El reacondicionamiento sísmico es la modificación de estructuras existentes para hacerlas más resistentes a la actividad sísmica , movimiento del suelo o falla del suelo debido a terremotos . Con una mejor comprensión de la demanda sísmica en las estructuras y con experiencias recientes con grandes terremotos cerca de centros urbanos, la necesidad de reacondicionamiento sísmico es bien reconocida. Antes de la introducción de códigos sísmicos modernos a fines de la década de 1960 para países desarrollados (EE. UU., Japón, etc.) y fines de la década de 1970 para muchas otras partes del mundo (Turquía, China, etc.), [1] muchas estructuras se diseñaron sin detalles y refuerzos adecuados para la protección sísmica. En vista del problema inminente, se han realizado varios trabajos de investigación. Se han publicado pautas técnicas de vanguardia para la evaluación, reacondicionamiento y rehabilitación sísmica en todo el mundo, como la ASCE-SEI 41 [2] y las pautas de la Sociedad de Ingeniería Sísmica de Nueva Zelanda (NZSEE). [3] Estos códigos deben actualizarse periódicamente; El terremoto de Northridge de 1994 , por ejemplo, puso de manifiesto la fragilidad de los marcos de acero soldados. [4]
Las técnicas de reacondicionamiento que se describen aquí también son aplicables a otros peligros naturales, como ciclones tropicales , tornados y vientos fuertes de tormentas eléctricas . Si bien la práctica actual de reacondicionamiento sísmico se centra principalmente en mejoras estructurales para reducir el riesgo sísmico de uso de las estructuras, es igualmente esencial reducir los riesgos y las pérdidas de los elementos no estructurales. También es importante tener en cuenta que no existe una estructura a prueba de terremotos, aunque el rendimiento sísmico se puede mejorar en gran medida mediante un diseño inicial adecuado o modificaciones posteriores.
En las últimas décadas se han desarrollado estrategias de rehabilitación (o reacondicionamiento) sísmico tras la introducción de nuevas disposiciones sísmicas y la disponibilidad de materiales avanzados (por ejemplo, polímeros reforzados con fibra (FRP) , hormigón reforzado con fibra y acero de alta resistencia). [5]
Recientemente se han explorado enfoques más holísticos para la modernización de edificios, incluida la modernización combinada sísmica y energética. Estas estrategias combinadas apuntan a aprovechar los ahorros de costos mediante la aplicación simultánea de intervenciones de modernización energética y fortalecimiento sísmico, mejorando así el desempeño sísmico y térmico de los edificios. [8] [9] [10]
En el pasado, la rehabilitación sísmica se aplicaba principalmente para lograr la seguridad pública, y las soluciones de ingeniería estaban limitadas por consideraciones económicas y políticas. Sin embargo, con el desarrollo de la ingeniería sísmica basada en el desempeño (PBEE), se reconocen gradualmente varios niveles de objetivos de desempeño:
Las técnicas habituales de reacondicionamiento sísmico se dividen en varias categorías:
En la última década se ha desarrollado el uso de postensado externo para nuevos sistemas estructurales. En el marco del programa de investigación conjunto a gran escala PRESS (Precast Seismic Structural Systems), [11] se han utilizado tendones de acero de alta resistencia postensados no adheridos para lograr un sistema resistente a momentos con capacidad de autocentrado. Una extensión de la misma idea para el reacondicionamiento sísmico se ha probado experimentalmente para el reacondicionamiento sísmico de puentes de California en el marco de un proyecto de investigación de Caltrans [12] y para el reacondicionamiento sísmico de marcos de hormigón armado no dúctil [13] . El preesforzado puede aumentar la capacidad de elementos estructurales como vigas, columnas y uniones viga-columna. El preesforzado externo se ha utilizado para la mejora estructural ante cargas gravitacionales o vivas desde la década de 1970 [14] .
El aislamiento de la base es una colección de elementos estructurales de un edificio que deben desacoplar sustancialmente la estructura del edificio del terreno tembloroso, protegiendo así la integridad del edificio y mejorando su rendimiento sísmico . Esta tecnología de ingeniería sísmica , que es un tipo de control de vibración sísmica , se puede aplicar tanto a un edificio de nuevo diseño como a la modernización sísmica de estructuras existentes. [15] [16] Normalmente, se realizan excavaciones alrededor del edificio y el edificio se separa de los cimientos. Las vigas de acero o de hormigón armado reemplazan las conexiones a los cimientos, mientras que debajo de estas, las almohadillas aislantes, o aisladores de base, reemplazan el material retirado. Si bien el aislamiento de la base tiende a restringir la transmisión del movimiento del suelo al edificio, también mantiene el edificio posicionado correctamente sobre los cimientos. Se requiere una cuidadosa atención a los detalles donde el edificio interactúa con el suelo, especialmente en las entradas, escaleras y rampas, para garantizar un movimiento relativo suficiente de esos elementos estructurales.
Los amortiguadores suplementarios absorben la energía del movimiento y la convierten en calor, amortiguando así los efectos resonantes en las estructuras que están unidas rígidamente al suelo. Además de añadir capacidad de disipación de energía a la estructura, la amortiguación suplementaria puede reducir la demanda de desplazamiento y aceleración dentro de las estructuras. [17] En algunos casos, la amenaza de daño no proviene del choque inicial en sí, sino más bien del movimiento resonante periódico de la estructura que induce el movimiento repetido del suelo. En el sentido práctico, los amortiguadores suplementarios actúan de manera similar a los amortiguadores utilizados en las suspensiones de automóviles .
