La modernización sísmica es la modificación de estructuras existentes para hacerlas más resistentes a la actividad sísmica , el movimiento del suelo o la 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 los centros urbanos, se reconoce ampliamente la necesidad de modernización sísmica. Antes de la introducción de códigos sísmicos modernos a finales de los años 1960 para los países desarrollados (EE.UU., Japón, etc.) y finales de los años 1970 para muchas otras partes del mundo (Turquía, China, etc.), [1] muchas estructuras se diseñaron sin los detalles adecuados. y refuerzo para protección sísmica. Ante el inminente problema se han realizado diversos trabajos de investigación. Se han publicado en todo el mundo directrices técnicas de última generación para evaluación, modernización y rehabilitación sísmica, como la ASCE-SEI 41 [2] y las directrices de la Sociedad Neozelandesa de Ingeniería Sísmica (NZSEE). [3] Estos códigos deben actualizarse periódicamente; El terremoto de Northridge de 1994 sacó a la luz, por ejemplo, la fragilidad de las estructuras de acero soldadas. [4]
Las técnicas de modernización descritas aquí también son aplicables a otros peligros naturales como ciclones tropicales , tornados y vientos fuertes provenientes de tormentas eléctricas . Si bien la práctica actual de modernización sísmica se ocupa predominantemente de mejoras estructurales para reducir el riesgo sísmico del uso de las estructuras, es igualmente esencial reducir los riesgos y pérdidas de 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 modernización (o rehabilitación) sísmica tras la introducción de nuevas disposiciones sísmicas y la disponibilidad de materiales avanzados (por ejemplo, polímeros reforzados con fibras (FRP) , hormigón reforzado con fibras y acero de alta resistencia). [5]
Recientemente se están explorando enfoques más holísticos para la modernización de edificios, incluida la modernización combinada sísmica y energética. Estas estrategias combinadas tienen como objetivo aprovechar el ahorro de costos mediante la aplicación de intervenciones de modernización energética y fortalecimiento sísmico al mismo tiempo, mejorando así el rendimiento sísmico y térmico de los edificios. [8] [9] [10]
En el pasado, la modernización 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 comunes de modernización sísmica 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 PRESS (Precast Seismic Structural Systems), [11] un programa de investigación conjunto a gran escala de Estados Unidos y Japón, se han utilizado tendones de acero de alta resistencia postensados no adheridos para lograr un sistema resistente a momentos que tiene capacidad de autocentrado. Se ha probado experimentalmente una extensión de la misma idea para la modernización sísmica de puentes de California en el marco de un proyecto de investigación de Caltrans [12] y para la modernización sísmica de pórticos de hormigón armado no dúctil. [13] El pretensado puede aumentar la capacidad de elementos estructurales como vigas, columnas y uniones viga-columna. El pretensado externo se ha utilizado para mejoras estructurales para cargas vivas/por gravedad 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 desempeño sísmico . Esta tecnología de ingeniería sísmica , que es un tipo de control de vibraciones sísmicas , se puede aplicar tanto a un edificio de nuevo diseño como a la mejora sísmica de estructuras existentes. [15] [16] Normalmente, las excavaciones se realizan alrededor del edificio y el edificio se separa de los cimientos. Vigas de acero u 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 en la posición adecuada sobre los cimientos. Se requiere atención cuidadosa a los detalles donde el edificio interactúa con el suelo, especialmente en las entradas, escaleras y rampas, para asegurar 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 estructuras que están rígidamente unidas al suelo. Además de agregar 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 impacto 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 sintonizados (TMD) emplean pesos móviles sobre algún tipo de resorte. Por lo general, se emplean para reducir la influencia del viento en edificios muy altos y livianos. Se pueden emplear diseños similares para impartir resistencia a terremotos en edificios de ocho a diez pisos que son propensos a resonancias destructivas inducidas por terremotos. [18]
Un tanque de chapoteo es un recipiente grande de fluido de baja viscosidad (generalmente agua) que puede colocarse en lugares de una estructura donde los movimientos de balanceo laterales son significativos, como el techo, y ajustarse para contrarrestar el movimiento dinámico resonante local. Durante un evento sísmico (o viento), el fluido en el tanque chapoteará hacia adelante y hacia atrás con el movimiento del fluido generalmente dirigido y controlado por deflectores internos, particiones que evitan que el tanque se vuelva resonante con la estructura; consulte Dinámica de chapoteo . La respuesta dinámica neta de la estructura general se reduce debido tanto al movimiento contrario de la masa como a la disipación de energía o la amortiguación de vibraciones que se produce cuando los deflectores convierten la energía cinética del fluido en calor. Generalmente, el aumento de temperatura en el sistema será mínimo y el aire circundante lo enfría pasivamente. 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 lateral causado por el viento. Un tanque chapoteador es un amortiguador de masa pasivo sintonizado . Para que sea eficaz, la masa del líquido suele ser del orden del 1% al 5% de la masa que se contrarresta y, a menudo, esto requiere un volumen importante de líquido. En algunos casos, estos sistemas están diseñados para funcionar como cisternas de agua de emergencia para la extinción de incendios.
