Marco Teorico Sismo

Capitulo 2

Marco teórico

SISMO

El sismo es definido como el movimiento de la corteza terrestre o como la vibración del suelo, causado por la energía mecánica emitida de los mantos superiores de la corteza terrestre, en una repentina liberación de la deformación acumulada en un volumen limitado. El paso de un camión, de un tren, pueden producir una pequeña vibración en la superficie terrestre, este fenómeno podemos relacionarlo con un Microsismo o un Temblor. Una erupción volcánica o un movimiento Distrófico puede originar una vibración fuerte dando lugar a un Macrosismo o Terremoto. Los observatorios registran centenas de millares de sismos, cada año en todo el mundo. Afortunadamente, de todos ellos, muy pocos alcanzan la categoría de terremotos y gran parte de ellos ocurren en los fondos oceánicos (generando Tsunamis) o en regiones despobladas. El origen de los sismos se encuentra distribuido dentro de las profundidades que varían entre 0 a 700 km.

HIPOCENTRO: Un sismo originado en un pequeño volumen, debajo de la tierra, el cual puede ser representado como un punto, es denominado hipocentro, para fines de estudio.

EPICENTRO: La proyección vertical, sobre la superficie de la tierra, del punto que representa el hipocentro, se denomina epicentro.

CAUSAS DE LOS SISMOS

De acuerdo a los estudios realizados, se puede decir que las causas de los sismos son: La Actividad Volcánica y El Diastrofismo. Si observamos un mapa del mundo, se puede ver que las áreas volcánicas y las zonas sísmicas coinciden, esto dio, por origen, a que se pensara por mucho tiempo que la causa principal de los terremotos eran las erupciones volcánicas. Cierto es que los volcanes al entrar en actividad pueden producir fuertes sismos, pero estos son de tipo local y menos intensos que los sismos de origen distrófico. Las numerosas investigaciones que se realizan en el mundo, indican que los sismos más fuertes que sacuden la litosfera, se deben al diastrofismo.

Cuando se origina una falla, o cuando se deslizan los bloques a lo largo del plano de falla, estas producen sacudidas de la corteza terrestre. Los sismos de esta clase son los llamados TECTÓNICOS.

CARACTERISTICAS DE LOS SISMOS

ONDAS SISMICAS: Producido el sismo, esta enorme cantidad de energía se propaga en forma tridimensional desde su origen, en forma de “ondas elásticas”. Estas ondas se pueden transmitir a través del mismo cuerpo sólido (masa terrestre) o a través de la superficie que separa 2 cuerpos. Esto da lugar a la siguiente clasificación: Ondas Corporales y Ondas Superficiales Dentro de las ondas corporales tenemos:

ONDAS PRIMARIAS (P): Son los que hacen que las partículas vibren en la dirección de propagación de las ondas produciendo sólo compresión y dilatación. Estas ondas pueden transmitirse a través de medios, Sólidos , Líquidos y Gaseosos. Estas ondas son de tipo sonoro y su velocidad de propagación varia entre 1 Km/seg, para suelos blandos no consolidados y 14 Km/seg, para la parte mas profunda del manto.

ONDAS SECUNDARIAS O DE CORTE (S): Las partículas vibran perpendicularmente a su dirección de propagación de las ondas. Estas ondas sólo se transmiten a través de sólidos. La velocidad de propagación de estas ondas es aproximadamente la mitad de la velocidad de las ondas primarias.

Dentro de las ondas superficiales tenemos:

ONDAS LOVE (L): Ondas de cortes horizontales, que produce vibraciones perpendiculares a la dirección de transmisión de la energía.

ONDAS RAYLEIGH (R): Las partículas vibran en un plano vertical. Como las ondas sísmicas recorren grandes distancias, los sismos pueden ser registrados por unos aparatos llamados SISMÓGRAFOS, situados generalmente muy lejos del epicentro. SISMÓGRAFO: Es un aparato que grafica permanentemente el movimiento de la tierra. Mediante el sismógrafo se puede conocer la duración, intensidad y lugar en el que se produjo el sismo.

PREDICCION DE SISMOS

Actualmente países como la Unión Soviética, China, Estados Unidos,

Japón, se encuentran haciendo estudios profundos sobre predicción de

sismos.

El año 1963 el Gobierno Japonés inició el proyecto de predicción

de sismos. El año 1965 la UNESCO tuvo una reunión sobre este tema.

Las premisas fundamentales para la predicción de sismos son:

a) Medida de la deformación de la corteza terrestre (chequeo de las

velocidades de incrementos de deformación)

b) Observación de pequeños sismos (antes de un sismo severo, pequeño

sismos se producen y pueden ser observados).

c) Medida de la velocidad de propagación de las ondas (la velocidad de

las ondas disminuye).

d) Estudios geotécnicos

e) Estudios geomagnéticos

Modelos de comportamiento histerético y daño.