Los amortiguadores de masa sintonizada (TMD) emplean pesos móviles sobre algún tipo de resortes. Por lo general, se emplean para reducir la oscilación del viento en edificios muy altos y livianos. Se pueden emplear diseños similares para brindar resistencia sísmica a edificios de ocho a diez pisos que son propensos a resonancias destructivas inducidas por terremotos. [18]
Un tanque de chapoteo es un gran contenedor de fluido de baja viscosidad (generalmente agua) que se puede colocar en lugares de una estructura donde los movimientos de balanceo lateral son significativos, como el techo, y se puede ajustar para contrarrestar el movimiento dinámico resonante local. Durante un evento sísmico (o eólico), el fluido en el tanque se agitará de un lado a otro con el movimiento del fluido generalmente dirigido y controlado por deflectores internos, particiones que evitan que el tanque en sí mismo resuene con la estructura, consulte Dinámica de chapoteo . La respuesta dinámica neta de la estructura general se reduce debido tanto al movimiento de masa que contrarresta, como a la disipación de energía o amortiguación de vibraciones que ocurre cuando la energía cinética del fluido se convierte en calor por los deflectores. Generalmente, el aumento de temperatura en el sistema será mínimo y se enfría pasivamente por el aire circundante. One Rincon Hill en San Francisco es un rascacielos con un tanque de chapoteo en la azotea que fue diseñado principalmente para reducir la magnitud del movimiento de balanceo lateral del viento. Un tanque de chapoteo es un amortiguador de masa ajustado pasivo . Para que resulte eficaz, la masa del líquido suele ser del orden del 1% al 5% de la masa que se está neutralizando, y a menudo esto requiere un volumen significativo de líquido. En algunos casos, estos sistemas están diseñados para funcionar también como cisternas de agua de emergencia para la extinción de incendios.
Los edificios muy altos (" rascacielos "), cuando se construyen con materiales modernos y livianos, pueden balancearse de manera incómoda (pero no peligrosa) en ciertas condiciones de viento. Una solución a este problema es incluir en algún piso superior una gran masa, restringida, pero libre de moverse dentro de un rango limitado, y que se mueve sobre algún tipo de sistema de soporte como un colchón de aire o una película hidráulica. Los pistones hidráulicos , impulsados por bombas eléctricas y acumuladores, se impulsan activamente para contrarrestar las fuerzas del viento y las resonancias naturales. Estos también pueden, si se diseñan adecuadamente, ser efectivos para controlar el movimiento excesivo, con o sin energía aplicada, en un terremoto. En general, sin embargo, los edificios altos con estructura de acero modernos no están tan sujetos a movimientos peligrosos como los edificios de altura media (de ocho a diez pisos ), ya que el período de resonancia de un edificio alto y masivo es más largo que las sacudidas de aproximadamente un segundo aplicadas por un terremoto.
La forma más común de reacondicionamiento sísmico para edificios de menor altura es agregarle resistencia a la estructura existente para que resista las fuerzas sísmicas. El reforzamiento puede limitarse a las conexiones entre los elementos del edificio existentes o puede implicar agregar elementos de resistencia primarios, como paredes o marcos, particularmente en los pisos inferiores. Las medidas de reacondicionamiento comunes para edificios de mampostería no reforzada en el oeste de los Estados Unidos incluyen la adición de marcos de acero, la adición de paredes de hormigón armado y, en algunos casos, la adición de aislamiento de base.
Con frecuencia, las ampliaciones de edificios no se conectan firmemente a la estructura existente, sino que simplemente se colocan adyacentes a ella, con solo una continuidad menor en el piso, el revestimiento y el techo. Como resultado, la ampliación puede tener un período de resonancia diferente al de la estructura original y pueden separarse fácilmente entre sí. El movimiento relativo hará que las dos partes colisionen, lo que provocará graves daños estructurales. La modificación sísmica unirá rígidamente los dos componentes del edificio para que se comporten como una sola masa o empleará amortiguadores para gastar la energía del movimiento relativo, con el margen adecuado para este movimiento, como un mayor espaciamiento y puentes deslizantes entre las secciones.
Los edificios históricos, construidos con mampostería no reforzada, pueden tener detalles interiores o murales de importancia cultural que no deben alterarse. En este caso, la solución puede ser agregar una serie de columnas de acero, hormigón armado u hormigón postensado al exterior. Se debe prestar especial atención a las conexiones con otros elementos, como zapatas, placas superiores y cerchas del techo.
Aquí se muestra un refuerzo de corte exterior de un edificio de dormitorios de hormigón armado convencional. En este caso, había suficiente resistencia vertical en las columnas del edificio y suficiente resistencia de corte en los pisos inferiores, por lo que solo se necesitó un refuerzo de corte limitado para hacerlo resistente a los terremotos en esta ubicación cerca de la falla de Hayward .
En otras circunstancias, se requiere un refuerzo mucho mayor. En la estructura que se muestra a la derecha (un aparcamiento sobre tiendas), la colocación, los detalles y la pintura del refuerzo se convierten en un elemento decorativo arquitectónico.
