Comparación de tres metodologías de análisis sísmico de túnel NATM en suelos finos de Santiago

El análisis sísmico sobre revestimientos de túneles se ha desarrollado tradicionalmente con modelos simplificados, mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas y mediante softwares de análisis estructural que no incluyen el historial de tensiones del suelo debido a las secuencias constructivas y distancia al frente de excavación, lo cual tiende a sobrestimar los esfuerzos en el revestimiento de túneles. Sin embargo, los avances en el desarrollo de software de modelos de elementos o diferencias finitas han propiciado nuevas herramientas que permiten solucionar las dificultades planteadas, así como evaluar la respuesta sísmica mediante historiales de aceleraciones. Este artículo compara la respuesta sísmica de un túnel excavado de acuerdo al método NATM en suelo fino de Santiago mediante el método de distorsión de suelo aplicado en un software de análisis estructural y a través de un software de diferencias finitas para interacción suelo -estructura. Adicionalmente, para el último modelo se aplica un historial de aceleraciones. Los resultados de estos análisis son comparados en términos de diseño estructural de acuerdo a la experiencia chilena.

Introducción

Los análisis sísmicos de túneles han sido tradicionalmente abordados mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas que no incluyen las secuencias constructivas ni historiales de esfuerzos (Wang, 1993; Penzien y Wu, 1998; Penzien, 2000). Últimamente, algunos softwares de análisis geotécnico han entregado herramientas para la resolución de problemas complejos, permitiendo incorporar las variaciones en los historiales de tensiones, métodos constructivos, secuencias de excavación y solicitaciones sísmicas a través de registros de aceleraciones.

Este artículo presenta un estudio comparativo de 3 métodos de análisis sísmico para un túnel NATM construido en suelos finos del noroeste de Santiago. Se describe la metodología, consideraciones particulares y los parámetros empleados en cada caso. Se indican las complejidades y los tiempos computacionales requeridos para el desarrollo de cada metodología. Finalmente, se presenta un análisis comparativo de los resultados obtenidos: esfuerzos sísmicos en revestimiento del túnel y cálculo de espesor de revestimiento.

Geometría del túnel y propiedades del suelo de fundación

La geometría del túnel se muestra en la Figura 1. La secuencia constructiva considera 3 secciones principales:side drift I, sección central, side drift II y 9 subsecciones que se enumeran en la misma figura. La metodología utilizada es acorde a los principios del método NATM (New Austrian Tunnelling Method) y simula las secuencias de excavación en tres etapas constructivas: bóveda, banco y contrabóveda; con desfase entre etapas y la aplicación de revestimiento estructural. Entre cada frente de avance de sidedrift, hay un desfase de 10 m, así también de la pared central. El nivel de riel del túnel se encuentra a una profundidad de 22 m del nivel de terreno y la clave del túnel se encuentra a 16 m de profundidad. La sección del túnel abarca un área aproximada de 190 m².

Figura 1: a) Geometría (dimensiones en cm) y b) secuencia constructiva 
del túnel

Se considera un túnel construido en el sector de suelos finos del noroeste de Santiago, al cual se le han asignado las propiedades geotécnicas presentadas en la Tabla 1. El módulo de deformación ha sido considerado lineal aumentando en profundidad, también se han considerado distintos valores de cohesión y coeficiente de empuje en reposo in situ K₀ para dos distintos estratos de suelo.

Tabla 1: Propiedades de los materiales (ARCADIS, 2014)

Z: profundidad medida desde la superficie en m D_j: profundidad sello fundación en m, B: dimensión menor de 
estructura en m

Solicitación sísmica

Con el fin de simular la solicitación sísmica, se utilizan dos procedimientos: desangulación sísmica y análisis dinámico con registro de aceleraciones. Para la desangulación sísmica, la metodología empleada se basa en las recomendaciones del Manual de Carreteras (2014), que se sustentan en la propuesta de Kuesel (1969) para el diseño sísmico del metro de San Francisco. En este estudio se ha considerado una desangulación θ_s de 1.1·10^-3rad, obtenida de los valores tabulados en el Manual de Carreteras (2014) para un rango de compresión no confinada q_u entre 20 y 40 kPa, para zona sísmica con a_o= 0.4g.

El análisis dinámico se basó en uno de los registros de aceleraciones del terremoto de Chile, ocurrido el 27 de Febrero del 2010, que tuvo una magnitud momento M_w de 8.8. El sismo fue subductivo tipo thrust con epicentro marítimo frente a la localidad de Cobquecura, Región del Bío Bío (Saragoni y Ruíz, 2012). El registro de aceleraciones fue obtenido de la Red Nacional de Acelerógrafos de la Universidad de Chile (RENADIC). Corresponde a un registro de superficie con componente horizontal, obtenido en una estación ubicada en Maipú, sobre depósitos de ceniza volcánica denominados comúnmente como "Pumicita". Las principales características del registro de aceleraciones se indican en la Tabla 2.