El análisis sísmico de estructuras es una disciplina que se enmarca dentro del campo del Análisis Estructural y tiene como objetivo efectuar una apreciación de la respuesta de una estructura a la ocurrencia de un evento sísmico.

En un principio las respuestas que nos interesaban estaban basadas en resistencia, pero este criterio a evolucionado y actualmente nos interesan las que se encuentran basadas en desplazamientos, pues se ha llegado a la conclusión que son estos, los desplazamientos, los que dañan a las estructuras, adicionalmente se ha demostrado que nuestra capacidad de predicción de la demanda de resistencia (representada principalmente por el cortante en la base) es bastante superior a nuestras posibilidades de predecir los desplazamientos de nuestra estructura, siendo esto muy claro cuando vemos una curva de capacidad, donde se aprecia que pequeñas variaciones en el cortante basal pueden implicar sustanciales variaciones en el desplazamiento.

Figura 3.4 Niveles de desempeño de una estructura. (Adolfo Gálvez, ADGAVI 2008)

En términos estadísticos diríamos que la incertidumbre en la determinación de las acciones basadas en resistencia es inferior a la que se halla presente en las basadas en desplazamientos. Todo este razonamiento mas consideraciones económicas han creado el marco en el que se viene desarrollando el Diseño Sísmico Basado en Desempeño, (Jalayer y Cornell, 2003). Este enfoque aun no es incorporado en nuestras Normas, pero indefectiblemente ello ocurrirá en los próximos años. La realidad de nuestras estructuras es inelástica y aleatoria.

Ante la necesidad de estimar la respuesta no-lineal de elementos estructurales que considere degradación de rigidez y resistencia ante ciclos de carga alternados, como pueden ser las respuestas ante excitaciones sísmicas, se han desarrollado modelos analíticos de histéresis.

Los modelos aquí descritos se basan en el concepto de daño acumulado, que es función de la suma de las amplitudes máximas alcanzadas en cada ciclo de carga por el elemento de

estudio propuesto por Wang y Shah (1987).

Elementos de concreto reforzado

Campos y Esteva (1997) desarrollan un modelo para vigas de concreto reforzado, considerando que el deterioro se concentra en secciones extremas del elemento y que el máximo daño corresponde a la pérdida total de rigidez y resistencia de la dicha sección, dando lugar a la formación de la articulación completa. Los autores proponen una curva envolvente bi-lineal y reglas de comportamiento histerético para los ciclos de carga y

descarga.

Muros de mampostería

En este trabajo se propone, desarrolla, calibra y pone en operación un Modelo de comportamiento histerético y daño para muros de mampostería confinada que considera reducción de rigidez y degradación de resistencia, el cual es presentado con todo detalle más adelante en el Capítulo III Muros de mampostería confinada.

TIPOS DE DAÑOS DEBIDO A SISMOS

Los sismos pueden ocasionar cambios en el relieve, grietas externas, deslizamientos, avalanchas, variaciones en los cursos de los ríos, etc., etc.

Generalmente los efectos más desastrosos del sismo se producen en las zonas densamente pobladas.

Los tipos de daños debido a sismos pueden dividirse en 3:

a) Daños en las estructuras causadas por la Fuerza Sísmica.

b) Daños en las estructuras causados por las deformaciones del suelo.

c) Daños en las estructuras causados por otros fenómenos naturales.

El desarrollo de nuevas filosofías de diseño y el avance en el conocimiento del comportamiento dinámico de los edificios frente a la acción sísmica, debe ser utilizado para reducir el riesgo sísmico existente en los grandes centros urbanos, debido a que éstos albergan la mayor parte de la población mundial. Por lo general, son las nuevas construcciones las únicas que incorporan los avances en el diseño de estructuras, sin embargo, éstas representan un porcentaje ínfimo sobre el total de las estructuras existentes. Así pues, es indispensable desarrollar e implementar metodologías para la evaluación del desempeño, la vulnerabilidad y el riesgo sísmico de estructuras existentes, que permitan identificar las fuentes y los posibles focos de concentración de daño, para que puedan adelantarse tareas de reforzamiento y rehabilitación de estructuras, que permitan controlar y reducir el riesgo sísmico existente.

Por otra parte, el nivel de actividad sísmica de una zona y la cantidad de información disponible sobre las tipologías estructurales existentes, sugieren el desarrollo de metodologías adecuadas a las condiciones propias de la zona y que puedan superar las limitaciones en cuanto a información, mediante el uso de técnicas de simulación.

Procedimientos de análisis sísmico de estructuras.

Los principales procedimientos de análisis sísmico son los siguientes (FEMA, 1997):

1. Análisis Estáticos Lineales (ALE), conocidos como Estáticos Equivalentes, tal como se especifica en el artículo 17 de nuestra Norma E.030 (RNE, 2006).