Este modo de colapso se conoce como colapso de piso blando . En muchos edificios, el nivel del suelo está diseñado para usos diferentes a los de los niveles superiores. Las estructuras residenciales de poca altura pueden construirse sobre un estacionamiento que tenga puertas grandes en un lado. Los hoteles pueden tener una planta baja alta para permitir una gran entrada o salones de baile. Los edificios de oficinas pueden tener tiendas minoristas en la planta baja con escaparates continuos .
El diseño sísmico tradicional supone que los pisos inferiores de un edificio son más resistentes que los pisos superiores; cuando no es así (si el piso inferior es menos resistente que la estructura superior), la estructura no responderá a los terremotos de la manera esperada [ aclaración necesaria ] . Con los métodos de diseño modernos, es posible tener en cuenta un piso inferior débil. Varias fallas de este tipo en un gran complejo de apartamentos causaron la mayoría de las muertes en el terremoto de Northridge de 1994 .
Por lo general, cuando se encuentra este tipo de problema, se refuerza el piso débil para hacerlo más fuerte que los pisos superiores mediante la adición de muros de corte o marcos resistentes al momento. Los marcos resistentes al momento que consisten en vigas en U invertidas son útiles para preservar el acceso al garaje del piso inferior, mientras que una solución de menor costo puede ser el uso de muros de corte o cerchas en varias ubicaciones, que reducen parcialmente la utilidad para el estacionamiento de automóviles pero aún permiten que el espacio se use para otro tipo de almacenamiento.
Las uniones entre vigas y columnas son una debilidad estructural común en el tratamiento de las reformas sísmicas. Antes de la introducción de los códigos sísmicos modernos a principios de los años 1970, las uniones entre vigas y columnas no solían diseñarse ni diseñarse. Las pruebas de laboratorio han confirmado la vulnerabilidad sísmica de estas uniones mal detalladas y mal diseñadas. [19] [20] [21] [22] La falla de las uniones entre vigas y columnas puede provocar típicamente un colapso catastrófico de un edificio de estructura, como se observó a menudo en terremotos recientes [23] [24]
Para las uniones de vigas y columnas de hormigón armado, se han propuesto y probado varias soluciones de reacondicionamiento en los últimos 20 años. Filosóficamente, las diversas estrategias de reacondicionamiento sísmico discutidas anteriormente se pueden implementar para las uniones de hormigón armado. El revestimiento de hormigón o acero ha sido una técnica de reacondicionamiento popular hasta la llegada de materiales compuestos como el polímero reforzado con fibra de carbono (FRP). Los materiales compuestos como el FRP de carbono y el FRP arámico se han probado ampliamente para su uso en reacondicionamiento sísmico con cierto éxito. [25] [26] [27] Una técnica novedosa incluye el uso de debilitamiento selectivo de la viga y postensado externo agregado a la unión [28] para lograr una articulación de flexión en la viga, que es más deseable en términos de diseño sísmico.
Por ejemplo, las fallas generalizadas de las soldaduras en las uniones de vigas y columnas de edificios de acero de altura baja a media durante el terremoto de Northridge de 1994 han demostrado las deficiencias estructurales de estas conexiones soldadas resistentes a momentos "de diseño moderno" posteriores a la década de 1970. [29] Un proyecto de investigación posterior de SAC [4] ha documentado, probado y propuesto varias soluciones de modernización para estas conexiones de acero soldadas resistentes a momentos. Se han desarrollado varias soluciones de modernización para estas uniones soldadas, como a) refuerzo de la soldadura y b) adición de un refuerzo de acero o una brida en forma de "hueso de perro". [30]
Después del terremoto de Northridge, se descubrió que varios edificios con armazón de acero habían sufrido fracturas frágiles en las uniones de las vigas con las columnas. El descubrimiento de estas fracturas frágiles inesperadas en las uniones de los armazones alarmó a los ingenieros y a la industria de la construcción. A partir de la década de 1960, los ingenieros comenzaron a considerar que los edificios con armazón de acero soldado estaban entre los sistemas más dúctiles incluidos en el código de construcción. Muchos ingenieros creían que los edificios con armazón de acero eran esencialmente invulnerables a los daños inducidos por terremotos y pensaban que, en caso de producirse, se limitarían a la fluencia dúctil de los miembros y las uniones. La observación de los daños sufridos por los edificios en el terremoto de Northridge de 1994 indicó que, contrariamente al comportamiento previsto, en muchos casos las fracturas frágiles se iniciaron dentro de las uniones a niveles muy bajos de demanda plástica. En septiembre de 1994, la empresa conjunta SAC, AISC, AISI y NIST convocaron conjuntamente un taller internacional en Los Ángeles para coordinar los esfuerzos de varios participantes y sentar las bases para la investigación sistemática y la resolución del problema. En septiembre de 1995, la empresa conjunta SAC celebró un acuerdo contractual con FEMA para llevar a cabo la Fase II del proyecto SAC Steel. En el marco de la Fase II, SAC continuó su amplio estudio centrado en problemas sobre el rendimiento de los marcos y conexiones de acero resistentes a momentos de diversas configuraciones, con el objetivo final de desarrollar criterios de diseño sísmico para la construcción de acero. Como resultado de estos estudios, ahora se sabe que el detalle típico de la conexión resistente a momentos empleado en la construcción de marcos de acero resistentes a momentos antes del terremoto de Northridge de 1994 tenía una serie de características que lo hacían inherentemente susceptible a la fractura frágil. [31]
Los pisos de los edificios de madera suelen construirse sobre tramos de madera relativamente profundos, llamados viguetas , cubiertos con un entablado de madera diagonal o madera contrachapada para formar un contrapiso sobre el que se coloca la superficie del piso terminado. En muchas estructuras, todos estos están alineados en la misma dirección. Para evitar que las vigas se vuelquen hacia un lado, se utilizan bloques en cada extremo y, para mayor rigidez, se pueden colocar bloques o refuerzos diagonales de madera o metal entre las vigas en uno o más puntos de sus tramos. En el borde exterior, es típico utilizar una sola profundidad de bloques y una viga perimetral en general.
