Universidad de Los Andes

Facultad de Ingeniera

Departamento de Estructuras

Proyectos II

PRINCIPIOS DE SISMICIDAD Y DISEO SSMICO

Prof. Orlando Ramrez Boscn

Mrida, junio de 2004

Sismicidad en Venezuela

Conceptos Bsicos

Al ocurrir un sismo, el suelo vibra de manera errtica lo cual afecta al edificio en su base y, como consecuencia, el resto de la edificacin responde tambin con movimientos vibratorios. El edificio sufrir daos cuando no pueda resistir esas vibraciones.Como hasta ahora no podemos evitar, ni siquiera reducir, la probabilidad que ocurra un sismo en una zona ssmica, es conveniente comprender cual es el riesgo que estamos dispuestos a correr cuando construimos una edificacin en esa zona.Es importante disear la estructura para que resista los efectos de un sismo y as reducir su grado de vulnerabilidad

Conceptos Bsicos

Amenaza Ssmica.

Es la probabilidad de que durante un perodo de tiempo y lugar particulares, ocurra un sismo que produzca aceleraciones del suelo local suficientes para ocasionar daos. La amenaza ssmica constituye uno de los componentes ms importantes del contexto en donde vamos a ubicar la edificacin, cuando diseamos en zona ssmica. Esta informacin generalmente se encuentra en la normas para edificaciones sismo resistentes.

Conceptos Bsicos

Vulnerabilidad ante amenaza ssmica

es la capacidad que tienen los elementos expuestos, tales como las edificaciones, a resistir los efectos de un sismo sin dao permanente. Se puede definir vulnerabilidad como "la cuantificacin del potencial de mal comportamiento con respecto a una solicitacin".

Conceptos Bsicos

Riesgo ante la amenaza ssmica

se define como las probabilidades de que en un lugar y durante un perodo de tiempo particulares, puedan producirse prdidas humanas y/o materiales como consecuencia de un sismo. Estas prdidas probables se pueden expresar en unidades monetarias, nmero de vctimas o cantidad de estructuras daadas.

Conceptos Bsicos

La estimacin del riesgo se hace de acuerdo con las caractersticas tanto del conjunto de elementos expuestos (grado de vulnerabilidad) como del sismo (grado de amenaza), durante un perodo de tiempo y lugar particulares.

El riesgo es, por lo tanto, una funcin de la amenaza ssmica por la vulnerabilidad de los elementos expuestos. R = f (a, v)

As que, hasta ahora, la nica manera de reducir el riesgo de dao de una edificacin ante una amenaza ssmica es reduciendo la vulnerabilidad. El grado de vulnerabilidad de una edificacin puede ser reducido a travs de las variables de diseo, es decir, produciendo soluciones estructurales sismorresistentes.

Fuerzas Ssmicas en Edificaciones

En el caso de los sismos, las fuerzas que debe resistir la edificacin son fuerzas de inercia producidas por la propia edificacin al intentar regresar a su posicin de equilibrio original, en el momento en que su base se mueve por los efectos del sismo.

Fuerzas Ssmicas en Edificaciones

Al moverse la base con el suelo, las partes superiores se irn desplazando, buscando recuperar su posicin original en relacin con la base del edificio. Pero, debido a que estos movimientos no son constantes sino errticos y varan en el tiempo, cada una de esas otras partes de dicha edificacin, reaccionar de manera y en momentos diferentes, como consecuencia de los movimientos de traslacin y rotacin producidos en la base por el sismo.

Fuerzas Ssmicas en Edificaciones

Las fuerzas ssmicas son fuerzas de inercia generadas internamente por la vibracin de la masa del edificio. De acuerdo a la segunda Ley de Newton, la fuerza de inercia es directamente proporcional a la masa y a la aceleracin total de la misma.

AMPLIFICACIN

El movimiento ssmico inicial puede ser amplificado por: Naturaleza de la roca Tipo y profundidad del terreno en la superficie (sitio) Suelos blandos pueden amplificar el movimiento hasta 6

veces Las amplificaciones son ms pronunciadas a perodos

cortos

Fuerzas Ssmicas en Edificaciones

La fuerza cortante horizontal originada por las acciones ssmicas en la base de la edificacin, se llama fuerza cortante basal.En las normas, generalmente la ecuacin para el clculo de la fuerza cortante basal, viene complementada con una serie de coeficientes relacionados con: la zonificacin ssmica, el tipo de suelo, la importancia del edificio y el tipo de sistema estructural.

FUERZA CORTANTE

BASAL

V0

Fi

Vo

Fuerzas Ssmicas en Edificaciones

El comportamiento del edificio ante las fuerzas producidas como reaccin al movimiento del suelo (fuerzas dinmicas) dependen de:

1. Las propiedades del edificio en s, tales como: la masa del edificio, su perodo fundamental de libre vibracin, y su habilidad para absorber las fuerzas sin dao critico (factores de resonancia y de amortiguamiento); y

2. Las caractersticas del sismo, las aceleraciones del suelo y la duracin de la sacudida. La relacin entre estos factores, afecta la magnitud de las fuerzas reales que el edificio puede resistir sin sufrir dao critico (irreparable).