Tabla 2: Principales características sísmicas registro aceleraciones 
terremoto 2010, estación Maipú (Saragoni y Ruíz, 2012)

Mesa Anti sísmica a Prueba de Terremotos

  Abrás podido oír en más de una ocasión que uno de los lugares más seguros para refugiarse de un terremoto si nos encontramos bajo techo, es justo debajo de una mesa. Si bien esta recomendación sigue siendo la mejor opción, a veces no es suficiente, ya que según los últimos estudios realizados, las mesas comunes no tienen la capacidad de resistir pesos significativos. Esto hace que, en caso de fuertes sismos, pueda ser una medida insuficiente.

Ante este problema, Arthur Bruter, estudiante de diseño industrial en la Academia de Arte y Diseño Bezalel en Jerusalén, junto con su profesor Ido Bruno, desarrollaron una mesa a prueba de terremotos, con el fin de ofrecer una gran protección de forma asequible a las poblaciones que viven en zonas de alto riesgo sísmico.

El inicio de este proyecto surgió a raíz del gran terremoto de Haití del 2010, donde 200.000 personas perdieron la vida. Al ver las fotografías de los estragos del suceso, Arthur Bruter decidió diseñar un producto que permitiera ayudar a salvar las vidas de las personas que pudieran quedar atrapadas dentro de edificios. Para ello, con la ayuda de su profesor Ido Bruno, idearon una mesa de bajo costo con espacio suficiente para dos personas y capaz de resistir una tonelada de presión desde arriba.

Para conseguir dicha resistencia, se estudió al milímetro la geometría de la mesa para que permitiera distribuir el peso equitativamente en toda su superficie, haciendo posible que la estructura conserve su forma incluso después de un fuerte impacto sobre ella. Cuando algo cae encima la mesa, esta absorbe la energía del objeto mientras que obliga a los escombros a desviarse hacia los lados.

En los períodos iniciales del desarrollo de la mesa anti-terremoto, fue sometida a duras pruebas por el ejército israelí. En la actualidad se encuentra a la espera de la aprobación oficial del departamento de Ingeniería Estructural de la Universidad de Padua en Italia, para obtener la certificación necesaria antes de comenzar su puesta comercial.

Este concepto no ha pasado precisamente desapercibido, llegando a ganar importantes premios internacionales. Fue elegido como el diseño del año por el Museo del Diseño de Londres, y hasta fue adquirido un ejemplar por el Museo de Arte Moderno de Nueva York para su exposición permanente de arquitectura y diseño.

VIA:Fieras de la Ingeniería 

Estudio Comparativo Económico de Edificios con Aislamiento Sísmico en la Base

En los últimos años la ingeniería sísmica en todo el mundo ha enfocado muchos de sus esfuerzos a investigar e implementar métodos para mitigar la amenaza de las comunidades más vulnerables. Entre estos, los sistemas pasivos de disipación de energía para el diseño y reforzamiento de estructuras han tomado gran auge, gracias a la ayuda de los procesadores electrónicos y la dinámica estructural hoy en día existen numerosos ejemplos de estructuras construidas o reforzadas en algunos de los países del mundo más propensos a la amenaza sísmica.
La disipación pasiva de energía es una tecnología que mejora el desempeño de una edificación añadiendo amortiguación a su estructura, siendo el uso primario de los disipadores de energía la reducción de los desplazamientos sísmicos de la estructura.
Los disipadores de energía reducen, igualmente, la fuerza en la estructura, proporcionándole a su vez una respuesta elástica, en algunos casos, sin que deba esperarse la reducción de la fuerza en estructuras que estén respondiendo más allá de la fluencia.

• OBJETIVOS

• Presentar un resumen comparativo del estado del arte en sistemas de protección sísmica.

• Mostrar el comportamiento sísmico de los aisladores de base.

• Realizar un estudio comparativo económico de un edifico con aisladores y un edificio fijo.

• INTRODUCCIÓN

En muchos casos la disipación de energía se ha constituido en una alternativa para los esquemas convencionales de rigidización y reforzamiento y se debe esperar que alcancen un nivel de desempeño comparable. En general, estos dispositivos pueden ser una buena opción a considerar en los casos en los cuales se espera un buen nivel de desempeño en cuanto a la protección de la vida de las personas o, quizás, respecto de la ocupación inmediata, pero con aplicabilidad limitada en proyectos con un nivel de desempeño de prevención de colapso.
Los sistemas de protección sísmica empleados en la actualidad comprenden desde relativamente simples dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas completamente activos. Los sistemas pasivos son tal vez los más conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento sísmico y los sistemas mecánicos de disipación de energía. El aislamiento sísmico es el sistema más desarrollado de la familia, con continuos avances en dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseño. Los sistemas de protección sísmica pueden ser clasificados en cuatro categorías: sistemas pasivos, activos, híbridos y semi-activos.
Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un método suizo denominado “Aislamiento total de la base en tres direcciones” utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empezó la experimentación, implementación y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda principalmente.

• SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA

Sistemas Pasivos
Los sistemas de control pasivo emplean dispositivos bastante simples que reducen la respuesta dinámica por medios totalmente mecánicos. Los sistemas pasivos más comunes son los aisladores sísmicos, los disipadores de energía y los osciladores resonantes (TMD). Cada sistema emplea diferentes enfoques para el control de la respuesta estructural y son más efectivos para diferentes tipos de estructuras
4.1.1 Aisladores Sísmicos
El aislamiento sísmico es una estrategia de diseño basada en la premisa de que es posible separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su fundación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Existen básicamente dos tipos de sistemas de aislamiento: los apoyos elastoméricos y los apoyos deslizantes. Los apoyos elastoméricos emplean un elastómero de caucho natural o neopreno reforzado con finas láminas de acero. La notable flexibilidad lateral en el elastómero permite el desplazamiento lateral de los extremos del aislador, mientras que las láminas de refuerzo evitan el abultamiento del elastómero y le proporcionan una gran rigidez vertical. Existen tres tipos de apoyos elastoméricos ampliamente usados: apoyos de caucho natural (NRB), apoyos de caucho con núcleo de plomo (LRB), y apoyos de caucho de alta disipación de energía (HDR). Los apoyos deslizantes poseen una superficie de deslizamiento que permite la disipación de energía por medio de las fuerzas de rozamiento. Uno de los dispositivos más innovadores es el sistema pendular friccionante que combina la acción del deslizamiento con la generación de una fuerza restitutiva debido a la geometría del deslizador.
Apoyo elastomérico
El aislamiento sísmico es un sistema ampliamente usado para la protección sísmica de diversos tipos de estructuras. Numerosos estudios teóricos, análisis numéricos y ensayos de laboratorio demuestran el excelente comportamiento que puede lograr este sistema en la protección de estructuras sometidas a eventos sísmicos moderados y severos. Adicionalmente, la efectividad de este sistema fue evidenciada por los registros de la respuesta dinámica de los edificios con aislamiento de base sacudidos por los sismos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995.
Actualmente existen numerosas aplicaciones de sistemas de aislamiento de base en países como Japón, Estados Unidos, Nueva Zelanda e Italia. Estas aplicaciones corresponden principalmente a la construcción de nuevos edificios y el mejoramiento sísmico de estructuras existentes. Uno de los edificios en los que se demostró la factibilidad de los sistemas de aislamiento sísmico es el Fire Command and Control Facility en Los Angeles. Este edificio es una central de emergencias que debe permanecer en operación incluso después de un sismo extremo. Para su construcción se realizó una comparación entre los esquemas de diseño convencional y de aislamiento sísmico para proveer el mismo grado de protección. En estos términos se estimó que el costo del edificio con aislamiento sísmico era un 6% menor que el correspondiente al edificio con un diseño convencional.
La prueba más severa a la que fue sometido un edificio con aislamiento sísmico hasta la fecha corresponde al hospital de docencia de la Universidad de Southern California. El edificio está ubicado a 36 km del epicentro del terremoto de Northridge, ocurrido en 1994 con una magnitud de 6.8 MW. Durante el terremoto el terreno bajo el edificio alcanzó una aceleración máxima de 0.49 g, mientras que las aceleraciones en el interior del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g. Esto significa que la estructura fue aislada en forma efectiva de los movimientos del suelo, teniendo en cuenta que estos movimientos fueron lo suficientemente intensos como para provocar daños importantes en edificios adyacentes.
A diferencia de las técnicas convencionales de reforzamiento de edificios existentes, con el aislamiento sísmico se busca reducir la demanda a niveles en los que la capacidad existente en la estructura sea suficiente para resistir las cargas. Esta técnica es particularmente apropiada para la protección de edificios con valor histórico.
4.1.2 Disipadores de Energía
Los disipadores de energía son dispositivos diseñados para absorber la mayoría de la energía sísmica, evitando así que ésta sea disipada mediante deformaciones inelásticas en los elementos estructurales. Pueden ser clasificados como histeréticos o viscoelásticos.
Los disipadores histeréticos incluyen los disipadores metálicos y los disipadores friccionantes, y dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metálicos están basados en la fluencia de los metales debido a flexión, corte, torsión, o extrusión. Uno de los dispositivos metálicos más reconocidos es el ADAS, que está compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres. Los disipadores friccionantes son dispositivos que disipan la energía mediante las fuerzas de fricción que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son diseñados para deslizar a una carga predeterminada, y permanecen inactivos mientras no existe una demanda sísmica importante sobre el edificio.
Disipador histerético