Si el bloqueo o el clavado son inadecuados, cada viga puede quedar plana por las fuerzas de corte aplicadas al edificio. En esta posición, carecen de la mayor parte de su resistencia original y la estructura puede derrumbarse aún más. Como parte de una modernización, el bloqueo puede duplicarse, especialmente en los bordes exteriores del edificio. Puede ser adecuado agregar clavos adicionales entre la placa del umbral del muro perimetral erigido sobre el diafragma del piso, aunque esto requerirá exponer la placa del umbral quitando el yeso interior o el revestimiento exterior. Como la placa del umbral puede ser bastante vieja y seca y se deben usar clavos fuertes, puede ser necesario perforar previamente un orificio para el clavo en la madera vieja para evitar que se parta. Cuando se abre la pared para este propósito, también puede ser adecuado unir los elementos verticales de la pared a la base utilizando conectores especiales y pernos pegados con cemento epoxi en los orificios perforados en la base.
Las estructuras domésticas de uno o dos pisos con estructura de madera construidas sobre una base perimetral o de losa son relativamente seguras en caso de terremoto, pero en muchas estructuras construidas antes de 1950, la placa de umbral que se encuentra entre la base de hormigón y el diafragma del piso (base perimetral) o el muro de montantes (base de losa) puede no estar bien atornillada. Además, los accesorios más antiguos (sin una protección contra la corrosión sustancial) pueden haberse corroído hasta un punto de debilidad. Un choque lateral puede hacer que el edificio se deslice completamente fuera de la base o la losa.
A menudo, estos edificios, especialmente si se construyen en una pendiente moderada, se erigen sobre una plataforma conectada a una base perimetral a través de muros bajos con montantes llamados "muro de contención" o " pin-up" . Esta estructura de muro bajo puede fallar en sí misma en corte o en sus conexiones consigo misma en las esquinas, lo que hace que el edificio se mueva en diagonal y colapse los muros bajos. La probabilidad de falla del pin-up se puede reducir asegurándose de que las esquinas estén bien reforzadas en corte y que los paneles de corte estén bien conectados entre sí a través de los postes de las esquinas. Esto requiere madera contrachapada de calidad estructural, a menudo tratada para resistir la putrefacción. Este tipo de madera contrachapada se fabrica sin nudos interiores sin rellenar y con más capas, más delgadas que la madera contrachapada común. Los edificios nuevos diseñados para resistir terremotos generalmente usarán OSB ( tablero de virutas orientadas ), a veces con uniones metálicas entre los paneles y con una cubierta de estuco bien adherida para mejorar su rendimiento. En muchas casas adosadas modernas, especialmente las construidas sobre suelos expansivos (arcillosos), el edificio se construye sobre una sola losa monolítica relativamente gruesa, que se mantiene en una sola pieza mediante varillas de alta resistencia que se tensan después de que la losa ha fraguado. Este postensado somete al hormigón a compresión, una condición en la que es extremadamente resistente a la flexión y, por lo tanto, no se agrietará en condiciones adversas del suelo.
Algunas estructuras antiguas de bajo costo se elevan sobre pilones de hormigón cónicos colocados en fosos poco profundos, un método que se utiliza con frecuencia para unir cubiertas exteriores a edificios existentes. Esto se observa en condiciones de suelo húmedo, especialmente en condiciones tropicales, ya que deja un espacio seco y ventilado debajo de la casa, y en condiciones de permafrost (barro congelado) en el extremo norte, ya que evita que el calor del edificio desestabilice el suelo debajo. Durante un terremoto, los pilones pueden volcarse, derramando el edificio al suelo. Esto se puede superar utilizando agujeros profundos para contener pilones reforzados moldeados en el lugar, que luego se aseguran al panel del piso en las esquinas del edificio. Otra técnica es agregar suficientes arriostramientos diagonales o secciones de muro de corte de hormigón entre los pilones.
Las columnas de hormigón armado suelen contener barras de refuerzo verticales de gran diámetro dispuestas en forma de anillo, rodeadas de aros de barras de refuerzo de menor calibre. Tras el análisis de las fallas provocadas por los terremotos, se ha llegado a la conclusión de que la debilidad no se encontraba en las barras verticales, sino en la resistencia y la cantidad inadecuadas de los aros. Una vez que se rompe la integridad de los aros, las barras de refuerzo verticales pueden flexionarse hacia afuera, lo que genera tensión en la columna central de hormigón. El hormigón entonces simplemente se desmorona en pequeños pedazos, que ya no están sujetos a las restricciones de las barras de refuerzo circundantes. En las construcciones nuevas se utiliza una mayor cantidad de estructuras de tipo aro.
