La ingeniería sísmica es una rama interdisciplinaria de la ingeniería que diseña y analiza estructuras , como edificios y puentes , teniendo en cuenta los terremotos . Su objetivo general es hacer que dichas estructuras sean más resistentes a los terremotos. Un ingeniero sísmico (o sísmico) tiene como objetivo construir estructuras que no se dañen con sacudidas menores y eviten daños graves o colapsos en un terremoto importante. Una estructura diseñada adecuadamente no necesariamente tiene que ser extremadamente fuerte o costosa. Tiene que estar diseñado adecuadamente para resistir los efectos sísmicos y al mismo tiempo soportar un nivel aceptable de daño.
La ingeniería sísmica es un campo científico que se ocupa de proteger a la sociedad, el medio ambiente natural y el medio ambiente creado por el hombre de los terremotos limitando el riesgo sísmico a niveles socioeconómicamente aceptables. [1] Tradicionalmente, se ha definido estrictamente como el estudio del comportamiento de estructuras y geoestructuras sometidas a cargas sísmicas ; se considera como un subconjunto de la ingeniería estructural , la ingeniería geotécnica , la ingeniería mecánica , la ingeniería química , la física aplicada , etc. Sin embargo, los enormes costos experimentados en los terremotos recientes han llevado a una expansión de su alcance para abarcar disciplinas del campo más amplio de la ingeniería civil. ingeniería , ingeniería mecánica , ingeniería nuclear y de las ciencias sociales , especialmente sociología , ciencias políticas , economía y finanzas . [2]
Los principales objetivos de la ingeniería sísmica son:
Carga sísmica significa la aplicación de una excitación generada por un terremoto sobre una estructura (o geoestructura). Ocurre en las superficies de contacto de una estructura ya sea con el suelo, [5] con estructuras adyacentes, [6] o con las ondas de gravedad del tsunami . La carga que se espera en un lugar determinado de la superficie de la Tierra se estima mediante ingeniería sismológica . Está relacionado con el riesgo sísmico del lugar.
El desempeño sísmico o sísmico define la capacidad de una estructura para mantener sus funciones principales, como su seguridad y capacidad de servicio , durante y después de una exposición a un terremoto particular. Una estructura normalmente se considera segura si no pone en peligro la vida y el bienestar de quienes se encuentran dentro o alrededor de ella al derrumbarse parcial o completamente. Una estructura puede considerarse útil si es capaz de cumplir las funciones operativas para las que fue diseñada.
Los conceptos básicos de la ingeniería sísmica, implementados en los principales códigos de construcción, suponen que un edificio debería sobrevivir a un terremoto raro y muy severo sufriendo daños significativos pero sin colapsar globalmente. [7] Por otro lado, debería permanecer operativo para eventos sísmicos más frecuentes, pero menos severos.
Los ingenieros necesitan conocer el nivel cuantificado del desempeño sísmico real o previsto asociado con el daño directo a un edificio individual sujeto a un temblor de tierra específico. Esta evaluación puede realizarse experimental o analíticamente.
Las evaluaciones experimentales son pruebas costosas que generalmente se realizan colocando un modelo (a escala) de la estructura en una mesa vibratoria que simula el movimiento de la tierra y observando su comportamiento. [8] Este tipo de experimentos se realizaron por primera vez hace más de un siglo. [9] Sólo recientemente ha sido posible realizar pruebas a escala 1:1 en estructuras completas.
Debido a la naturaleza costosa de tales pruebas, tienden a usarse principalmente para comprender el comportamiento sísmico de estructuras, validar modelos y verificar métodos de análisis. Por lo tanto, una vez validados adecuadamente, los modelos computacionales y los procedimientos numéricos tienden a soportar la mayor carga para la evaluación del desempeño sísmico de las estructuras.
La evaluación del desempeño sísmico o el análisis estructural sísmico es una poderosa herramienta de la ingeniería sísmica que utiliza un modelado detallado de la estructura junto con métodos de análisis estructural para obtener una mejor comprensión del desempeño sísmico de las estructuras edificadas y no edificadas . La técnica como concepto formal es un desarrollo relativamente reciente.
En general, el análisis estructural sísmico se basa en los métodos de la dinámica estructural . [10] Durante décadas, el instrumento más destacado de análisis sísmico ha sido el método del espectro de respuesta a terremotos , que también contribuyó al concepto actual del código de construcción propuesto. [11]
Sin embargo, tales métodos son buenos sólo para sistemas elásticos lineales, siendo en gran medida incapaces de modelar el comportamiento estructural cuando aparece daño (es decir, no linealidad ). La integración numérica paso a paso demostró ser un método de análisis más eficaz para sistemas estructurales de múltiples grados de libertad con una no linealidad significativa bajo un proceso transitorio de excitación del movimiento del suelo . [12] El uso del método de elementos finitos es uno de los enfoques más comunes para analizar modelos informáticos de interacción no lineal entre la estructura del suelo .