Los edificios muy altos (" rascacielos "), cuando se construyen con materiales livianos modernos, 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 masa grande, restringida, pero libre para 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 , accionados por bombas y acumuladores eléctricos, se accionan activamente para contrarrestar las fuerzas del viento y las resonancias naturales. Estos también pueden, si se diseñan adecuadamente, ser eficaces para controlar el movimiento excesivo (con o sin energía aplicada) en un terremoto. Sin embargo, en general, los edificios modernos de gran altura con estructura de acero no están tan sujetos a movimientos peligrosos como los edificios de mediana altura (de ocho a diez pisos ), ya que el período de resonancia de un edificio alto y masivo es más largo que los choques de aproximadamente un segundo aplicados por un terremoto.
La forma más común de modernización sísmica de edificios más bajos es agregar fuerza a la estructura existente para resistir las fuerzas sísmicas. El refuerzo puede limitarse a las conexiones entre elementos de construcción existentes o puede implicar la adición de elementos de resistencia primarios, como paredes o marcos, particularmente en los pisos inferiores. Las medidas comunes de modernización para edificios de mampostería no reforzada en el oeste de los Estados Unidos incluyen la adición de marcos de acero, la adición de muros de hormigón armado y, en algunos casos, la adición de aislamiento de base.
Con frecuencia, las ampliaciones del edificio no estarán fuertemente conectadas a la estructura existente, sino que simplemente se ubicarán adyacentes a ella, con sólo una pequeña continuidad en el piso, el revestimiento y el techo. Como resultado, la adición puede tener un período de resonancia diferente al de la estructura original y pueden desprenderse fácilmente uno del otro. El movimiento relativo hará que las dos partes choquen, provocando 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 un margen adecuado para este movimiento, como un mayor espaciado y puentes deslizantes entre secciones.
Los edificios históricos, hechos de mampostería no reforzada, pueden tener detalles interiores o murales de importancia cultural que no deben alterarse. En este caso, la solución puede ser añadir al exterior una serie de columnas de acero, hormigón armado o hormigón postensado. Se debe prestar especial atención a las conexiones con otros miembros, como zapatas, placas superiores y armaduras de 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 al corte en los pisos inferiores, por lo que solo se requirió 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 estacionamiento sobre tiendas), la ubicación, los detalles y la pintura del refuerzo se convierten en sí mismos en un adorno arquitectónico.
Este modo de colapso se conoce como colapso suave de la historia . En muchos edificios, el nivel del suelo está diseñado para usos diferentes a los de los niveles superiores. Se pueden construir estructuras residenciales de poca altura sobre un estacionamiento que tengan 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 fuertes que los superiores; cuando este no es el caso, si el piso inferior es menos resistente que la estructura superior, la estructura no responderá a los terremotos de la manera esperada [ se necesita aclaración ] . Utilizando 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, el piso débil se refuerza para hacerlo más fuerte que los pisos superiores agregando muros de corte o marcos de momento. Los marcos de momento que consisten en curvas en U invertidas son útiles para preservar el acceso a los garajes de los pisos inferiores, mientras que una solución de menor costo puede ser usar muros de corte o cerchas en varios lugares, lo que reduce parcialmente la utilidad para el estacionamiento de automóviles pero aún permite que el espacio se use para otro almacenamiento.