Una modificación sencilla consiste en rodear la columna con una camisa de placas de acero formadas y soldadas para formar un solo cilindro. A continuación, el espacio entre la camisa y la columna se rellena con hormigón, un proceso denominado lechado. Cuando las condiciones del suelo o de la estructura requieren una modificación adicional, se pueden colocar pilotes adicionales cerca de la base de la columna y se fabrican losas de hormigón que unen los pilotes al pilono a nivel del suelo o por debajo de él. En el ejemplo que se muestra, no fue necesario modificar todas las columnas para obtener la resistencia sísmica suficiente para las condiciones previstas. (Esta ubicación está a aproximadamente una milla de la zona de falla de Hayward ).
Los muros de hormigón se utilizan a menudo en la transición entre el relleno de la carretera elevada y las estructuras del paso elevado. El muro se utiliza tanto para retener el suelo y permitir así el uso de un tramo más corto como para transferir el peso del tramo directamente hacia abajo, a las zapatas en el suelo intacto. Si estos muros son inadecuados, pueden desmoronarse bajo la tensión del movimiento del suelo inducido por un terremoto.
Una forma de modernización consiste en perforar numerosos agujeros en la superficie de la pared y fijar secciones cortas de varilla de refuerzo en forma de L a la superficie de cada agujero con adhesivo epoxi . A continuación, se fijan varillas de refuerzo verticales y horizontales adicionales a los nuevos elementos, se levanta un encofrado y se vierte una capa adicional de hormigón. Esta modificación se puede combinar con zapatas adicionales en zanjas excavadas y vigas de apoyo y tirantes adicionales para mantener el tramo en los muros delimitadores.
En las estructuras de mampostería, las estructuras de los edificios de ladrillo se han reforzado con revestimientos de fibra de vidrio y resinas adecuadas (epoxi o poliéster). En los pisos inferiores, estos revestimientos se pueden aplicar sobre superficies expuestas completas, mientras que en los pisos superiores se pueden limitar a áreas estrechas alrededor de las aberturas de ventanas y puertas. Esta aplicación proporciona resistencia a la tracción que endurece la pared para que no se doble hacia afuera del lado en el que se ha aplicado. La protección eficaz de un edificio completo requiere un análisis e ingeniería exhaustivos para determinar las ubicaciones adecuadas que se deben tratar.
En los edificios de hormigón armado, los muros de relleno de mampostería se consideran elementos no estructurales, pero los daños en los muros de relleno pueden generar grandes costos de reparación y cambiar el comportamiento de una estructura, llegando incluso a provocar los fallos por cortante en pisos blandos o en uniones viga-columna antes mencionados. El fallo local de los paneles de relleno debido a mecanismos dentro y fuera del plano, pero también debido a su combinación, puede provocar una caída repentina de la capacidad y, por lo tanto, causar un fallo frágil global de la estructura. Incluso en terremotos de menor intensidad, los daños en los marcos de relleno pueden generar grandes pérdidas económicas y de vidas humanas. [32]
Para evitar daños y fallas en el relleno de mampostería, las estrategias de reacondicionamiento típicas apuntan a reforzar los rellenos y proporcionar una conexión adecuada al marco. Los ejemplos de técnicas de reacondicionamiento para rellenos de mampostería incluyen yesos reforzados con acero, [33] [34] compuestos cementicios diseñados , [35] [36] polímeros reforzados con fibra de capas delgadas (FRP), [37] [38] y, más recientemente, también morteros reforzados con textiles (TRM). [39] [40]
Cuando un suelo aluvial húmedo o poco consolidado se interconecta con un material firme subyacente en una estructura "similar a una playa", las ondas sísmicas que viajan a través del aluvión pueden amplificarse, al igual que las ondas de agua contra una playa en pendiente . En estas condiciones especiales, se han medido aceleraciones verticales de hasta el doble de la fuerza de la gravedad. Si un edificio no está asegurado a una base bien incrustada, es posible que el edificio sea empujado desde (o con) sus bases hacia el aire, generalmente con graves daños al aterrizar. Incluso si está bien cimiento, las partes más altas, como los pisos superiores o las estructuras del techo o las estructuras adjuntas, como marquesinas y porches, pueden desprenderse de la estructura principal.
Las buenas prácticas en las estructuras modernas resistentes a los terremotos dictan que debe haber buenas conexiones verticales en todos los componentes del edificio, desde la tierra no alterada o artificial hasta los cimientos, la placa del umbral, los montantes verticales y la tapa de la placa a través de cada piso y continuando hasta la estructura del techo. Por encima de los cimientos y la placa del umbral, las conexiones se realizan típicamente utilizando correas de acero o estampados de chapa, clavados a los miembros de madera con clavos especiales endurecidos de alta resistencia al corte y estampados de ángulos pesados asegurados con pernos pasantes, utilizando arandelas grandes para evitar que se atraviesen. Cuando se proporcionan pernos inadecuados entre las placas del umbral y una base en la construcción existente (o no se confía en ellos debido a la posible corrosión), se pueden agregar placas de sujeción especiales, cada una de las cuales se asegura a la base utilizando pernos de expansión insertados en orificios perforados en una cara expuesta del hormigón. Luego, se deben asegurar otros miembros a las placas del umbral con accesorios adicionales.