Básicamente, el análisis numérico se realiza para evaluar el comportamiento sísmico de los edificios. Las evaluaciones de desempeño generalmente se llevan a cabo mediante el uso de análisis pushover estático no lineal o análisis tiempo-historial no lineal. En tales análisis, es esencial lograr un modelado no lineal preciso de componentes estructurales como vigas, columnas, uniones viga-columna, muros de corte, etc. Por lo tanto, los resultados experimentales juegan un papel importante en la determinación de los parámetros de modelado de componentes individuales, especialmente aquellos que están sujetos a deformaciones no lineales significativas. Luego, los componentes individuales se ensamblan para crear un modelo no lineal completo de la estructura. Los modelos así creados se analizan para evaluar el rendimiento de los edificios.
Las capacidades del software de análisis estructural son una consideración importante en el proceso anterior, ya que restringen los posibles modelos de componentes, los métodos de análisis disponibles y, lo más importante, la robustez numérica. Esto último se convierte en una consideración importante para las estructuras que se aventuran en el rango no lineal y se acercan al colapso global o local a medida que la solución numérica se vuelve cada vez más inestable y, por lo tanto, difícil de alcanzar. Hay varios software de análisis de elementos finitos disponibles comercialmente, como CSI-SAP2000 y CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS y Ansys , todos los cuales pueden usarse para la evaluación del desempeño sísmico de edificios. Además, existen plataformas de análisis de elementos finitos basadas en investigaciones como OpenSees , MASTODON, que se basa en MOOSE Framework , RUAUMOKO y el antiguo DRAIN-2D/3D, varios de los cuales ahora son de código abierto.
La investigación para la ingeniería sísmica significa investigación o experimentación tanto de campo como analítica destinada al descubrimiento y explicación científica de hechos relacionados con la ingeniería sísmica, la revisión de conceptos convencionales a la luz de nuevos hallazgos y la aplicación práctica de las teorías desarrolladas.
La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) es la principal agencia gubernamental de los Estados Unidos que apoya la investigación y la educación fundamentales en todos los campos de la ingeniería sísmica. En particular, se centra en la investigación experimental, analítica y computacional sobre el diseño y la mejora del rendimiento de sistemas estructurales.
El Instituto de Investigación en Ingeniería Sísmica (EERI) es líder en la difusión de información relacionada con la investigación en ingeniería sísmica tanto en los EE. UU. como a nivel mundial.
Puede encontrar una lista definitiva de mesas vibratorias relacionadas con la investigación en ingeniería sísmica en todo el mundo en Instalaciones experimentales para la simulación de ingeniería sísmica en todo el mundo. [14] El más destacado de ellos es ahora E-Defense Shake Table en Japón . [15]
NSF también apoya la Red George E. Brown, Jr. para Simulación de Ingeniería Sísmica
El programa de Ingeniería Estructural y Mitigación de Riesgos (HMSE) de NSF apoya la investigación de nuevas tecnologías para mejorar el comportamiento y la respuesta de sistemas estructurales sujetos a riesgos sísmicos; investigación fundamental sobre seguridad y confiabilidad de los sistemas construidos; desarrollos innovadores en análisis y simulación basada en modelos del comportamiento y respuesta estructural, incluida la interacción suelo-estructura; conceptos de diseño que mejoran el rendimiento y la flexibilidad de la estructura; y aplicación de nuevas técnicas de control de sistemas estructurales. [dieciséis]
(NEES) que promueve el descubrimiento de conocimientos y la innovación para la reducción de pérdidas por terremotos y tsunamis en la infraestructura civil del país y nuevas técnicas e instrumentación de simulación experimental. [17]
La red NEES cuenta con 14 laboratorios de uso compartido distribuidos geográficamente que apoyan varios tipos de trabajo experimental: [17] investigación geotécnica de centrífugas, pruebas de mesa vibratoria , pruebas estructurales a gran escala, experimentos en cuencas de olas de tsunami e investigación de campo. [18] Las universidades participantes incluyen: Universidad de Cornell ; Universidad de Lehigh ; La Universidad Estatal de Oregon ; Instituto Politécnico Rensselaer ; Universidad de Buffalo , Universidad Estatal de Nueva York ; Universidad de California, Berkeley ; Universidad de California, Davis ; Universidad de California, Los Angeles ; Universidad de California, San Diego ; Universidad de California, Santa Bárbara ; Universidad de Illinois, Urbana-Champaign ; Universidad de Minnesota ; Universidad de Nevada, Reno ; y la Universidad de Texas, Austin . [17]
Los sitios de equipos (laboratorios) y un depósito central de datos están conectados a la comunidad global de ingeniería sísmica a través del sitio web NEEShub. El sitio web de NEES funciona con el software HUBzero desarrollado en la Universidad Purdue para nanoHUB específicamente para ayudar a la comunidad científica a compartir recursos y colaborar. La ciberinfraestructura, conectada a través de Internet2 , proporciona herramientas de simulación interactivas, un área de desarrollo de herramientas de simulación, un repositorio central de datos curado, presentaciones animadas, soporte al usuario, telepresencia, mecanismo para cargar y compartir recursos y estadísticas sobre usuarios y patrones de uso.