Las conexiones de juntas viga-columna son una debilidad estructural común cuando se trata de modernización sísmica. Antes de la introducción de códigos sísmicos modernos a principios de la década de 1970, las uniones viga-columna generalmente no estaban diseñadas ni diseñadas. Las pruebas de laboratorio han confirmado la vulnerabilidad sísmica de estas conexiones mal detalladas y mal diseñadas. [19] [20] [21] [22] La falla de las conexiones de las juntas viga-columna generalmente puede conducir al colapso catastrófico de un edificio de estructura, como se observa a menudo en terremotos recientes [23] [24]
Para las uniones entre vigas y columnas de hormigón armado, en los últimos 20 años se han propuesto y probado varias soluciones de modernización. Filosóficamente, las diversas estrategias de modernización sísmica analizadas anteriormente se pueden implementar para juntas de hormigón armado. Los revestimientos de hormigón o acero han sido una técnica de modernización 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 aramico se han probado exhaustivamente para su uso en modernización sísmica con cierto éxito. [25] [26] [27] Una técnica novedosa incluye el uso de debilitamiento selectivo de la viga y postensado externo agregado a la junta [28] para lograr una articulación por flexión en la viga, que es más deseable en términos de diseño sísmico.
Las fallas generalizadas de soldadura en uniones viga-columna de edificios de acero de altura baja a media durante el terremoto de Northridge de 1994, por ejemplo, han mostrado 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 soldadas de acero resistentes a momentos. Se han desarrollado varias soluciones de modernización para estas uniones soldadas, como a) refuerzo de la soldadura y b) adición de cartela de acero o brida en forma de "hueso de perro". [30]
Después del terremoto de Northridge, se descubrió que varios edificios con estructuras de acero habían experimentado fracturas frágiles en las conexiones de vigas a columnas. El descubrimiento de estas fracturas frágiles imprevistas en las conexiones de las estructuras fue alarmante para los ingenieros y la industria de la construcción. A partir de la década de 1960, los ingenieros comenzaron a considerar los edificios con estructuras de acero soldado como uno de los sistemas más dúctiles contenidos en el código de construcción. Muchos ingenieros creían que los edificios con estructura de momento de acero eran esencialmente invulnerables al daño inducido por un terremoto y pensaban que, si ocurría el daño, se limitaría a la fluencia dúctil de los miembros y las conexiones. 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, se iniciaron fracturas frágiles dentro de las conexiones a niveles muy bajos de demanda de plástico. 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 una investigación y resolución sistemática 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 la Fase II, SAC continuó su extenso estudio centrado en problemas del desempeño de estructuras y conexiones de acero resistentes a momentos de diversas configuraciones, con el objetivo final de desarrollar criterios de diseño sísmico para construcciones de acero. Como resultado de estos estudios, ahora se sabe que el típico detalle de conexión resistente a momentos empleado en la construcción de estructuras de acero resistentes a momento antes del terremoto de Northridge de 1994 tenía una serie de características que lo hacían inherentemente susceptible a la fractura frágil. [31]
Los pisos en los edificios de madera generalmente se construyen sobre tramos de madera relativamente profundos, llamados vigas , cubiertos con una tabla de madera diagonal o madera contrachapada para formar un contrapiso sobre el cual 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 de lado, se utilizan bloqueos en cada extremo y, para mayor rigidez, se pueden colocar bloqueos o refuerzos diagonales de madera o metal entre las vigas en uno o más puntos de sus claros. En el borde exterior lo habitual es utilizar un solo canto de bloqueo y una viga perimetral en conjunto.