Los disipadores viscoelásticos incluyen los sistemas de sólidos viscoelásticos, fluidos viscoelásticos, y los disipadores fluido-viscosos. Los dispositivos viscoelásticos dependen esencialmente de la velocidad. Los disipadores viscoelásticos sólidos están constituidos por una capa de material viscoelástico ubicada entre dos placas de acero, usualmente acopladas a los arriostres que conectan los extremos del entrepiso. Los dispositivos viscoelásticos líquidos disipan la energía por medio de las deformaciones inducidas por un pistón en una sustancia altamente viscosa. Los disipadores fluido-viscosos son dispositivos que disipan energía forzando el flujo de un fluido a través de un orificio. Estos dispositivos son similares a los amortiguadores de un automóvil, pero operan con un mayor nivel de fuerzas y son fabricados con materiales más durables para lograr un mayor tiempo de vida útil.
Disipador viscoelástico

4.1.3 Osciladores Resonantes
Un oscilador resonante (TMD) es un sistema de un grado de libertad constituido por una masa, un elemento restitutivo y un mecanismo de disipación de energía, usualmente montado en la parte superior de la estructura. Para que el TMD pueda reducir la respuesta dinámica de una estructura debe existir una coincidencia entre las frecuencias naturales de vibración de la estructura y del oscilador resonante. Los osciladores resonantes son bastante efectivos en la reducción de las vibraciones producidas por el viento en edificios altos. También puede ser empleados para la reducción de la respuesta sísmica.
Amortiguadores de masa (tuned mass dampers TMD)

Modelo experimental del amortiguador TLSD tuned liquid sloshing dampers análisis como sistema de 1 gdl

Sistemas Activos

Distribución de Cortes Sísmicos

Distribución de los Cortes Sísmicos: conceptos de los métodos y análisis usados para distribuir las fuerzas generadas por el sismo en una estructura. Enumeración de los métodos y descripción conceptual. Elementos sismorresistentes, pórticos, tabiques y triangulaciones. Descripción y funcionamiento. Materiales usados en las estructuras antisísmicas. Especificaciones constructivas. Dimensiones y armaduras mínimas exigidas por las normas. Juntas y linderos. Especificaciones para fundaciones.

Distribución de los Cortes Sísmicos:

 

Las cargas sísmicas que actúan sobre un edificio deben ser distribuidas entre los elementos estructurales que lo componen. Si bien en el cálculo de las acciones que el sismo produce en el edificio se considera a este como un conjunto, para dimensionar y verificar la estructura completa se debe analizar componente por componente.

Los componentes estructurales de un edificio son:

 

                         Vigas

                         Columnas

                         Tabiques antisísmicos ( Muros Sismo  Resistentes )

                          Pórticos Arriostrados.

                          Bases.

 

Los materiales estructurales usados son:

 

                        Hormigón Armado.

                        Hormigón pretensado.

                        Acero.

                        Mampostería.

                        Mampostería reforzada.

 

La combinación de los elementos enumerados con el material estructural seleccionado, mas el tipo del terreno de fundación integran globalmente la estructura del edificio. Si bien el análisis se hace para el edificio en conjunto no debe descuidarse la verificación y construcción de cada componente estructural.

 

Diseñar las uniones en los nudos y los detalles constructivos de un edificio antisísmico es tan importante como verificar el comportamiento dinámico de la estructura en su conjunto. Si la resistencia y ductilidad de las uniones no son adecuadas y los detalles no son los correctos, seguramente la estructura no funcionará ante un sismo como se proyectó.

El diseño de la estructura debe ser tal que satisfaga la condición:

 

                        Coeficiente de reducción x Resistencia teórica > Cargas de diseño

 

La resistencia teórica es la que se alcanza determinando la resistencia última de las secciones y de los elementos estructurales. El coeficiente de reducción es el factor con el que se consideran disminuciones en la calidad de la estructura, que pueden ser originadas por:

 

            Errores en los cálculos.(*)

                        Diseño inadecuado de la estructura.

                        Materiales que no cumplen con la calidad esperada.

                        Variaciones en las dimensiones de los elementos estructurales.

                        Modificaciones menores o previstas.

                        Cambio de destino del edificio o de algunos locales.

 

                      

(*) Sobre este tema recomendamos el libro “Como evitar los errores en los proyectos de hormigón armado”  de Pierre Charon , Editores Técnicos Asociados. Cubre temas tales como: errores en la posición de las armaduras, errores relativos a la aplicación de fórmulas, errores relativos a las mediciones, etc.