AMORTIGUAMIENTO

El amortiguamiento es una medida de la ineficiencia de la habilidad de vibrar de un edificio (comparado con un objeto eficiente como un columpio)

El amortiguamiento depende de los materiales de construccin, sus conexiones y la cantidad de elementos arquitectnicos como paredes, tabiques y cielos rasos

CONFIGURACIN Tamao y Forma

A medida que la configuracin del edificio se desve mas de la forma de un simple rectngulo, es ms probable que ste sufra algn dao.

Las irregularidades de configuracin resultan en dos efectos principales: concentraciones de esfuerzos y efectos torsionales

Conceptos Bsicos

El amortiguamiento es la capacidad de la edificacin a neutralizar o suprimir la vibracin, y por lo tanto, a disipar energa.

Carga esttica es aquella cuyo valor no cambia con el tiempo. Un ejemplo de carga esttica lo representan las cargas muertas ya que stas permanecen constantes (su valor no cambia) con el paso del tiempo.

Carga o excitacin dinmica es aquella cuya intensidad es funcin del tiempo, o sea que su intensidad vara con el tiempo. Un sismo es una excitacin dinmica ya que las aceleraciones del terreno cambian de valor en cada fraccin de segundo.

Conceptos Bsicos

Deriva Se entiende por deriva el desplazamiento horizontal relativo entre dos puntos colocados en la misma lnea vertical, en dos pisos o niveles consecutivos, de la edificacin.

Ductilidad: Es la capacidad que deben tener los componentes del sistema de resistencia ssmica de deformarse sin prdida apreciable en su capacidad resistente.

Rigidez: capacidad de resistencia de un cuerpo a cambiar de forma al serle aplicadas fuerzas exteriores.

Conceptos Bsicos

Resistencia ssmica en las diferentes direcciones horizontales: "Dado que los efectos ssmicos pueden ser preponderantes en cualquier direccin horizontal, la estructura debe tener resistencia ssmica en todas las direcciones y por lo tanto el sistema estructural de resistencia ssmica debe existir en dos direcciones ortogonales o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se garantice la estabilidad, tanto de la estructura considerada como un todo, como de cada uno de sus elementos, ante movimientos ssmicos que puedan ocurrir en cualquier direccin horizontal."

Conceptos Bsicos

La resonancia es un fenmeno que se manifiesta en un sistema o cuerpo elstico al aplicarle una fuerza peridica de frecuencia igual o parecida a la del cuerpo o sistema, de manera que provoca un aumento de las vibraciones, al comportarse como un resonador.

Se dice que existe resonancia cuando la frecuencia de excitacin coincide con la frecuencia natural del sistema y se obtiene la amplificacin dinmica mxima. El valor de la amplificacin mxima es muy sensible al nivel de amortiguamiento. Entre ms pequeo es el amortiguamiento mayor ser la amplificacin.

Conceptos Bsicos

La resonancia entre la estructura y el suelo ocurre cuando el perodo de vibracin del edificio coincide con el perodo natural del suelo, por lo que la vibracin del edificio ir en aumento. Generalmente, los movimientos en las reas cercanas al epicentro son altamente errticas y entran en el rango de perodos cortos; como resultado, los efectos de resonancia en esta rea afectara a los edificios bajos y rgidos. En las reas distantes del epicentro, los perodos largos afectan a los edificios altos y flexibles.

Conceptos Bsicos

Un buen ejemplo de ello se observ en el sismo de Mxico en 1985, en el que los edificios altos en la zona de la laguna (suelos blandos) de Ciudad de Mxico entraron en resonancia. En el caso del sismo de Caracas 1967, fue evidente la relacin de dao entre los edificios altos y las amplificaciones en los perodos del suelo debido a las grandes profundidades de ese suelo aluvional, lo que ocasion resonancia y como consecuencia graves daos y hasta el colapso de algunos de estos edificios.

NUEVOS SISTEMAS DE PROTECCION SSMICA

Los nuevos sistemas consisten en:

Modificar las fuerzas ssmicas que son trasmitidas por el terreno al edificio.

Modificar la respuesta del edificio.

AMORTIGUADOR VISCOSO

AMORTIGUADORES

METLICOS

AMORTIGUADOR DE

FRICCIN

Deformaciones producidas en las edificaciones

La respuesta total del sistema estructural (desplazamiento, rotaciones, fuerzas internas, etc.) depende de la rigidez relativa de sus elementos y de la capacidad de absorcin de deformacin (a la flexin y/o al corte) de los elementos verticales existentes (pantallas, columnas, etc.).

