Respuesta sísmica de estructuras

Respuesta sísmica de estructuras

mayo 7, 2020 1 Por admin

En este artículo, el Ingeniero Hector Gutiérrez de la empresa Ingett4X colabora con nosotros compartiendo sus conocimientos sobre la respuesta sísmica de las estructuras.

Os aseguro que merece mucho la pena leerlo.

INTRODUCCIÓN a la respuesta sísmica de las estructuras

Desde el punto de vista de las estructuras, los terremotos consisten en movimientos aleatorios horizontales y verticales en la superficie de la tierra.

A medida que el terreno se mueve, la inercia tiende a mantener la estructura en su sitio original (Figura 1.1).

Lo anteriormente comentado conlleva a la imposición de desplazamientos y de fuerzas que pueden tener resultados catastróficos.

Diseño sísmico de estructuras

El propósito del diseño sísmico es dimensionar las estructuras de manera que éstas puedan resistir los desplazamientos y las fuerzas inducidas por el movimiento del terreno.

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Figura 1.1 Estructura sometida a la acción de un terremoto

Históricamente el diseño sísmico ha hecho énfasis en el movimiento horizontal del terreno debido a que la componente horizontal de un terremoto excede en general la componente vertical y a que las estructuras son por lo general mucho más rígidas y resistentes para la respuesta ante cargas verticales en comparación con su respuesta ante cargas horizontales. La experiencia ha demostrado que las componentes horizontales son las más destructivas.

Para el diseño estructural, la intensidad de un terremoto se describe en términos de la aceleración del terreno como una fracción de la aceleración de la gravedad, es decir, 0.1, 0.2 ó 0.3 g. Aunque la aceleración pico es un parámetro de diseño decisivo, las características de frecuencia y la duración de un terremoto son también importantes; mientras más cercana sea la frecuencia del terremoto a la frecuencia natural de una estructura y mientras mayor sea la duración del terremoto, mayor será el potencial de daño.

La seguridad de una estructura sometida a carga sísmica se fundamenta en la comprensión del diseñador con respecto a la respuesta de la estructura al movimiento del terreno. Durante muchos años la meta del diseño sismorresistente era construir edificios que soportaran sismos moderados sin daño y sismos severos sin colapso.

Los códigos de construcción han sufrido modificaciones frecuentes a medida que sismos de magnitud considerable han demostrado las debilidades en los criterios de diseños existentes.

El diseño sismorresistente se diferencia del diseño para cargas gravitacionales y de viento en la mayor sensibilidad relativa de las fuerzas inducidas por el sismo a la geometría de la estructura.

Sin un diseño cuidadoso, las fuerzas y los desplazamientos pueden concentrarse en partes de la estructura incapaces de proporcionar la resistencia o ductilidad adecuadas. Rigidizar un elemento para un tipo de carga puede incrementar las fuerzas en el elemento y cambiar el modo de falla de dúctil a frágil.

Propiedades de las estructuras

Una vez aclarado un poco como los movimientos sísmicos influyen en el comportamiento estructural, se puede mencionar que las propiedades de una estructura que adquieren mayor significancia durante un terremoto son:

  • Resistencia
  • Rigidez
  • Ductilidad

Resistencia

La resistenciade una estructura está dada por la máximacarga, generalmente expresada a través del esfuerzo de corte en la base, que ésta puede soportar bajo la combinaciónde cargas verticales y horizontales. La resistencia de un edificio se desarrollará para un desplazamiento lateral específico o deriva y se refiere al nivel máximo de carga que es capaz de alcanzar. En un edificio adecuadamente diseñado, los miembros deben ser capaces de llegar a la fuerza máxima sin pérdida apreciable de la rigidez y con daño controlado. En esto el detallado del acero de refuerzo tiene gran cuota de responsabilidad.

Rigidez

Es una medida cualitativa de la resistencia a las deformaciones elásticas producidas por un material, que contempla la capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones. Los edificios deben diseñarse para que ante acciones sísmicas no se experimente una pérdida de rigidez significativa, para ello se limita o controla la cantidad de desplazamiento que pueda desarrollar. La pérdida de rigidez está asociada a mayores desplazamientos laterales y daño apreciable en la estructura. La cantidad máxima de desplazamiento lateral que pueda desarrollar la estructura está controlada según las normativas sísmicas de cada país.