          

La estructura monolítica de hormigón armado es uno de los sistemas constructivos más populares en el mundo. Se han obtenido considerables progresos  en los códigos y en el uso de este sistema estructural, en base a la experiencia de los sismos sucedidos a lo largo de las últimas decadas. Así, se ha logrado disminuir sustancialmente los daños en edificios sometidos a terremotos en años recientes. Se recomienda que el diseño respete las siguientes reglas:

 

                        La estructura debe tener ductilidad y una gran capacidad de disipación de energía.

                        Las vigas deben alcanzar la fluencia antes que las columnas.

                        La falla por flexión debe presentarse antes que la falla por corte.

                        Las resistencia de los nudos debe ser mayor que la de los elementos que unen.

 

Para cumplir con las estas reglas en Código de Construcciones Sismo Resistentes de Mendoza exige cumplir con las siguientes exigencias:

 

Anclajes y Empalmes de Armaduras (  7.1.1 )

 

 Se deben utilizar ganchos en todo anclaje y empalme de armaduras de los elementos que forman la estructura resistente a las fuerzas sísmicas, tanto en la estructura principal como en las partes de la construcción. Normalmente no es necesario el uso de ganchos en las armaduras de las losas.

Las longitudes de empalme o anclaje previstas en CIRSOC 201 se mayoran 10% en las armaduras solicitadas por combinación de acciones que incluyen sismo.

 

Esfuerzo de Corte Último ( 7.1.2.1 )

 

La capacidad a corte de cualquier pieza estructural debe ser 1,25 veces mayor que el esfuerzo de corte necesario para alcanzar la capcidad a flexión de todas las secciones en que puedan formarse rótulas plásticas.

Para determinar la capacidad a flexión se deben considerar las armaduras realmente colocadas.  Se exceptuan las piezas incluidas en el punto 7.1.3.4 . (  Caso de barras poco esbeltas )

 

Tensión tangencial última ( 7.1.2.2 )

 

La tensión tangencial máxima no debe sobrepasar el valor  1,75.t₀₃ para los estados de solicitación que incluyen la acción sísmica. t₀₃ es la tensión tangencial límite según CIRSOC  201. Los límites establecidos por las tensiones t₀₁  y   t₀₂    no se modifican.

 

 

Métodos y análisis usados para distribuir las fuerzas generadas por el sismo

 

Toda edificio tiene una estructura tridimensional, por ello los esfuerzos debidos a las cargas sísmicas y gravitatorias actúan en las tres dimensiones.  En la práctica, salvo raras excepciones, ocurre que los esfuerzos más importantes para cada elemento estructural solo están contenidos en un plano, como vemos en el caso de un portico o un tabique antisísmico.  Entonces, y para dimensionar los elementos estructurales,  necesitamos  conocer el porcentaje de las solicitaciones sísmicas que corresponden a cada componente resistente al sismo.

 

Elementos Finitos

 

Las estructuras de edificios son tridimensionales y pueden analizarse como tales mediante el método de los elementos finitos, que permite representar losas, vigas, columnas, muros, diagonales, etc. empleando diferentes tipos de elementos. Existen programas comerciales de computadora que cuentan con buenas herramientas gráficas para preparar datos e interpretar los resultados. Sin embargo esta no es una práctica común porque surgen varias dificultades: a) es muy grande el número de ecuaciones necesarias para representar un edificio completo, en especial si es de varios pisos; b) la cantidad de datos que hay que proporcionar y su organización aumentan las posibilidades de cometer errores; c) incluso con las actuales ayudas gráficas de los programas es dificil interpretar los resultados, que en muchos programas son dadas en tensiones de compresión o tracción y no como fuerzas y momentos que son las cifras de uso común en el diseño y verificación de elementos estructurales.

Los análisis con elementos finitos se reservan para estructuras muy importantes ( y aún en estos casos con simplificaciones ) o a partes limitadas de edificios de características inusuales.

 

Elementos sismorresistentes, pórticos, tabiques y triangulaciones. Descripción y funcionamiento.

 

Sus  características y funcionamiento se describan a continuación:

 