Una de las reformas más difíciles es la que se requiere para prevenir daños debidos a fallas del suelo. Las fallas del suelo pueden ocurrir en una pendiente, una falla de pendiente o un deslizamiento de tierra , o en un área plana debido a la licuefacción de arena y/o lodo saturado de agua. Generalmente, los pilotes profundos deben colocarse en un suelo estable (normalmente barro o arena duros) o en el lecho de roca subyacente o se debe estabilizar la pendiente. En el caso de los edificios construidos sobre deslizamientos de tierra anteriores, la viabilidad de la reforma puede verse limitada por factores económicos, ya que no es práctico estabilizar un deslizamiento de tierra grande y profundo. La probabilidad de deslizamiento de tierra o falla del suelo también puede depender de factores estacionales, ya que el suelo puede ser más estable al comienzo de una estación húmeda que al comienzo de la estación seca. Este clima mediterráneo de "dos estaciones" se observa en toda California .
En algunos casos, lo mejor que se puede hacer es reducir la entrada de agua de escorrentía desde elevaciones más altas y estables mediante la captura y derivación a través de canales o tuberías, y drenar el agua infiltrada directamente y desde manantiales subterráneos mediante la inserción de tubos perforados horizontales. Hay numerosos lugares en California donde se han construido grandes desarrollos sobre deslizamientos de tierra arcaicos, que no se han movido en tiempos históricos pero que (si están saturados de agua y sacudidos por un terremoto) tienen una alta probabilidad de moverse en masa , arrastrando secciones enteras de desarrollo suburbano a nuevas ubicaciones. Si bien las estructuras de vivienda más modernas (bien sujetas a losas de cimentación de hormigón monolítico reforzadas con cables postensados) pueden sobrevivir a tal movimiento en gran medida intactas, el edificio ya no estará en su ubicación adecuada.
Las tuberías de suministro de gas natural y propano a las estructuras suelen resultar especialmente peligrosas durante y después de los terremotos. Si un edificio se mueve de sus cimientos o se derrumba debido al derrumbe de un muro de contención, las tuberías de hierro dúctil que transportan el gas dentro de la estructura pueden romperse, generalmente en la ubicación de las juntas roscadas. El gas puede entonces seguir alimentándose al regulador de presión desde líneas de mayor presión y, por lo tanto, seguir fluyendo en cantidades importantes; luego puede encenderse por una fuente cercana, como una llama piloto encendida o una conexión eléctrica con arco eléctrico.
Hay dos métodos principales para restringir automáticamente el flujo de gas después de un terremoto, instalados en el lado de baja presión del regulador y generalmente aguas abajo del medidor de gas.
Parece que la configuración más segura sería utilizar uno de cada uno de estos dispositivos en serie.
A menos que el túnel penetre en una falla que pueda provocar deslizamientos, el mayor peligro para los túneles es que un deslizamiento de tierra bloquee la entrada. Se puede aplicar protección adicional alrededor de la entrada para desviar cualquier material que caiga (de manera similar a como se hace para desviar avalanchas de nieve ) o se puede estabilizar de alguna manera la pendiente sobre el túnel. Cuando se espera que solo caigan rocas y cantos rodados de tamaño pequeño a mediano, se puede cubrir toda la pendiente con una malla de alambre, fijada a la pendiente con varillas de metal. Esta también es una modificación común en los cortes de carreteras cuando existen las condiciones adecuadas.
La seguridad de los tubos submarinos depende en gran medida de las condiciones del suelo a través del cual se construyó el túnel, de los materiales y refuerzos utilizados, del sismo máximo previsto y de otros factores, algunos de los cuales pueden permanecer desconocidos según los conocimientos actuales.
Un tubo de particular interés estructural, sísmico, económico y político es el tubo transbahía BART (Bay Area Rapid Transit) . Este tubo se construyó en el fondo de la bahía de San Francisco mediante un proceso innovador. En lugar de empujar un escudo a través del lodo blando de la bahía, el tubo se construyó en tierra en secciones. Cada sección constaba de dos túneles ferroviarios interiores de sección transversal circular, un túnel de acceso central de sección transversal rectangular y una carcasa ovalada exterior que abarcaba los tres tubos interiores. El espacio intermedio se rellenó con hormigón. En el fondo de la bahía se excavó una zanja y se preparó un lecho plano de piedra triturada para recibir las secciones del tubo. Luego, las secciones se colocaron flotando en su lugar y se hundieron, y luego se unieron con conexiones atornilladas a las secciones colocadas previamente. Luego se colocó un relleno sobre el tubo para sujetarlo. Una vez completado desde San Francisco hasta Oakland, se instalaron las vías y los componentes eléctricos. La respuesta prevista del tubo durante un gran terremoto se comparó con la de una tira de espaguetis (cocidos) en un tazón de postre de gelatina . Para evitar sobrecargar el tubo debido a los movimientos diferenciales en cada extremo, se incluyó una junta deslizante en la terminal de San Francisco debajo del emblemático Ferry Building .
Los ingenieros del consorcio constructor PBTB (Parsons Brinckerhoff-Tudor-Bechtel) utilizaron las mejores estimaciones de movimiento del terreno disponibles en ese momento, que ahora se sabe que son insuficientes dados los métodos de análisis computacional modernos y el conocimiento geotécnico. El asentamiento inesperado del tubo ha reducido la cantidad de deslizamiento que se puede acomodar sin fallar. Estos factores han dado como resultado que la junta deslizante se haya diseñado demasiado corta para garantizar la supervivencia del tubo ante posibles (quizás incluso probables) grandes terremotos en la región. Para corregir esta deficiencia, la junta deslizante debe extenderse para permitir un movimiento adicional, una modificación que se espera que sea costosa y técnica y logísticamente difícil. Otras modificaciones al tubo BART incluyen la consolidación vibratoria del sobrellenado del tubo para evitar la posible licuefacción del sobrellenado, que ahora se ha completado. (Si el sobrellenado falla, existe el peligro de que partes del tubo se eleven desde el fondo, un evento que podría causar potencialmente la falla de las conexiones de la sección).