Si el bloqueo o clavado es inadecuado, cada viga puede quedar plana mediante las fuerzas de corte aplicadas al edificio. En esta posición carecen de la mayor parte de su resistencia original y la estructura puede colapsar aún más. Como parte de una modernización, el bloqueo se puede duplicar, especialmente en los bordes exteriores del edificio. Puede ser apropiado agregar clavos adicionales entre el alféizar de la pared perimetral erigida sobre el diafragma del piso, aunque esto requerirá exponer el alféizar quitando el yeso interior o el revestimiento exterior. Como el alféizar puede estar bastante viejo y seco y es necesario utilizar clavos gruesos, puede ser necesario perforar previamente un orificio para el clavo en la madera vieja para evitar que se parta. Cuando la pared se abre para este propósito, también puede ser apropiado unir elementos verticales de la pared a los cimientos utilizando conectores especiales y pernos pegados con cemento epóxico en los orificios perforados en los cimientos.
Las estructuras domésticas con armazón de madera de uno o dos pisos construidas sobre un cimiento perimetral o de losa son relativamente seguras en caso de un terremoto, pero en muchas estructuras construidas antes de 1950, la placa de alféizar que se ubica entre los cimientos de concreto y el diafragma del piso (cimiento perimetral) o muro de vigas (base de losa) puede no estar suficientemente atornillada. Además, los accesorios más antiguos (sin una protección sustancial contra la corrosión) pueden haberse corroído hasta un punto de debilidad. Un choque lateral puede hacer que el edificio se deslice completamente de los cimientos 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 de vigas bajos llamados "muro lisiado" o pin-up . Esta estructura de muro bajo en sí misma puede fallar por 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 asegurando 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 láminas de madera contrachapada de calidad estructural, a menudo tratadas para resistir la putrefacción. Este tipo de madera contrachapada se fabrica sin nudos interiores sin relleno y con más capas y más delgadas que la madera contrachapada común. Los edificios nuevos diseñados para resistir terremotos normalmente utilizarán OSB ( tableros de fibra orientada ), a veces con uniones metálicas entre los paneles y con una cubierta de estuco bien adherida para mejorar su rendimiento. En muchas casas modernas, especialmente aquellas construidas sobre suelo expansivo (arcilloso), el edificio se construye sobre una losa monolítica única y relativamente gruesa, mantenida en una sola pieza mediante varillas de alta resistencia que se tensan después de que la losa se ha fraguado. Este postensado coloca el hormigón bajo compresión, una condición bajo la cual es extremadamente resistente a la flexión y, por lo tanto, no se agrieta en condiciones adversas del suelo.
Algunas estructuras más antiguas y de bajo costo se elevan sobre pilones de concreto ahusados colocados en fosos poco profundos, un método que se usa frecuentemente para unir plataformas exteriores a edificios existentes. Esto se ve 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) del extremo norte, ya que evita que el calor del edificio desestabilice el suelo debajo. Durante un terremoto, las torres pueden inclinarse, derramando el edificio al suelo. Esto se puede superar utilizando orificios profundos para contener pilones reforzados moldeados en el lugar, que luego se fijan al panel del piso en las esquinas del edificio. Otra técnica es agregar suficientes arriostramientos diagonales o secciones de muro de corte de concreto entre los pilones.
Las columnas de hormigón armado suelen contener barras de refuerzo verticales de gran diámetro (barras de refuerzo) dispuestas en un anillo, rodeadas por aros de barras de refuerzo de calibre más ligero. Al analizar las fallas por sismos se ha observado que la debilidad no estaba en las barras verticales, sino en una resistencia y cantidad inadecuada de aros. Una vez que se viola la integridad de los aros, la barra de refuerzo vertical puede flexionarse hacia afuera, tensionando la columna central de concreto. Luego, el hormigón simplemente se desmorona en pequeños pedazos, ahora libres de las barras de refuerzo circundantes. En las construcciones nuevas se utiliza una mayor cantidad de estructuras en forma de aros.
Una modificación sencilla consiste en rodear la columna con una camisa de placas de acero formadas y soldadas en un solo cilindro. Luego, el espacio entre la camisa y la columna se llena con concreto, un proceso llamado lechada. Cuando las condiciones del suelo o de la estructura requieran dicha modificación adicional, se pueden hincar pilotes adicionales cerca de la base de la columna y se fabrican plataformas de concreto que unen los pilotes al pilón al nivel del suelo o debajo de él. En el ejemplo que se muestra, no fue necesario modificar todas las columnas para obtener suficiente resistencia sísmica para las condiciones esperadas. (Esta ubicación está aproximadamente a una milla de la zona de la falla de Hayward ).