 DIAFRAGMAS

Son los elementos horizontales que actúan distribuyendo las fuerzas laterales entre elementos resistentes verticales (tabiques resistentes al cortante o pórticos). En la práctica están formados por los entrepisos, de losas de hormigón armado, macizas o aligeradas. El diafragma debe tener la capacidad de trasmitir las fuerzas horizontales sin deformarse, en los análisis teóricos y numéricos de la Teoría de las Estructuras se adopta como hipótesis que es indeformable, obligando a todos los elementos verticales a tener el mismo desplazamiento en cada piso. En este caso, se supone que el diafragma es infinitamente rígido. En los entrepisos de hormigón armado la aproximación es buena y los resultados obtenidos son satisfactorios, no así cuando las losas son delgadas y existe el peligro que colapsen por pandeo. Las cargas que actúan en los entrepisos paralelas a su plano son del orden de centenares de toneladas para un edificio de seis o siete pisos. Cuando un diafragma está esta formado por una losa de poco espesor o formado por un entrepiso compuesto, para una estructura metálica, su comportamiento depende en parte de su tamaño y su material. La flexibilidad del diafragma, relativa a los tabiques resistentes al cortante cuyas fuerzas está transmitiendo, también tiene una influencia importante sobre la naturaleza y magnitudes de estas fuerzas.Las vigas de los pórticos y las que unen columnas y tabiques actúan como colectores que conducen las fuerzas horizontales del entrepiso a los elementos verticales. Cuando el entrepiso se mueve, los elementos verticales se oponen absorbiendo así las cargas sísmicas.

 

PÓRTICOS

Conocemos como pórticos a una  combinación de columnas y vigas, generalmente horizontales que tienen los extremos restringidos (restringe los tres grados de libertad en el plano, funciona como un empotramiento).  Capaces de soportar cargas verticales y horizontales. Se construyen de hormigón armado, acero o madera. En estructuras con alto grado de hiperestaticidad,  con un gran número de nudos con capacidad de plastificarse generando rótulas, que actúan como fusibles disipando la energía que el sismo induce en la estructura. Son estructuras más dúctiles que los otros tipos estructurales y su trabajo es de flexión. El pórtico es más flexible que el tabique y por consecuencia se deforma más. En edificios de altura, las secciones de estos elementos disminuyen desde los pisos inferiores a los pisos superiores. En algunos casos, responden a una necesidad estructural del diseño, ya  que permiten aberturas. Si comparamos el comportamiento de pórticos resueltos de un tramo y dos tramos, para cargas verticales y horizontales, se observa que si las cargas sísmicas son más importantes conviene la solución de un tramo, en tanto que si predominan las cargas verticales conviene la solución de dos tramos.

 

TABIQUES DE HORMIGÓN ARMADO

 

Los tabiques son pantallas de hormigón armado en las que su espesor es pequeño comparado con el alto y el largo. Cuando reciben cargas horizontales funcionan como ménsulas verticales empotradas en la base, deformándose por flexión, corte y rotación de la base. Son elementos estructurales muy rígidos, con capacidad de concentrar grandes fuerzas sísmicas, y por otro lado poseen una elevada relación resistencia-corte sísmico. Pero esta característica puede crear problemas para la estabilidad de la fundación del tabique cuando la capacidad portante del terreno es baja o es muy deformable. En edificios de altura, las secciones de estos elementos disminuyen desde los pisos inferiores a los pisos superiores. Los extremos de los tabiques están sometidos a esfuerzos alternativos de tracción y de compresión muy elevados, por ello es necesario reforzar la armadura en esas zonas conocidas como columnas de borde.

 

MAMPOSTERÍA PORTANTE ARRIOSTRADA

 

Las mamposterías de ladrillos macizos con espesores de 20 cm y 30 cm de espesor, acompañada con la de ladrillo hueco cerámico de 20 cm de espesor han sido las mas usadas en la región para viviendas de una y dos plantas. Este tipo estructural realizado con las normas adoptadas luego del terremoto de San Juan de 1944, ha dado excelentes resultados en la región de Cuyo, los terremotos posteriores al de 1944 mostraron que, salvo casos puntuales de mal diseño o mala calidad de ejecución, los edificios y viviendas resistieron satisfactoriamente las acciones sísmicas. Tanto que cabe preguntarse si las actuales exigencias de las normas para viviendas de una y dos plantas se justifican ya que solo estamos aumentando el costo de las viviendas sin darle, con certeza, mayor seguridad. La mampostería es apta para resistir solicitaciones de compresión, corte y en pequeña magnitud de tracción.  Su resistencia no depende exclusivamente de los elementos, ladrillos o bloques,  sino también del mortero de asiento. La mampostería también es apta para resistir esfuerzos de compresión en sentido perpendicular a las hiladas. La resistencia a tracción y a corte es muy reducida e irregular y la rotura con cualquier solicitación es frágil. Las cargas sísmicas, actuando en sentido horizontal, producen esfuerzos de corte y de tracción en los muros, por ello, para que la mampostería pueda resistir  deben estar confinadas por vigas y columnas de hormigón armado según lo exigen las normas sismo resistentes. Una buena estructura de enmarcado asegura el comportamiento resistente y proporciona ductilidad a un material que por su naturaleza tiene un comportamiento frágil. La existencia de cargas verticales y un mortero de asiento de calidad mejoran la resistencia, las cargas verticales porque aumentan el rozamiento entre hiladas y un mortero mejor da mayor resistencia.