Esta ciberinfraestructura permite a los investigadores: almacenar, organizar y compartir datos de forma segura dentro de un marco estandarizado en una ubicación central; observar y participar de forma remota en experimentos mediante el uso de datos y videos sincronizados en tiempo real; colaborar con colegas para facilitar la planificación, realización, análisis y publicación de experimentos de investigación; y realizar simulaciones computacionales e híbridas que puedan combinar los resultados de múltiples experimentos distribuidos y vincular experimentos físicos con simulaciones por computadora para permitir la investigación del rendimiento general del sistema.
Estos recursos proporcionan conjuntamente los medios de colaboración y descubrimiento para mejorar el diseño sísmico y el rendimiento de los sistemas de infraestructura civil y mecánica.
Las primeras simulaciones de terremotos se realizaron aplicando estáticamente algunas fuerzas de inercia horizontal basadas en aceleraciones máximas del suelo escaladas a un modelo matemático de un edificio. [19] Con el mayor desarrollo de las tecnologías computacionales, los enfoques estáticos comenzaron a dar paso a los dinámicos .
Los experimentos dinámicos sobre estructuras constructivas y no edificables pueden ser físicos, como las pruebas de mesa vibratoria , o virtuales. En ambos casos, para verificar el comportamiento sísmico esperado de una estructura, algunos investigadores prefieren trabajar con los llamados "historiales en tiempo real", aunque estos últimos no pueden ser "reales" para un terremoto hipotético especificado por un código de construcción o por algunos requisitos de investigación particulares. . Por lo tanto, existe un fuerte incentivo para participar en una simulación de terremoto que es la entrada sísmica que posee sólo las características esenciales de un evento real.
A veces, la simulación de un terremoto se entiende como una recreación de los efectos locales de un fuerte temblor de tierra.
La evaluación teórica o experimental del desempeño sísmico anticipado requiere principalmente una simulación de la estructura que se basa en el concepto de semejanza o similitud estructural. La similitud es cierto grado de analogía o parecido entre dos o más objetos. La noción de similitud se basa en repeticiones exactas o aproximadas de patrones en los elementos comparados.
En general, se dice que un modelo de construcción tiene similitud con el objeto real si los dos comparten similitud geométrica , similitud cinemática y similitud dinámica . El tipo de similitud más vívida y eficaz es la cinemática . La similitud cinemática existe cuando las trayectorias y velocidades de las partículas en movimiento de un modelo y su prototipo son similares.
El nivel máximo de similitud cinemática es la equivalencia cinemática cuando, en el caso de la ingeniería sísmica, las historias temporales de los desplazamientos laterales de cada piso del modelo y su prototipo serían las mismas.
El control de vibraciones sísmicas es un conjunto de medios técnicos destinados a mitigar los impactos sísmicos en estructuras edificables y no edificables . Todos los dispositivos de control de vibraciones sísmicas pueden clasificarse como pasivos , activos o híbridos [21] donde:
Cuando las ondas sísmicas del suelo alcanzan y comienzan a penetrar la base de un edificio, su densidad de flujo de energía, debido a los reflejos, se reduce drásticamente: normalmente, hasta un 90%. Sin embargo, las porciones restantes de las ondas incidentes durante un gran terremoto todavía tienen un enorme potencial devastador.
Después de que las ondas sísmicas ingresan a una superestructura , existen varias formas de controlarlas para mitigar su efecto dañino y mejorar el desempeño sísmico del edificio, por ejemplo:
Los dispositivos de este último tipo, abreviados como TMD para los amortiguadores de masa híbridos ( pasivo ), AMD para los activos y HMD para los amortiguadores de masa híbridos , se estudian e instalan desde hace un cuarto en edificios de gran altura , sobre todo en Japón. de un siglo. [24]
Sin embargo, existe un enfoque completamente diferente: la supresión parcial del flujo de energía sísmica hacia la superestructura, lo que se conoce como aislamiento sísmico o de base .
Para ello se introducen unos soportes en o debajo de todos los principales elementos portantes de la base del edificio, lo que debería desacoplar sustancialmente una superestructura de su subestructura apoyada sobre un terreno inestable.
La primera evidencia de protección contra terremotos mediante el uso del principio de aislamiento de la base se descubrió en Pasargadae , una ciudad en la antigua Persia, hoy Irán, y se remonta al siglo VI a.C. A continuación se muestran algunos ejemplos de tecnologías de control de vibraciones sísmicas actuales.
Perú es una tierra altamente sísmica ; Durante siglos, la construcción de piedra seca demostró ser más resistente a los terremotos que el uso de mortero. Los pueblos de la civilización inca eran maestros de los "muros de piedra seca" pulidos, llamados sillares , donde se cortaban bloques de piedra para que encajaran firmemente sin necesidad de mortero . Los incas estuvieron entre los mejores canteros que el mundo haya visto jamás [25] y muchas uniones en su mampostería eran tan perfectas que ni siquiera las briznas de hierba podían caber entre las piedras.