Ductilidad

La ductilidad de una estructura se define como la capacidad que tienen los elementos estructurales de deformarse bajo una carga, sin romperse cuando estos han superado su límite elástico; en el caso del concreto la ductilidad se logra agregando acero de refuerzo especial dentro de las vigas y columnas obteniendo lo que conocemos como concreto reforzado, ya que por naturaleza el concreto es un material frágil que se rompe fácilmente cuando es sometido a una carga.

Esta es una propiedad importante porque se asocia directamente con el daño, la falla y la disipación de la energía de la estructura durante un terremoto.

Efectos sísmicos en las estructuras

Cuando ocurre un sismo, el movimiento del suelo se transmite a los edificios que se apoyan sobre éste. La fundación del sistema tiende a moverse igual que el terreno, mientras que, por inercia, la masa se opone a ser desplazada.

Entonces se generan las fuerzas inerciales, que se transmiten a través de la estructura por trayectorias dependientes de la configuración estructural, generando tensiones y deformaciones.

El fenómeno mencionado en el apartado anterior puede poner en peligro su estabilidad. Estas fuerzas producen desplazamientos laterales en la estructura y por ende daño en los miembros estructurales al disipar la energía introducida por el sismo.

Tipos de efectos sísmicos

El daño puede estar acompañado de pérdida de rigidez y pérdida de resistencia, lo cual conduciría al agotamiento de los elementos. Entre los principales efectos que se producen tenemos los siguientes:

  • Generación de fuerzas inerciales
  • Daños estructurales
  • Disipación de la energía
  • Pérdida de rigidez y resistencia
  • Comportamiento no lineal

Mientras más cercana sea la frecuencia del movimiento del terreno a algunas de las frecuencias naturales de la estructura, mayor será la probabilidad de que ésta experimente el fenómeno de resonancia, lo que resulta en un aumento tanto de los desplazamientos como del daño. Por lo tanto, la respuesta sísmica depende fuertemente de las propiedades geométricas de la estructura, especialmente su altura.

Edificios altos responden con más fuerza a movimientos del terreno de largo periodo (baja frecuencia).

Por otra parte los edificios pequeños responden más fuertemente a movimientos del terreno de corto periodo (alta frecuencia).

La figura 1.2 muestra las formas de los modos de vibración principales de un pórtico estructural típico de tres pisos. La contribución relativa de cada modo al desplazamiento lateral de la estructura depende de las características de frecuencia del movimiento del terreno.

El primer modo (Figura 1.2 a) proporciona usualmente la mayor contribución al desplazamiento lateral. Mientras más alta sea la estructura, más susceptible será a los efectos de modos de vibración superiores, lo cual es aditivo a los efectos de los modos inferiores y tiene por lo general una mayor influencia en los pisos superiores.

En cualquier circunstancia, mientras mayor sea la duración del terremoto mayor será su potencial de producir daño (Ver daños más comunes en estructuras de concreto).

estructuras diseño sísmico
Figura 1.2 Formas modales en un edificio de tres pisos

Aspectos a considerar en el diseño sismoresistente

El aspecto de configuración estructural es muy importante, puesto que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte adecuadamente ante un sismo.

La configuración es lo que definirá el tipo de vibraciones y deformaciones que sufrirá el edificio en presencia de un sismo, así como también la forma en que se transmitirán las cargas. Posteriormente se muestran algunas recomendaciones para lograr una correcta configuración.

El dimensionamiento y detallado influirá directamente en la ductilidad que pueda desarrollar cada uno de los miembros del sistema resistente a sismos. Por lo tanto, se debe considerar los siguientes aspectos:

  • Selección del sistema estructural adecuado
  • Configuración estructural: en planta y en elevación
  • Dimensionamiento y detallado de la estructura

En general las cualidades que debe tener un sistema estructural deben garantizar un adecuado comportamiento ante un evento sísmico, es decir, un comportamiento predecible.


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Análisis detallado del comportamiento de las estructuras sometidas a acciones sísmicas
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