2. Análisis Dinámicos Lineales (ALD), normados en nuestro reglamento por el artículo 18 de la mencionada Norma. Se usan dos tipos:

a. Tiempo Historia, cuando se usan registros de aceleración y las respuestas estructurales se conocen a lo largo de toda a duración del evento sísmico.

b. Espectro de Respuesta, cuando se trabaja con los espectros obtenidos de los registros de aceleración, combinando los aportes de cada modo, a fin de obtener un valor representativo de la respuesta, ya que la falta de simultaneidad de las máximas respuestas en cada modo de vibración implican la necesidad de combinarlas adecuadamente.

3. Análisis Estáticos No Lineales (ANLE), mas conocidos como Push – Over, por su nombre en inglés, cuya principal característica es la de usar sistemas equivalentes de un grado de libertad, para modelar una estructura de múltiples grados de libertad y que únicamente nos permiten apreciar respuestas globales de la estructura.

4. Análisis Dinámicos No Lineales (ANLD), cuando conociendo las propiedades de los materiales constitutivos de nuestra estructura y de los elementos de los sistemas estructurales, hacemos uso de registros de aceleración, en un cierto número de ellos, para predecir las respuestas de nuestro sistema, generalmente las basadas en desplazamientos. Las herramientas mas conocidas, desde la óptica de la discretización, son:

a. Elementos Finitos, sumamente poderoso, pero consumidor de ingentes recursos de hardware, que lo hace prohibitivo en su uso en la mayoría de los casos, de tal modo que solamente ciertas instituciones tienen los equipos y el software capaces de manejar en forma aceptable los requerimientos que implican el modelar una estructura. Permite predecir respuestas de resistencia y desplazamiento al detalle.

b. Macro Elementos, que usando las curvas esfuerzo – deformación y el método de las fibras por un lado e incorporando modelos histeréticos para diversos elementos (vigas, columnas, muros, rotulas, resortes, cables, etc.) por otro, permiten predecir de una forma no tan onerosa, la respuesta de nuestro sistema estructural. Ideal para respuestas de desplazamiento (rotaciones, curvaturas, deformaciones de entrepiso, etc.)

El rango de aplicación de los diversos tipos de análisis, superpuesto a una curva de capacidad, se muestra en la siguiente figura, es interesante ver que los procedimientos dinámicos no lineales cubren toda la gama de respuestas estructurales.

Figura 3.5 Curva de capacidad y tipo de analisis. (Adolfo Gálvez, ADGAVI 2008)

Los procedimientos Dinámicos No Lineales implican respuestas estructurales que son muy sensibles a los parámetros que sirven para modelar los distintos tipos de comportamiento histerético de los diversos elementos estructurales, constituidos por los diferentes materiales que se encuentran disponibles. Asimismo, son estos procedimientos los que (por mucho) representan mejor el comportamiento estructural y permiten predecir sus respuestas ante eventos sísmicos (que hacen incursionar a las estructuras en el rango inelástico y hacen que se comporten no linealmente), con niveles de incertidumbre aceptables.

Para poder hacer uso de procedimientos Dinámicos No Lineales, es indispensable previamente calibrar los parámetros del programa que estemos usando, a fin de que las características histeréticas de los elementos estructurales reflejen la realidad de los mismos.

Justificación de la investigación

En los años recientes (2000-20014) la ciudad de México ha experimentado un crecimiento explosivo en la construcción de edificios tanto para uso habitacional como para oficinas. La mayoría de estas construcciones se ha realizado, y se siguen realizando, con sistemas estructurales basados en marcos ortogonales de concreto reforzado, cuya altura varia en el intervalo de los 5 a los 20 niveles.

La rapidez con que se ha llevado a cabo la construcción de estas edificaciones lleva a pensar en la posibilidad tanto en errores en la conceptualización del diseño como en la etapa constructiva. Existe la elevada posibilidad de que en un alto porcentaje de estas nuevas estructuras se de la interacción, no planeada por el diseñador, de los marcos de concreto con los muros de mampostería. De suceder esto se estaría modificando de manera significativa la continuidad de la rigidez y en la resistencia a lo alto de las estructuras.

Análisis de incertidumbre de las propiedades mecánicas de la mampostería

Dado que ya se cuenta con un modelo de comportamiento histerético y daño, en esta

ocasión se toman en cuenta las incertidumbres en las propiedades de los materiales de

construcción que intervienen en el cálculo de la fuerza cortante resistente del muro de

mampostería ( mR V ), tales como:

Eficiencia del acero de refuerzo horizontal, η [propuesto en este trabajo]

El confinamiento aportado por los castillos, F(r) [propuesto en este trabajo]

El esfuerzo cortante resistente de la mampostería sobre área bruta, *mv , el cual es igual

al esfuerzo resistente en compresión diagonal determinado de acuerdo a las NTCMampostería

(2004).

El esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo horizontal, yh f

El esfuerzo vertical aplicado a los muros de mampostería durante el ensaye en el

laboratorio del CENAPRED, v σ

Características geométricas del muro: base (b), altura (h), espesor (t)

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