Las piedras de los muros de piedra seca construidos por los incas podían moverse ligeramente y reasentarse sin que los muros colapsaran, una técnica de control estructural pasivo que emplea tanto el principio de disipación de energía (amortiguación de culombio) como el de supresión de amplificaciones resonantes . [26]
Normalmente, los amortiguadores de masa sintonizados son enormes bloques de hormigón montados en rascacielos u otras estructuras y se mueven en oposición a las oscilaciones de frecuencia de resonancia de las estructuras mediante algún tipo de mecanismo de resorte.
El rascacielos Taipei 101 necesita resistir vientos tifones y terremotos comunes en esta zona de Asia/Pacífico. Para ello, se diseñó e instaló encima de la estructura un péndulo de acero de 660 toneladas métricas que sirve como amortiguador de masa sintonizado. Suspendido desde el piso 92 al 88, el péndulo se balancea para disminuir las amplificaciones resonantes de los desplazamientos laterales en el edificio causados por terremotos y fuertes ráfagas .
Un amortiguador histerético está destinado a proporcionar un rendimiento sísmico mejor y más confiable que el de una estructura convencional al aumentar la disipación de la energía sísmica de entrada . [27] Hay cinco grupos principales de amortiguadores histeréticos utilizados para este propósito, a saber:
Los amortiguadores viscosos tienen la ventaja de ser un sistema de amortiguación suplementario. Tienen un bucle histerético ovalado y la amortiguación depende de la velocidad. Si bien es posible que se requiera algún mantenimiento menor, los amortiguadores viscosos generalmente no necesitan ser reemplazados después de un terremoto. Si bien son más caras que otras tecnologías de amortiguación, se pueden utilizar tanto para cargas sísmicas como de viento y son los amortiguadores histeréticos más utilizados. [28]
Los amortiguadores de fricción tienden a estar disponibles en dos tipos principales, lineales y rotacionales, y disipan energía mediante calor. El amortiguador funciona según el principio de un amortiguador de culombio . Dependiendo del diseño, los amortiguadores de fricción pueden experimentar fenómenos de deslizamiento y soldadura en frío . La principal desventaja es que las superficies de fricción pueden desgastarse con el tiempo y por este motivo no se recomiendan para disipar cargas de viento. Cuando se utiliza en aplicaciones sísmicas, el desgaste no es un problema y no requiere mantenimiento. Tienen un bucle histerético rectangular y, siempre que el edificio sea lo suficientemente elástico, tienden a volver a sus posiciones originales después de un terremoto.
Los amortiguadores elásticos metálicos, como su nombre indica, ceden para absorber la energía del terremoto. Este tipo de compuerta absorbe una gran cantidad de energía; sin embargo, deben reemplazarse después de un terremoto y pueden impedir que el edificio vuelva a su posición original.
Los amortiguadores viscoelásticos son útiles porque pueden usarse tanto para aplicaciones eólicas como sísmicas; generalmente se limitan a pequeños desplazamientos. Existe cierta preocupación en cuanto a la confiabilidad de la tecnología, ya que se ha prohibido el uso de algunas marcas en edificios en los Estados Unidos.
El aislamiento de la base busca evitar que la energía cinética del sismo se transforme en energía elástica en el edificio. Estas tecnologías lo hacen aislando la estructura del suelo, lo que les permite moverse de forma algo independiente. El grado en que se transfiere la energía a la estructura y cómo se disipa la energía variará según la tecnología utilizada.
El cojinete de caucho de plomo o LRB es un tipo de aislamiento de base que emplea una gran amortiguación . Fue inventado por Bill Robinson , un neozelandés. [29]
Los mecanismos de amortiguación pesados incorporados en las tecnologías de control de vibraciones y, en particular, en los dispositivos de aislamiento de bases, a menudo se consideran una fuente valiosa para suprimir las vibraciones, mejorando así el rendimiento sísmico de un edificio. Sin embargo, para los sistemas bastante flexibles, como las estructuras de base aislada, con una rigidez de soporte relativamente baja pero con una gran amortiguación, la llamada "fuerza de amortiguación" puede convertirse en la principal fuerza de empuje en un terremoto fuerte. El video [30] muestra un cojinete de caucho de plomo que se está probando en las instalaciones de Caltrans-SRMD de UCSD . El cojinete está fabricado de caucho con núcleo de plomo. Fue una prueba uniaxial en la que el rodamiento también estaba bajo una carga estructural completa. Muchos edificios y puentes, tanto en Nueva Zelanda como en otros lugares, están protegidos con amortiguadores de plomo y cojinetes de plomo y caucho. Los rodamientos están equipados con Te Papa Tongarewa , el museo nacional de Nueva Zelanda y los edificios del Parlamento de Nueva Zelanda. Ambos están en Wellington , que se asienta sobre una falla activa . [29]
En la foto tomada antes de la exposición al terremoto de Northridge de 1994 se muestra un aislador de base de resortes con amortiguador instalado debajo de una casa adosada de tres pisos, Santa Mónica , California. Es un dispositivo de aislamiento de base conceptualmente similar al Lead Rubber Bearing .