Los muros de hormigón se utilizan a menudo en la transición entre el terraplén elevado y las estructuras de paso elevado. El muro se utiliza para retener el suelo y así permitir el uso de un tramo más corto y también para transferir el peso del tramo directamente hacia abajo a las zapatas en suelo no perturbado. Si estos muros son inadecuados, pueden desmoronarse bajo la tensión del movimiento del suelo inducido por un terremoto.
Una forma de modernización es perforar numerosos agujeros en la superficie de la pared y asegurar secciones cortas de barra de refuerzo en forma de L a la superficie de cada agujero con adhesivo epoxi . Luego se fijan barras de refuerzo verticales y horizontales adicionales a los nuevos elementos, se erige un encofrado y se vierte una capa adicional de hormigón. Esta modificación se puede combinar con zapatas adicionales en zanjas excavadas y largueros de soporte adicionales y amarres para retener el claro en los muros delimitadores.
En estructuras de mampostería, las estructuras de construcción de ladrillo se han reforzado con recubrimientos de fibra de vidrio y resina adecuada (epoxi o poliéster). En los pisos inferiores, estos pueden aplicarse sobre superficies enteras expuestas, mientras que en los pisos superiores pueden limitarse a áreas estrechas alrededor de las aberturas de puertas y ventanas. Esta aplicación proporciona resistencia a la tracción que endurece la pared para evitar que se doble desde el lado de la aplicación. La protección eficaz de un edificio completo requiere análisis e ingeniería exhaustivos para determinar las ubicaciones adecuadas a tratar.
En los edificios de hormigón armado, los muros de relleno de mampostería se consideran elementos no estructurales, pero el daño a los rellenos puede generar grandes costos de reparación y cambiar el comportamiento de una estructura, incluso provocando fallas por corte en los pisos blandos o en las juntas viga-columna antes mencionadas. 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 tanto, provocar un fallo global por fragilidad de la estructura. Incluso en el caso de terremotos de menor intensidad, los daños a las estructuras rellenas pueden provocar grandes pérdidas económicas y pérdidas de vidas. [32]
Para evitar daños y fallas en el relleno de mampostería, las estrategias típicas de modernización apuntan a fortalecer los rellenos y proporcionar una conexión adecuada al marco. Ejemplos de técnicas de modernización para rellenos de mampostería incluyen revoques reforzados con acero, [33] [34] compuestos cementosos de ingeniería , [35] [36] capas delgadas de polímeros reforzados con fibra (FRP), [37] [38] y, más recientemente, también textiles. Morteros armados (TRM). [39] [40]
Cuando un suelo aluvial húmedo o mal consolidado interactúa en una estructura "similar a una playa" con el material firme subyacente, las ondas sísmicas que viajan a través del aluvión pueden amplificarse, al igual que las ondas del agua contra una playa inclinada . En estas condiciones especiales se han medido aceleraciones verticales de hasta el doble de la fuerza de gravedad. Si un edificio no está asegurado a unos cimientos bien empotrados, es posible que el edificio sea empujado desde (o con) sus cimientos hacia el aire, generalmente con graves daños al aterrizar. Incluso si está bien cimentada, 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 primaria.
Las buenas prácticas en las estructuras modernas resistentes a los terremotos dictan que haya buenas conexiones verticales en todos los componentes del edificio, desde tierra intacta o diseñada hasta los cimientos, la placa de alféizar, 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 alféizar, las conexiones generalmente se hacen usando correas de acero o láminas estampadas, clavadas a miembros de madera usando clavos especiales endurecidos de alta resistencia al corte y estampados de ángulos pesados asegurados con pernos pasantes, usando arandelas grandes para evitar que se deslicen. Cuando en una construcción existente se proporcionan pernos inadecuados entre las placas del umbral y los cimientos (o no son confiables debido a una posible corrosión), se pueden agregar placas de sujeción especiales, cada una de las cuales se fija a los cimientos usando pernos de expansión insertados en orificios perforados en un cara expuesta del concreto. Luego se deben fijar otros miembros a las placas de umbral con accesorios adicionales.