Los puentes tienen varios modos de falla.
Muchos tramos cortos de puentes están anclados estáticamente en un extremo y unidos a balancines en el otro. Este balancín proporciona soporte vertical y transversal al mismo tiempo que permite que el tramo del puente se expanda y contraiga con los cambios de temperatura. El cambio en la longitud del tramo se acomoda sobre un espacio en la calzada mediante juntas de expansión en forma de peine . Durante un movimiento severo del suelo, los balancines pueden saltar de sus rieles o moverse más allá de sus límites de diseño, lo que hace que el puente se desplace de su punto de reposo y luego se desalinee o falle por completo. El movimiento se puede restringir agregando restricciones de acero dúctil o de alta resistencia que se sujetan por fricción a las vigas y están diseñadas para deslizarse bajo una tensión extrema mientras aún limitan el movimiento en relación con el anclaje.
Los puentes colgantes pueden responder a los terremotos con un movimiento lateral superior al previsto para la respuesta a las ráfagas de viento. Este movimiento puede provocar la fragmentación de la superficie de la carretera, daños en los apoyos y deformación plástica o rotura de los componentes. Se pueden añadir dispositivos como amortiguadores hidráulicos o conexiones deslizantes con abrazaderas y refuerzos diagonales adicionales.
Las vigas de celosía constan de dos vigas en "I" conectadas con una celosía entrecruzada de correas planas o perfiles angulares. Se pueden reforzar en gran medida reemplazando la celosía abierta con elementos de placa. Esto se hace generalmente junto con el reemplazo de remaches calientes por pernos.
Muchas estructuras antiguas se fabricaban insertando remaches al rojo vivo en agujeros previamente perforados; luego, los remaches blandos se martillaban con un martillo neumático en un lado y una barra de tronzado en el extremo de la cabeza. A medida que se enfrían lentamente, quedan en un estado recocido (blando), mientras que la placa, que se ha laminado en caliente y templado durante la fabricación, permanece relativamente dura. Bajo una tensión extrema, las placas duras pueden cortar los remaches blandos, lo que provoca la falla de la unión.
La solución es quemar cada remache con un soplete de oxígeno . Luego, se prepara el orificio con un diámetro preciso con un escariador . Se inserta un perno localizador especial , que consta de una cabeza, un eje que coincide con el orificio escariado y un extremo roscado y se sujeta con una tuerca, luego se aprieta con una llave . Como el perno se ha formado a partir de una aleación adecuada de alta resistencia y también se ha tratado térmicamente, no está sujeto ni a la falla plástica por cizallamiento típica de los remaches calientes ni a la fractura frágil de los pernos comunes. Cualquier falla parcial se producirá en el flujo plástico del metal asegurado por el perno; con una ingeniería adecuada, cualquier falla de este tipo no debería ser catastrófica.
Las carreteras elevadas se construyen normalmente sobre secciones de relleno de tierra elevado conectadas con segmentos similares a puentes, a menudo sostenidos por columnas verticales. Si el suelo falla en el punto donde termina un puente, este puede desconectarse del resto de la carretera y romperse. La modernización para esto consiste en agregar refuerzo adicional a cualquier pared de soporte o agregar cajones profundos adyacentes al borde en cada extremo y conectarlos con una viga de soporte debajo del puente.
Otra falla ocurre cuando el relleno en cada extremo se mueve (por efectos de resonancia) en masa, en direcciones opuestas. Si no hay suficiente plataforma de cimentación para el paso elevado, entonces puede caerse. Se pueden agregar plataformas adicionales y tirantes dúctiles para unir el paso elevado a las zapatas en uno o ambos extremos. Los tirantes, en lugar de estar fijados a las vigas, pueden estar sujetos a ellas con abrazaderas. Bajo una carga moderada, estos mantienen el paso elevado centrado en el hueco de modo que es menos probable que se deslice fuera de su plataforma de cimentación en un extremo. La capacidad de los extremos fijos de deslizarse, en lugar de romperse, evitará la caída completa de la estructura si no logra permanecer sobre las zapatas.
Grandes secciones de la carretera pueden consistir completamente en viaductos, secciones sin conexión a tierra más que a través de columnas verticales. Cuando se utilizan columnas de hormigón, el detalle es crítico. Una falla típica puede ser el derrumbe de una fila de columnas debido a una falla en la conexión al suelo o a una envoltura cilíndrica insuficiente con varillas de refuerzo. Ambas fallas se observaron en el Gran terremoto de Hanshin de 1995 en Kobe, Japón , donde un viaducto completo, sostenido centralmente por una sola fila de columnas grandes, se derrumbó a un lado. Dichas columnas se refuerzan excavando hasta la losa de cimentación, colocando pilotes adicionales y agregando una nueva losa más grande, bien conectada con varillas de refuerzo a lo largo o dentro de la columna. Una columna con una barra de envoltura insuficiente, que es propensa a estallar y luego articularse en el punto de estallido, puede estar completamente revestida en una cubierta circular o elíptica de chapa de acero soldada y lechada como se describió anteriormente.