Una de las dos casas adosadas de tres pisos como ésta, que estaba bien equipada para registrar aceleraciones verticales y horizontales en sus pisos y en el suelo, sobrevivió a un fuerte temblor durante el terremoto de Northridge y dejó valiosa información registrada para estudios posteriores.
El rodamiento de rodillos simple es un dispositivo de aislamiento de base destinado a la protección de diversas estructuras de edificios y no edificios contra impactos laterales potencialmente dañinos de fuertes terremotos.
Este soporte portante metálico puede adaptarse, con ciertas precauciones, como aislante sísmico de rascacielos y edificios sobre terreno blando. Recientemente, se ha empleado bajo el nombre de rodamiento de rodillos metálicos para un complejo de viviendas (17 pisos) en Tokio, Japón . [31]
El rodamiento de péndulo de fricción (FPB) es otro nombre de sistema de péndulo de fricción (FPS). Se basa en tres pilares: [32]
A la derecha se presenta una instantánea con el enlace al videoclip de una prueba en mesa vibratoria del sistema FPB que soporta un modelo de edificio rígido.
El diseño sísmico se basa en procedimientos, principios y criterios de ingeniería autorizados destinados a diseñar o modernizar estructuras sujetas a exposición a terremotos. [19] Estos criterios sólo son coherentes con el estado actual de los conocimientos sobre estructuras de ingeniería sísmica . [33] Por lo tanto, un diseño de edificio que sigue exactamente las normas del código sísmico no garantiza la seguridad contra colapsos o daños graves. [34]
El precio de un diseño sísmico deficiente puede ser enorme. Sin embargo, el diseño sísmico siempre ha sido un proceso de prueba y error, ya sea que se basara en leyes físicas o en el conocimiento empírico del desempeño estructural de diferentes formas y materiales.
Para practicar el diseño sísmico , el análisis sísmico o la evaluación sísmica de proyectos de ingeniería civil nuevos y existentes, un ingeniero normalmente debe aprobar un examen sobre Principios sísmicos [35] que, en el estado de California, incluyen:
Para construir sistemas estructurales complejos, [36] el diseño sísmico utiliza en gran medida el mismo número relativamente pequeño de elementos estructurales básicos (por no hablar de dispositivos de control de vibraciones) que cualquier proyecto de diseño no sísmico.
Normalmente, según los códigos de construcción, las estructuras están diseñadas para "resistir" el terremoto más grande con cierta probabilidad que pueda ocurrir en su ubicación. Esto significa que la pérdida de vidas debe minimizarse evitando el colapso de los edificios.
El diseño sísmico se lleva a cabo comprendiendo los posibles modos de falla de una estructura y proporcionando a la estructura la resistencia , rigidez , ductilidad y configuración adecuadas [37] para garantizar que esos modos no puedan ocurrir.
Los requisitos de diseño sísmico dependen del tipo de estructura, la localidad del proyecto y sus autoridades, que estipulan los códigos y criterios de diseño sísmico aplicables. [7] Por ejemplo, los requisitos del Departamento de Transporte de California denominados Criterios de diseño sísmico (SDC) y destinados al diseño de nuevos puentes en California [38] incorporan un enfoque innovador basado en el rendimiento sísmico.
La característica más importante en la filosofía de diseño de la COSUDE es un cambio de una evaluación de la demanda sísmica basada en la fuerza a una evaluación de la demanda y la capacidad basada en el desplazamiento. Por lo tanto, el enfoque de desplazamiento recientemente adoptado se basa en comparar la demanda de desplazamiento elástico con la capacidad de desplazamiento inelástico de los componentes estructurales primarios, asegurando al mismo tiempo un nivel mínimo de capacidad inelástica en todas las ubicaciones potenciales de las bisagras plásticas.
Además de la propia estructura diseñada, los requisitos de diseño sísmico pueden incluir una estabilización del terreno debajo de la estructura: a veces, el terreno fuertemente sacudido se rompe, lo que provoca el colapso de la estructura que se asienta sobre él. [40] Los siguientes temas deberían ser de máxima preocupación: licuefacción; Presiones laterales dinámicas del suelo sobre muros de contención; estabilidad sísmica de taludes; asentamiento inducido por el terremoto. [41]
Las instalaciones nucleares no deberían poner en peligro su seguridad en caso de terremotos u otros acontecimientos externos hostiles. Por tanto, su diseño sísmico se basa en criterios mucho más estrictos que los que se aplican a las instalaciones no nucleares. [42] Sin embargo, los accidentes nucleares de Fukushima I y los daños a otras instalaciones nucleares que siguieron al terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 han llamado la atención sobre las preocupaciones actuales sobre los estándares de diseño sísmico nuclear japonés y han provocado que muchos otros gobiernos reevalúen sus programas nucleares . También se han expresado dudas sobre la evaluación sísmica y el diseño de otras centrales, incluida la central nuclear de Fessenheim en Francia.