Deformaciones producidas en las edificaciones

Aunque en la realidad las edificaciones se mueven en diferentes direcciones durante el sismo, generalmente se consideran tres componentes principales del movimiento: dos desplazamientos horizontales ortogonales, un desplazamiento vertical y tres rotaciones sobre cada uno de los ejes de desplazamiento.. Los movimientos en cada una de las direcciones producen efectos diferentes en las distintas porciones del edificio, las cuales reaccionan de diferente manera a los movimientos de traslacin y rotacin del suelo, dependiendo de las caractersticas del movimiento del suelo, y a las propiedades del edificio.

Deformaciones producidas en las edificaciones

La configuracin de la edificacin como un todo, ascomo la configuracin y ubicacin de cada una de sus diferentes componentes, afecta la magnitud de las fuerzas reales que dicha edificacin tendr que resistir sin sufrir dao crtico cuando ocurre un sismo.

Desplazamientos Horizontales

La naturaleza del movimiento del suelo que afecta a las edificaciones es predominantemente horizontal. Las fuerzas horizontales generadas hacen mover cada una de las partes de la edificacin de un lado hacia otro, desplazndolas horizontalmente de su posicin original unos con relacin a los otros.

Desplazamientos Horizontales

Cuando un sismo ocurre, la base de la edificacin se desplazar con el suelo en la misma direccin que ste; pero, los otros pisos se movern de manera y en tiempo diferentes, tratando de recuperar su posicin original en la edificacin. Mientras tanto el suelo ha comenzado a moverse nuevamente en la direccin contraria, producindose nuevos desplazamientos horizontales en la direccin contraria los cuales a su vez producirn deflexiones laterales que la estructura tendr que resistir. Si la edificacin no puede resistir estos desplazamientos , sufrir daos.

Desplazamientos Horizontales

Desplazamientos Verticales

Los edificios estn bsicamente diseados para resistir los efectos verticales de la fuerza de la gravedad. Sin embargo, esto no es suficiente para resistir las fuerzas producidas por un terremoto debido a las caractersticas de reversin (cambio de direccin) de los efectos verticales de las fuerzas ssmicas. La componente vertical del movimiento ssmico aumenta y disminuye los efectos de la fuerza de la gravedad. Estos efectos pueden producir tensiones que no estaban previstas y hasta el desplazamiento vertical del edificio de sus bases.

Desplazamientos Verticales

En los voladizos, debido a su condicin de extremos libres, se pueden producir desplazamientos verticales considerables, los cuales pueden causar daos en los elementos de tabiquera. La Norma Ssmica incluye las consideraciones que se deben tener cuando existen voladizos.

Desplazamientos Verticales

Efectos Torsionales

Cuando se presentan desequilibrios estructurales en una edificacin, se pueden generar efectos torsionales, siendo la torsin una de las principales causantes de los daos producidos por los sismos en las edificaciones. La torsin consiste en la accin de dar vueltas a un objeto, en este caso un edificio, por sus dos extremos (superior e inferior), rotando cada uno de ellos en sentido contrario.

Efectos Torsionales

Al rotar la base de una edificacin debido a los efectos de un sismo, por inercia los pisos superiores seguirn el movimiento de la base, pero mientras stos intentan alcanzar su posicin relativa en la edificacin, la base ya se est regresando con el movimiento del suelo, por lo que se generan en el extremo superior de la edificacin rotaciones en el sentido contrario.

Efectos Torsionales

Estas torsiones se deben al desequilibrio en la distribucin de rigideces en la edificacin. Para que una edificacin se mantenga en equilibrio y para que al aplicar una fuerza horizontal se produzcan desplazamientos mas no torsiones, deberan coincidir el centro de masa con el centro de rigidez. Si la distribucin de los componentes resistentes a las fuerzas laterales no es simtrica, se produce un desplazamiento del centro de rigidez con respecto al centro de masa y la edificacin rotar.

Efectos Torsionales

Efectos Torsionales

El centro de masa es el punto hipottico de un nivel, en donde se supone que acta la resultante de las fuerzas gravitacionales para obtener un sistema en equilibrio. Es el centro geomtrico de todas las masas reactivas. El centro de rigideces de un nivel, es el centro geomtrico de las rigideces relativas de todos los componentes verticales que resisten fuerzas horizontales. Es aquel punto del nivel donde al aplicar un a fuerza horizontal, el nivel se traslada sin rotar respecto al nivel inferior.

La excentricidad es la distancia entre el centro de rigideces y el centro de masa.

Efectos Torsionales

A pesar del esfuerzo que se haga por reducir la excentricidad al mnimo en el diseo de la edificacin, generalmente se puede producir una torsin o excentricidad accidental generada por variaciones imponderables en los valores considerados para el clculo de los momentos torsionales. Estas variaciones se pueden producir por defectos en la construccin, concentracin de equipos pesados o mobiliario, remodelaciones arquitectnicas y otros factores que no fueron considerados en el anlisis inicial y los cuales se escapan de la mano del diseador estructural.

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