Una de las modificaciones más difíciles es la necesaria para evitar daños debidos a fallas del suelo. La falla del suelo puede ocurrir en una pendiente, falla de una pendiente o deslizamiento de tierra , o en un área plana debido a la licuefacción de arena y/o lodo saturados de agua. Generalmente, los pilotes profundos deben clavarse en un suelo estable (generalmente barro o arena dura) o en un lecho de roca subyacente o se debe estabilizar la pendiente. Para edificios construidos sobre deslizamientos de tierra anteriores, la viabilidad de la modernización puede verse limitada por factores económicos, ya que no es práctico estabilizar un deslizamiento de tierra grande y profundo. La probabilidad de deslizamientos de tierra o fallas 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 captándola y desviándola a través de canales o tuberías, y drenar el agua infiltrada directamente y desde manantiales subterráneos insertando tubos perforados horizontales. Hay numerosos lugares en California donde se han construido extensos desarrollos sobre deslizamientos de tierra arcaicos, que no se han movido en tiempos históricos pero que (si están saturados de agua y son 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 casas más modernas (bien sujetas a losas monolíticas de cimientos de concreto reforzadas con cables postensados) pueden sobrevivir a ese 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 desde sus cimientos o cae debido al colapso de un muro lisiado, las tuberías de hierro dúctil que transportan el gas dentro de la estructura pueden romperse, generalmente en la ubicación de las juntas roscadas. Entonces el gas todavía puede suministrarse al regulador de presión desde líneas de presión más alta y así continuar fluyendo en cantidades sustanciales; Luego puede encenderse mediante una fuente cercana, como una luz piloto encendida o una conexión eléctrica que forma un arco .
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 deslizarse, el mayor peligro para los túneles es un deslizamiento de tierra que bloquee una entrada. Se puede aplicar protección adicional alrededor de la entrada para desviar cualquier material que caiga (similar a lo que se hace para desviar avalanchas de nieve ) o se puede estabilizar de alguna manera la pendiente sobre el túnel. Cuando se espera que caigan sólo 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 es también una modificación común a los cortes de carreteras cuando existen las condiciones apropiadas.
La seguridad de los tubos submarinos depende en gran medida de las condiciones del suelo a través del cual se construyó el túnel, los materiales y refuerzos utilizados, el terremoto máximo previsto y 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 fue construido en el fondo de la Bahía de San Francisco mediante un proceso innovador. En lugar de empujar un escudo a través del suave lodo de la bahía, el tubo se construyó en tierra en secciones. Cada sección constaba de dos túneles de tren interiores de sección transversal circular, un túnel de acceso central de sección transversal rectangular y una carcasa exterior ovalada que abarcaba los tres tubos interiores. El espacio intermedio se llenó de 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, luego se unieron con conexiones atornilladas a las secciones previamente colocadas. Luego se colocó un sobrellenado encima del tubo para mantenerlo presionado. Una vez completado desde San Francisco a Oakland, se instalaron las vías y los componentes eléctricos. La respuesta prevista del tubo durante un gran terremoto se comparó con la de una cadena de espaguetis (cocidos) en un plato de postre de gelatina . Para evitar sobrecargar el tubo debido a los movimientos diferenciales en cada extremo, se incluyó una junta deslizante 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 del movimiento del suelo disponibles en aquel momento, que ahora se consideran insuficientes teniendo en cuenta los modernos métodos de análisis computacional y los conocimientos geotécnicos. El asentamiento inesperado del tubo ha reducido la cantidad de deslizamiento que se puede acomodar sin fallar. Estos factores han provocado 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 sea costosa y técnica y logísticamente difícil. Otras modificaciones al tubo BART incluyen la consolidación vibratoria del sobrellenado del tubo para evitar una posible licuación del sobrellenado, que ya se ha completado. (Si falla el sobrellenado, existe el peligro de que partes del tubo se eleven desde el fondo, un evento que podría causar fallas en las conexiones de la sección).
Los puentes tienen varios modos de falla.