El modo de falla es la forma en que se observa una falla inducida por un terremoto. Generalmente describe la forma en que ocurre la falla. Aunque es costoso y requiere mucho tiempo, aprender de cada falla sísmica real sigue siendo una receta rutinaria para avanzar en los métodos de diseño sísmico . A continuación se presentan algunos modos típicos de fallas generadas por terremotos.
La falta de refuerzo , junto con un mortero deficiente y uniones inadecuadas entre el techo y la pared, pueden provocar daños sustanciales a un edificio de mampostería no reforzada . Las paredes muy agrietadas o inclinadas son algunos de los daños sísmicos más comunes. También son peligrosos los daños que pueden producirse entre las paredes y los diafragmas del techo o del suelo. La separación entre la estructura y las paredes puede poner en peligro el soporte vertical de los sistemas de techo y piso.
Efecto historia suave . La falta de rigidez adecuada en el nivel del suelo causó daños a esta estructura. Un examen detenido de la imagen revela que el revestimiento de tablas rugosas, una vez cubierto por una chapa de ladrillo , ha sido completamente desmantelado de la pared de vigas. Sólo la rigidez del piso superior combinada con el apoyo en los dos lados ocultos por paredes continuas, no atravesadas por grandes puertas como en los lados de la calle, impide el colapso total de la estructura.
Licuefacción del suelo . En los casos en que el suelo consiste en materiales granulares sueltos depositados con tendencia a desarrollar una presión hidrostática excesiva del agua de los poros de magnitud suficiente y compacta, la licuación de esos depósitos saturados sueltos puede resultar en asentamientos no uniformese inclinación de las estructuras. Esto causó importantes daños a miles de edificios en Niigata, Japón, durante el terremoto de 1964 . [43]
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Caída de rocas por deslizamiento de tierra . Un deslizamiento de tierra es un fenómeno geológico que incluye una amplia gama de movimientos del suelo, incluidos los desprendimientos de rocas . Normalmente, la acción de la gravedad es la principal fuerza impulsora para que se produzca un deslizamiento de tierra, aunque en este caso hubo otro factor que contribuyó a afectar la estabilidad original de la pendiente : el deslizamiento de tierra requirió un desencadenante sísmico antes de ser liberado.
Golpeando contra el edificio adyacente . Esta es una fotografía del colapso de la torre de cinco pisos del Seminario St. Joseph, Los Altos, California, que provocó una muerte. Durante el terremoto de Loma Prieta , la torre golpeó contra el edificio adyacente que vibraba de forma independiente. La posibilidad de golpes depende de los desplazamientos laterales de ambos edificios, los cuales deben estimarse y tenerse en cuenta con precisión.
En el terremoto de Northridge , las juntas del edificio de oficinas con estructura de hormigón de Kaiser Permanente quedaron completamente destrozadas, lo que reveló un acero de confinamiento inadecuado , lo que provocó el colapso del segundo piso. En la dirección transversal, los muros de corte de los extremos compuestos , que consistían en dos vigas de ladrillo y una capa de hormigón proyectado que soportaba la carga lateral, se desprendieron debido a los tirantes pasantes inadecuados y fallaron.
Efecto de deslizamiento de los cimientos de una estructura de edificio residencial relativamente rígida durante el terremoto de Whittier Narrows de 1987 . El terremoto de magnitud 5,9 azotó el edificio de apartamentos Garvey West en Monterey Park, California, y desplazó su superestructura unas 10 pulgadas hacia el este sobre sus cimientos.
Si una superestructura no está montada sobre un sistema de aislamiento de base , se debe evitar su desplazamiento sobre el sótano.
Una columna de hormigón armado estalló en el terremoto de Northridge debido a un modo de refuerzo de corte insuficiente que permite que el refuerzo principal se pandee hacia afuera. La plataforma se desprendió de la bisagra y falló por corte. Como resultado, el tramo del paso subterráneo La Cienega-Venecia de la Autopista 10 colapsó.
Terremoto de Loma Prieta : vista lateral de la falla de las columnas de soporte de hormigón armado que provocó el colapso de la plataforma superior sobre la plataforma inferior del viaducto Cypress de dos niveles de la autopista interestatal 880, Oakland, CA.
Falla del muro de contención en el terremoto de Loma Prieta en el área de las montañas de Santa Cruz: grietas de extensión prominentes con dirección noroeste de hasta 12 cm (4,7 pulgadas) de ancho en el aliviadero de concreto de la presa Austrian, el estribo norte .