Es fundamental lograr la trasmisión de fuerzas entre la mampostería y las vigas y columnas de enmarcado, para lograr esto el hormigón de las vigas y columnas es colado luego de ejecutar cada paño de muro. En caso de no usar esta solución debe diseñarse un sistema que asegure esa transferencia de fuerzas.

En ciertos casos se usa mampostería armada, colocando 2 barras diámetro 6 cada 40 o 50 cm en juntas horizontales asentados en mortero de cemento y arena.

La mampostería de adobe no se debe considerar como portante, en especial para solicitaciones del tipo sísmico. El adobe es de escasa durabilidad y no permite realizar refuerzos para absorber tracciones en forma simple. La mampostería de ladrillo es muy sensible a la calidad de ejecución. Uno de los aspectos del diseño constructivo más importantes a tener en cuenta para las mamposterías son la traba, los encadenados, las armaduras y la vinculación entre muros. Junto con la calidad del mampuesto debe acompañarse la calidad del mortero de asiento. Las resistencias tanto a tracción como a compresión del mortero de asiento deben ser compatibles con los mampuestos para lograr así una relativa homogeneización del elemento estructural completo (mampuesto, mortero, encadenado).

 

 PÓRTICOS CON TRIANGULACIONES

 

El pórtico es un tipo estructural flexible y en estructuras esbeltas las deformaciones pueden ser muy incomodas para los ocupantes del edificio. Para reducir las deformaciones se rigidizan con diagonales diseñadas para resistir esfuerzo de tracción y compresión o solo de tracción. Los pórticos con triangulaciones tienen un comportamiento similar al de los tabiques, aunque su resistencia es menor, dependiendo de su diseño. Las diagonales de la triangulación pueden realizarse con perfiles de acero, caño estructural, etc. Es necesario asegurar el comportamiento elástico de las diagonales, si el material de las diagonales alcanza el límite de fluencia y las diagonales se alargan de forma excesiva la estructura sufrirá grandes deformaciones con riesgo de colapso.

La ejecución debe ser cuidadosa, con detalles constructivos prolijos para asegurar una trayectoria completa de las cargas, evitando excentricidades que pueden originar momentos perjudiciales.

 

 COLUMNA EMPOTRADA EN LA BASE

 

Es la estructura básica para resistir fuerzas horizontales. Se usa cuando no es posible usar tipos estructurales más complejos. Funciona como una ménsula vertical empotrada en su base. Para obtener el empotramiento teórico pueden adoptarse diferentes soluciones en la cimentación de la columna: una base centrada dimensionada para la combinación de las cargas verticales y horizontales; vinculada a otra columna con una viga de fundación que absorbe el momento de vuelco de la columna; uso de contrapesos que equilibran el momento de vuelco en base al peso; empotrarla en el terreno usando una fundación como las utilizadas en torres de líneas eléctricas aprovechando el empuje pasivo del terreno.

 

ESTRUCTURA TIPO CAJÓN

 

Es un tipo estructural realizado como una construcción monolítica de hormigón armado, en la que los tabiques, vigas, losas se ejecutan con vaciado in situ para obtener una estructura en la que todos los elementos están vinculados. Tienen buena resistencia a las cargas sísmicas, es muy buena solución para resistir fuerzas horizontales.

Se las construye usando moldes deslizante metálicos y colado en el lugar.

 

 

Materiales usados en las estructuras antisísmicas.

 

Los materiales usados en la construcción de estructuras sismo resistentes pueden ser:

                        Hormigón Armado.

                        Hormigón pretensado.

                        Acero.

                        Mampostería.

                        Mampostería reforzada.

 

Es necesario conocer a fondo las propiedades físicas estos materiales, para seleccionar adecuadamente el material a usar y,  para las especificar la calidad exigida del mismo, conforme a las hipotesis establecidas en el diseño de la estructura.

 

Debemos conocer el comportamiento del material, definido por los límites de elasticidad(*), de fluencia(*) y de rotura(*).  Saber si el material tiene comportamiento rígido o flexible bajo la acción de las fuerzas sísmicas, ya que bajo cargas estáticas los materiales tienen una respuesta diferente ante cargas dinámicas.

 

Otra característica relevante frente a cargas dinámicas es el comportamiento frágil o dúctil(*) del material. Se denominan frágiles a los materiales que no presenta deformaciones importantes antes de alcanzar la rotura.

 

La mayoría de los materiales presentan deformaciones plásticas(*) al ser sometidos a cargas elevadas,  estas deformaciones se presentan más alla de la zona de comportamiento elástico del material. Su característica más destacada es que una vez alcanzada la fluencia no se recuperan las deformaciones sufridas.  Esta particularidad se aprovecha para disipar la energía que el sismo trasmite a la estructura, por ello es muy importante ajustarse a las especificaciones de los códigos, ya que los coeficientes se han definido incluyendo el comportamiento elasto-plástico del material.