Muchos tramos de puentes cortos están anclados estáticamente en un extremo y sujetos a balancines en el otro. Este balancín brinda soporte vertical y transversal al tiempo que permite que el tramo del puente se expanda y contraiga con los cambios de temperatura. El cambio de longitud del tramo se adapta a un hueco en la calzada mediante juntas de dilatación en forma de peine . Durante movimientos severos del suelo, los balancines pueden saltar de sus vías o moverse más allá de sus límites de diseño, lo que hace que el puente se salga 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 tensión extrema y al mismo tiempo limitar el movimiento relativo al anclaje.
Los puentes colgantes pueden responder a los terremotos con un movimiento de lado a lado superior al diseñado para responder a las ráfagas de viento. Dicho movimiento puede causar fragmentación de la superficie de la carretera, daños a los cojinetes y deformación plástica o rotura de componentes. Se pueden añadir dispositivos como amortiguadores hidráulicos o conexiones deslizantes con abrazaderas y refuerzo diagonal adicional.
Las vigas de celosía constan de dos vigas en "I" conectadas con una celosía entrecruzada de tira plana o material en ángulo. Estos pueden reforzarse en gran medida reemplazando la celosía abierta con miembros de placa. Esto generalmente se hace junto con el reemplazo de remaches calientes por pernos.
Muchas estructuras más antiguas se fabricaron insertando remaches al rojo vivo en agujeros previamente perforados; Luego, los remaches blandos se martillan utilizando un martillo neumático en un lado y una barra de refuerzo en el extremo de la cabeza. A medida que se enfrían lentamente, quedan en estado recocido (blando), mientras que la placa, después de haber sido laminada en caliente y templada durante la fabricación, permanece relativamente dura. Bajo tensión extrema, las placas duras pueden cortar los remaches blandos, lo que provoca el fallo de la unión.
La solución es quemar cada remache con un soplete de oxígeno . Luego se prepara el orificio hasta obtener 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, que se retiene con una tuerca y luego se aprieta con una llave . Como el perno se ha formado a partir de una aleación apropiada de alta resistencia y también ha sido 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 será 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 generalmente se construyen sobre secciones de relleno de tierra elevada conectadas con segmentos similares a puentes, a menudo sostenidos por columnas verticales. Si el suelo falla donde termina un puente, el puente puede desconectarse del resto de la carretera y desprenderse. La modificación para esto es agregar refuerzo adicional a cualquier muro 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 (a través de efectos resonantes) en masa, en direcciones opuestas. Si no hay suficiente plataforma de cimentación para el paso elevado, éste puede caerse. Se pueden agregar estantes adicionales y tirantes dúctiles para sujetar el paso elevado a las zapatas en uno o ambos extremos. Los tirantes, en lugar de estar fijados a las vigas, podrán estar sujetados a las mismas. Bajo carga moderada, estos mantienen el paso elevado centrado en el espacio para que sea menos probable que se deslice fuera de su estante de base 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 los cimientos.
Grandes tramos de calzada pueden consistir enteramente en viaductos, tramos sin conexión a tierra más que a través de columnas verticales. Cuando se utilizan columnas de hormigón, los detalles son fundamentales. Una falla típica puede ser el derrumbe de una fila de columnas debido a una falla en la conexión del suelo o a una envoltura cilíndrica insuficiente con barras de refuerzo. Ambas fallas se observaron en el gran terremoto de Hanshin de 1995 en Kobe, Japón , donde se colocó a un lado un viaducto completo, sostenido centralmente por una sola fila de grandes columnas. Estas columnas se refuerzan excavando hasta la plataforma de cimentación, hincando pilotes adicionales y agregando una plataforma nueva, más grande, bien conectada con barras de refuerzo a lo largo o dentro de la columna. Una columna con una barra envolvente insuficiente, que es propensa a estallar y luego articularse en el punto de explosión, puede encerrarse completamente en una camisa circular o elíptica de lámina de acero soldada y inyectarse como se describió anteriormente.
