas a partir de un estudio generalizado de la amenaza sísmica. En término medio y según el país, se encuentran asociadas a probabilidades de excedencia que oscilan entre 10% y 40% en 50 años, lo cual representa períodos de retorno de 75 a 100 años.

De una manera general, en obras civiles muy importantes y en todas aquellas donde el mal funcionamiento puede tener consecuencias catastróficas, es necesario alcanzar un nivel consistente de protección contra las acciones sísmicas tanto en las edificaciones como en las instalaciones, sistemas y componentes. Estos, además de soportar las acciones gravitacionales previstas, deben quedar diseñados de modo tal que puedan resistir los efectos de aquellas combinaciones de acciones cuya probabilidad de ocurrencia simultánea no se considere remota. Es usual incluir en estas combinaciones, aquellas acciones cuya probabilidad de excedencia P durante la vida útil de la instalación en cuestión (t años), no supere valores prefijados (del orden de 1% al 5%). Esto se traduce en acciones cuyo período medio de retorno T en años se puede expresar como:

Criterios generales para la selección de la aceleración máxima de la componente horizontal de los sismos de diseño, se sintetizan en la Tabla 1.

En las normas para edificaciones antisísmicas, las edificaciones hospitalarias y centros de salud son clasificadas como de importancia vital en caso de terremoto. Por esta razón el coeficiente de importancia , igual a 1,0 para edificaciones destinadas a vivienda, oficinas o comercio, es mayor que la unidad; este varia entre 1,20 y 1,50 en diferentes normas americanas. Su influencia en la probabilidad de excedencia de los valores de diseño, y por tanto en el período medio de retorno, depende de la peligrosidad de la localidad.

Tabla 1. Criterios para la selección de los sismos de diseño (aceleración máxima de la componente horizontal).

Objetivo de Diseño Periodo Medio de Retorno Criterio de Diseño

Minimizar daños

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