A veces, los viaductos pueden fallar en las conexiones entre los componentes. Esto se vio en la falla de la autopista Cypress en Oakland, California , durante el terremoto de Loma Prieta . Este viaducto era una estructura de dos niveles, y las partes superiores de las columnas no estaban bien conectadas a las partes inferiores que sostenían el nivel inferior; esto provocó que la plataforma superior colapsara sobre la plataforma inferior. Las conexiones débiles como estas requieren un revestimiento externo adicional, ya sea a través de componentes externos de acero o mediante un revestimiento completo de hormigón armado, a menudo utilizando conexiones de tocones que se pegan (usando adhesivo epoxi ) en numerosos orificios perforados. Luego, estos tocones se conectan a envolturas adicionales, se erigen encofrados externos (que pueden ser temporales o permanentes) y se vierte hormigón adicional en el espacio. Las estructuras conectadas de gran tamaño similares al viaducto Cypress también deben analizarse adecuadamente en su totalidad mediante simulaciones dinámicas por computadora.
Las fuerzas laterales causan la mayoría de los daños causados por los terremotos. La fijación con pernos del durmiente a los cimientos y la aplicación de madera contrachapada para encoger los muros son algunas técnicas básicas de reacondicionamiento que los propietarios de viviendas pueden aplicar a las estructuras residenciales con estructura de madera para mitigar los efectos de la actividad sísmica. La ciudad de San Leandro creó pautas para estos procedimientos, como se describe en el siguiente folleto. La concienciación y la iniciativa públicas son fundamentales para el reacondicionamiento y la conservación del parque de edificios existente, y esfuerzos como los de la Asociación de Gobiernos del Área de la Bahía son fundamentales para proporcionar recursos informativos a las comunidades con actividad sísmica.
La mayoría de las casas en Norteamérica son estructuras con armazón de madera. La madera es uno de los mejores materiales para la construcción resistente a los terremotos, ya que es liviana y más flexible que la mampostería. Es fácil trabajar con ella y es menos costosa que el acero, la mampostería o el hormigón. En las casas más antiguas, las debilidades más significativas son la conexión de las paredes con armazón de madera a los cimientos y los "muros bajos" relativamente débiles. (Los muros bajos son los muros de madera cortos que se extienden desde la parte superior de los cimientos hasta el nivel del piso más bajo en las casas que tienen pisos elevados). Agregar conexiones desde la base de la estructura con armazón de madera a los cimientos es casi siempre una parte importante de una modernización sísmica. El apuntalamiento de los muros bajos para resistir las fuerzas laterales es esencial en las casas con muros bajos; el apuntalamiento generalmente se realiza con madera contrachapada . Los tableros de virutas orientadas (OSB) no funcionan de manera tan consistente como la madera contrachapada y no son la opción favorita de los diseñadores o instaladores de modernizaciones.
Los métodos de modernización en estructuras con estructura de madera más antiguas pueden consistir en lo siguiente y otros métodos no descritos aquí.
La estructura de madera es eficiente cuando se combina con mampostería, si la estructura está diseñada adecuadamente. En Turquía, las casas tradicionales (bagdadi) se construyen con esta tecnología. En El Salvador , se utiliza madera y bambú para la construcción residencial.
En muchas partes de países en desarrollo, como Pakistán, Irán y China, la mampostería no reforzada o, en algunos casos, reforzada es la forma predominante de las estructuras de viviendas y residencias rurales. La mampostería también fue una forma de construcción común a principios del siglo XX, lo que implica que una cantidad sustancial de estas estructuras de mampostería en riesgo tendrían un valor patrimonial significativo. Los muros de mampostería que no están reforzados son especialmente peligrosos. Estas estructuras pueden ser más apropiadas para la sustitución que para la modernización, pero si los muros son los principales elementos de soporte de carga en estructuras de tamaño modesto, pueden reforzarse adecuadamente. Es especialmente importante que las vigas del piso y del techo estén firmemente sujetas a los muros. Se pueden agregar soportes verticales adicionales en forma de acero u hormigón armado.
En el oeste de los Estados Unidos, gran parte de lo que se considera mampostería es en realidad ladrillo o revestimiento de piedra. Las normas de construcción actuales dictan la cantidad de amarres necesarios, que consisten en correas de metal aseguradas a elementos estructurales verticales. Estas correas se extienden dentro de las hiladas de mortero, asegurando el revestimiento a la estructura principal. Las estructuras más antiguas pueden no asegurar esto lo suficiente para la seguridad sísmica. Un revestimiento débilmente asegurado en el interior de una casa (a veces utilizado para revestir una chimenea desde el piso hasta el techo) puede ser especialmente peligroso para los ocupantes. Las chimeneas de mampostería antiguas también son peligrosas si tienen una extensión vertical sustancial por encima del techo. Estas son propensas a romperse en la línea del techo y pueden caer dentro de la casa en una sola pieza grande. Para la modernización, se pueden agregar soportes adicionales; sin embargo, es extremadamente costoso reforzar una chimenea de mampostería existente para cumplir con los estándares de diseño contemporáneos. Es mejor simplemente quitar la extensión y reemplazarla con materiales más livianos, con un conducto de metal especial reemplazando la loseta del conducto y una estructura de madera reemplazando la mampostería. Esto se puede combinar con el ladrillo existente utilizando una chapa muy fina (similar a una baldosa, pero con la apariencia de un ladrillo).