En ocasiones los viaductos pueden fallar en las conexiones entre componentes. Esto se vio en la falla de la autopista Cypress Freeway 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 con las partes inferiores que sostenían el nivel inferior; esto provocó que la cubierta superior se derrumbara sobre la cubierta inferior. 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 cortas que se pegan (usando adhesivo epoxi ) en numerosos orificios perforados. Luego, estos trozos se conectan a envolturas adicionales, se erigen encofrados externos (que pueden ser temporales o permanentes) y se vierte concreto adicional en el espacio. Las grandes estructuras conectadas similares al viaducto Cypress también deben analizarse adecuadamente en su totalidad mediante simulaciones dinámicas por computadora.
Las fuerzas de lado a lado causan la mayoría de los daños causados por los terremotos. El atornillado del alféizar a los cimientos y la aplicación de madera contrachapada a las paredes lijadas son algunas técnicas básicas de modernización que los propietarios 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 conciencia y la iniciativa públicas son fundamentales para la modernización y preservación de los edificios existentes, y esfuerzos como los de la Asociación de Gobiernos del Área de la Bahía son fundamentales para proporcionar recursos informativos a las comunidades sísmicamente activas.
La mayoría de las casas en América del Norte son estructuras con estructura de madera. La madera es uno de los mejores materiales para la construcción resistente a terremotos, ya que es liviana y más flexible que la mampostería. Es fácil de trabajar y menos costoso que el acero, la mampostería o el hormigón. En las casas más antiguas, las debilidades más importantes son la conexión de las paredes con armazón de madera a los cimientos y las relativamente débiles "paredes lisiadas". (Los muros tullidos son muros cortos de madera que se extienden desde la parte superior de los cimientos hasta el nivel más bajo del piso en casas que tienen pisos elevados). Agregar conexiones desde la base de la estructura con marco de madera hasta los cimientos es casi siempre una parte importante de una modernización sísmica. Reforzar los muros tullidos para resistir fuerzas de lado a lado es esencial en casas con muros tullidos; El refuerzo se suele realizar con madera contrachapada . Los tableros de fibra orientada (OSB) no funcionan tan consistentemente como la madera contrachapada y no son la opción favorita de los diseñadores o instaladores de modernización.
Los métodos de modernización en estructuras antiguas con armazón de madera pueden consistir en los siguientes y otros métodos no descritos aquí.
Los marcos de madera son eficientes cuando se combinan con mampostería, si la estructura está diseñada adecuadamente. En Turquía las casas tradicionales (bagdadi) se construyen con esta tecnología. En El Salvador , la madera y el bambú se utilizan 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 estructuras para viviendas y viviendas rurales. La mampostería también era una forma de construcción común a principios del siglo XX, lo que implica que un número sustancial de estas estructuras de mampostería en riesgo tendrían un valor patrimonial significativo. Las paredes de mampostería que no están reforzadas son especialmente peligrosas. Tales estructuras pueden ser más apropiadas para reemplazo que para modernización, pero si las paredes son los principales elementos que soportan la carga en estructuras de tamaño modesto, se pueden reforzar apropiadamente. Es especialmente importante que las vigas del suelo y del techo estén firmemente sujetas a las paredes. Se pueden añadir soportes verticales adicionales en forma de acero u hormigón armado.
En el oeste de 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 metálicas fijadas a elementos estructurales verticales. Estas correas se extienden hacia las capas de mortero, asegurando el revestimiento a la estructura primaria. Es posible que las estructuras más antiguas no aseguren esto lo suficiente como para garantizar la seguridad sísmica. Un revestimiento mal asegurado en el interior de una casa (a veces usado para enfrentar una chimenea desde el piso hasta el techo) puede ser especialmente peligroso para los ocupantes. Las chimeneas de mampostería más antiguas también son peligrosas si tienen una extensión vertical sustancial por encima del techo. Estos son propensos a romperse en la línea del techo y pueden caer dentro de la casa en una sola pieza grande. Para modernización, se pueden agregar soportes adicionales; sin embargo, es extremadamente costoso fortalecer una chimenea de mampostería existente para que cumpla con los estándares de diseño contemporáneos. Lo mejor es simplemente quitar la extensión y reemplazarla con materiales más ligeros, con un conducto de humos de metal especial reemplazando la loseta de humos y una estructura de madera reemplazando la mampostería. Esto se puede combinar con el ladrillo existente utilizando un revestimiento muy fino (similar a una losa, pero con apariencia de ladrillo).