Las sacudidas del suelo provocaron la licuefacción del suelo en una capa subsuperficial de arena , produciendo un movimiento diferencial lateral y vertical en un caparazón suprayacente de arena y limo no licuados . Este modo de falla del suelo , denominado expansión lateral , es la causa principal de los daños sísmicos relacionados con la licuefacción. [44]
Edificio del Banco de Desarrollo Agrícola de China gravemente dañado tras el terremoto de Sichuan de 2008 : la mayoría de las vigas y columnas de los pilares están cortadas . Las grandes grietas diagonales en mampostería y enchapado se deben a cargas en el plano, mientras que el asentamiento abrupto del extremo derecho del edificio debe atribuirse a un vertedero que puede ser peligroso incluso sin ningún terremoto. [45]
Doble impacto del tsunami : presión hidráulica de las olas del mar e inundaciones . Así, el terremoto del Océano Índico del 26 de diciembre de 2004, con epicentro frente a la costa occidental de Sumatra , Indonesia, desencadenó una serie de tsunamis devastadores, que mataron a más de 230.000 personas en once países al inundar las comunidades costeras circundantes con enormes olas de hasta 30 metros (100 pies) de altura. [47]
La construcción contra terremotos significa la implementación de un diseño sísmico para permitir que las estructuras constructivas y no edificables sobrevivan la exposición anticipada al terremoto hasta las expectativas y de conformidad con los códigos de construcción aplicables .
Diseño y construcción están íntimamente relacionados. Para lograr una buena ejecución, el detalle de los miembros y sus conexiones debe ser lo más simple posible. Como toda construcción en general, la construcción sísmica es un proceso que consiste en la construcción, adecuación o montaje de infraestructura dados los materiales de construcción disponibles. [48]
La acción desestabilizadora de un terremoto sobre las construcciones puede ser directa (movimiento sísmico del suelo) o indirecta (deslizamientos de tierra inducidos por terremotos, licuefacción de suelos y olas de tsunami).
Una estructura puede tener todas las apariencias de estabilidad y, sin embargo, no ofrecer nada más que peligro cuando ocurre un terremoto. [49] El hecho crucial es que, para la seguridad, las técnicas de construcción sismorresistentes son tan importantes como el control de calidad y el uso de materiales correctos. El contratista contra terremotos debe estar registrado en el estado/provincia/país de la ubicación del proyecto (dependiendo de las regulaciones locales), garantizado y asegurado [ cita requerida ] .
Para minimizar posibles pérdidas , el proceso de construcción debe organizarse teniendo en cuenta que un terremoto puede ocurrir en cualquier momento antes del final de la construcción.
Cada proyecto de construcción requiere de un equipo calificado de profesionales que comprendan las características básicas del comportamiento sísmico de las diferentes estructuras, así como la gestión de la construcción .
Alrededor del treinta por ciento de la población mundial vive o trabaja en construcciones hechas con tierra. [50] El tipo de ladrillo de adobe es uno de los materiales de construcción más antiguos y utilizados. El uso de adobe es muy común en algunas de las regiones más propensas a los peligros del mundo, tradicionalmente en América Latina, África, el subcontinente indio y otras partes de Asia, Medio Oriente y el sur de Europa.
Los edificios de adobe se consideran muy vulnerables a los terremotos fuertes. [51] Sin embargo, existen múltiples formas de refuerzo sísmico de edificios de adobe nuevos y existentes. [52]
Los factores clave para mejorar el desempeño sísmico de la construcción de adobe son:
La piedra caliza es muy común en la arquitectura, especialmente en Norteamérica y Europa. Muchos monumentos en todo el mundo están hechos de piedra caliza. Muchas iglesias y castillos medievales en Europa están hechos de mampostería de piedra caliza y arenisca . Son materiales duraderos, pero su peso bastante elevado no favorece un rendimiento sísmico adecuado.
La aplicación de tecnología moderna a la rehabilitación sísmica puede mejorar la capacidad de supervivencia de las estructuras de mampostería no reforzadas. Por ejemplo, de 1973 a 1989, el edificio de Salt Lake City y el condado de Utah fue renovado y reparado exhaustivamente con énfasis en preservar la exactitud histórica en su apariencia. Esto se hizo en conjunto con una mejora sísmica que colocó la débil estructura de arenisca sobre una base de aislamiento para protegerla mejor de los daños causados por el terremoto.
Las estructuras de madera se remontan a miles de años y se han utilizado en muchas partes del mundo durante diversos períodos, como el antiguo Japón, Europa y la Inglaterra medieval, en localidades donde la madera abundaba y la piedra de construcción y las habilidades para trabajarla no.
El uso de estructuras de madera en los edificios proporciona una estructura esquelética completa que ofrece algunos beneficios estructurales ya que la estructura de madera, si se diseña adecuadamente, se presta a una mejor capacidad de supervivencia sísmica . [54]
Las estructuras de estructura liviana generalmente obtienen resistencia sísmica a partir de muros de corte de madera contrachapada rígida y diafragmas de paneles estructurales de madera . [55] Las disposiciones especiales para sistemas resistentes a cargas sísmicas para todas las estructuras de madera diseñadas requieren la consideración de las relaciones de los diafragmas, los cortes horizontales y verticales del diafragma y los valores de los conectores / sujetadores . Además, se requieren colectores o puntales de arrastre para distribuir el corte a lo largo de la longitud del diafragma.
Se llama mampostería armada a un sistema constructivo donde se incrustan refuerzos de acero en las juntas de mortero de la mampostería o se colocan en huecos y que se rellenan con hormigón o lechada . [56] Existen diversas prácticas y técnicas para reforzar la mampostería. El tipo más común es la mampostería hueca reforzada .
Para lograr un comportamiento dúctil en mampostería, es necesario que la resistencia al corte del muro sea mayor que la resistencia a la flexión . [57] La efectividad de los refuerzos verticales y horizontales depende del tipo y calidad de las unidades de mampostería y el mortero .
El devastador terremoto de Long Beach de 1933 reveló que la mampostería es propensa a sufrir daños sísmicos, lo que llevó al Código del Estado de California a hacer obligatorio el refuerzo de la mampostería en todo California.
El hormigón armado es un hormigón al que se le han incorporado barras de refuerzo de acero ( barras de refuerzo ) o fibras para reforzar un material que de otro modo sería frágil . Se puede utilizar para producir vigas , columnas , pisos o puentes.
El hormigón pretensado es un tipo de hormigón armado que se utiliza para superar la debilidad natural del hormigón en tensión. Se puede aplicar a vigas , pisos o puentes con una luz mayor que la práctica con hormigón armado ordinario. Los tendones de pretensado (generalmente de cables o varillas de acero de alta resistencia a la tracción) se utilizan para proporcionar una carga de sujeción que produce una tensión de compresión que compensa la tensión de tracción que, de otro modo, experimentaría el miembro de compresión de hormigón debido a una carga de flexión.
Para evitar un colapso catastrófico en respuesta a un terremoto (en aras de la seguridad de la vida), una estructura de hormigón armado tradicional debe tener juntas dúctiles . Dependiendo de los métodos utilizados y de las fuerzas sísmicas impuestas, dichos edificios pueden ser utilizables inmediatamente, requerir reparaciones extensas o tener que ser demolidos.
Estructura pretensada es aquella cuya integridad global , estabilidad y seguridad dependen, principalmente, de un pretensado . Pretensado significa la creación intencional de tensiones permanentes en una estructura con el fin de mejorar su desempeño bajo diversas condiciones de servicio. [58]
Existen los siguientes tipos básicos de pretensado:
Hoy en día, el concepto de estructura pretensada se utiliza ampliamente en el diseño de edificios , estructuras subterráneas, torres de televisión, centrales eléctricas, instalaciones de almacenamiento flotantes e instalaciones marinas, vasijas de reactores nucleares y numerosos tipos de sistemas de puentes . [59]
Al parecer, los antiguos arquitectos romanos conocían la idea beneficiosa del pretensado ; Mire, por ejemplo, el alto muro del ático del Coliseo que funciona como un dispositivo estabilizador para los pilares de la pared que se encuentran debajo.
Las estructuras de acero se consideran en su mayoría resistentes a los terremotos, pero se han producido algunas fallas. Un gran número de edificios con estructura de acero soldado resistente a momentos , que parecían a prueba de terremotos, sorprendentemente experimentaron un comportamiento frágil y sufrieron daños peligrosos en el terremoto de Northridge de 1994 . [60] Después de eso, la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) inició el desarrollo de técnicas de reparación y nuevos enfoques de diseño para minimizar el daño a los edificios con estructura de acero resistente a momentos en futuros terremotos. [61]
Para el diseño sísmico de acero estructural basado en el enfoque de diseño de factores de carga y resistencia (LRFD), es muy importante evaluar la capacidad de una estructura para desarrollar y mantener su resistencia portante en el rango inelástico . Una medida de esta capacidad es la ductilidad , que puede observarse en un material mismo , en un elemento estructural o en toda una estructura .
Como consecuencia de la experiencia del terremoto de Northridge , el Instituto Americano de Construcción en Acero ha introducido AISC 358 "Conexiones precalificadas para estructuras de momento de acero especiales e intermedias". Las Disposiciones de diseño sísmico de AISC requieren que todos los marcos de acero resistentes a momentos empleen conexiones contenidas en AISC 358 o el uso de conexiones que hayan sido sujetas a pruebas cíclicas de precalificación. [62]
La estimación de pérdidas por terremotos generalmente se define como un índice de daños ( DR ), que es una relación entre el costo de reparación de los daños por terremoto y el valor total de un edificio. [63] La pérdida máxima probable ( PML ) es un término común utilizado para la estimación de pérdidas por terremotos, pero carece de una definición precisa. En 1999, se produjo la 'Guía estándar para la estimación de la dañosabilidad de edificios en terremotos' de la norma ASTM E2026 con el fin de estandarizar la nomenclatura para la estimación de pérdidas sísmicas, así como establecer pautas en cuanto al proceso de revisión y las calificaciones del revisor. [64]
Las estimaciones de pérdidas por terremotos también se denominan evaluaciones de riesgo sísmico . El proceso de evaluación de riesgos generalmente implica determinar la probabilidad de varios movimientos del suelo junto con la vulnerabilidad o daño del edificio bajo esos movimientos del suelo. Los resultados se definen como un porcentaje del valor de reposición del edificio. [sesenta y cinco]
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