 

(*)ELASTICIDAD: es la propiedad que todos los cuerpos poseen en mayor o menor grado, de recobrar su extensión y forma primitiva luego que cesa la fuerza exterior que los había deformado. El cociente entre la fuerza ejercida sobre un cuerpony el área sobre la que actúa se denomina esfuerzo.

 

(*)FLUENCIA  Fenómeno en virtud del cual los materiales metálicos, sometidos a tensiones excesivas, sufren un alargamiento anormal, es decir, no proporcional a los esfuerzos aplicados. En el acero dulce se manifiesta con un alargamiento notable sin un incremento de la carga de tracción. Este concepto se extiende a materiales compuestos como el hormigón armado.

 

(*)PLASTICIDAD Propiedad que poseen algunos cuerpos sólidos que, sometidos a esfuerzos mecánicos elevados, experimentan deformaciones irreversibles, es decir, que persisten aun después de cesar los esfuerzos. La fase de plasticidad está precedida , hasta que la fuerza alcanza suficiente importancia ( cuyo valor es característico del material que constituye el cuerpo ), por la fase de elasticidad, es decir, aquella durante la cual las deformaciones experimentadas por el cuerpo desaparecen a cesar sus causas. El conocimiento del punto de paso de una fase a la otra es esencial para los problemas relativos al trabajo mecánico y a la construcción.

 

(*)ROTURA Separación de un cuerpo en dos o más partes, producidas al generarse en el mismo tensiones capaces de vencer las atracciones internas y la cohesión de la materia. La rotura de un cuerpo solicitado por cargas exteriores se inicia en la parte del mismo que presenta las condiciones más desfavorables. Es necesario conocer que magnitud mecánica ( solicitación, deformación o trabajo de deformación ) determina el peligro de rotura, y, como la teoría no puede responder a esta pregunta de modo inequívoco, se ha tratado, a través de numerosos ensayos con diversos materiales, de correlacionar los datos útiles para el diseño estructural.

 

(*)DUCTILIDAD  Propiedad de algunos materiales metálicos que, sometidos a un  esfuerzo de tracción, se deforman permanentemente hasta reducirse a hilos muy delgados. La ductilidad está unida a la maleabilidad, por cuanto los metales dúctiles son maleables; en cambio es independiente de la plasticidad.

En el diseño de estructuras resistentes al sismo, decimos que una estructura es dúctil cuando es capaz de soportar grandes deformaciones bajo carga prácticamente constante.

 

Especificaciones constructivas

 

En  toda construcción se dará cumplimiento a los requerimientos normales y propios de los materiales y elementos que la forman. Estos requerimientos y sus alcances están contenidos en el capitulo 2 del Código de Construcciones Sismo Resistentes de Mendoza.

 

Las  especificaciones establecen cantidades y calidades mínimas de los materiales estructurales a usar en el edificio que se diseña.  Para la Argentina las normas  son las del CIRSOC ( Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles ).

 

En el caso del Hormigón Armado, material usado casi exclusivamente en las estructuras de la zona, la Norma 201 y anexos  fija las condiciones que se deben exigir para proyectar, documentar y ejecutar una obra. En esta norma se fijan las exigencias minimas para la elaboración del hormigón, armado de los elementos estructurales, colado del hormigón, curado, plazos de encofrado, etc.

 

 

Dimensiones y armaduras mínimas exigidas por las normas. ( 7.1.3 )

 

Detalles de armaduras para elementos en forma de barras: ( Ej: vigas, columnas, diagonales ).

Estas disposiciones rigen para piezas que cumplan:

 

                                               .                       d / b < = 4

donde es:                           d :  dimensión mayor de la sección

                                            b :  dimensión menor de la sección

 

Ancho Efectivo ( 7.1.3.1 )

 

Como ancho efectivo de cada una de las barras concurrentes a un nudo se puede tomar dentro del ancho real de la pieza en cuestión hasta d/2 a cada lado de la pieza de menor ancho, siendo d la altura de la pieza considerada.

Estribos Adicionales ( 7.1.3.2 )

             

En los nudos y en las zonas próximas a ellos y siempre que  Qs >= 0,3 Q se densificarán los estribos para cumplir:

                                                           Ld >= 0,1 l

                                                           Ld >= 2 d

.                                                          s  <=  2/3 sc

.                                                          s  <=  12 fl

.                                                          s  <=  b

                                                           Fes >= 0,15 Fe

                                                           Fes >= 0,15 Fe’

Donde:

                                   Qs  : Esfuerzo de corte atribuible a la acción sísmica por aplicación del código.

                                   Q:     Esfuerzo de corte totall resultante de considerar todos los estados de carga.

                                   Ld :   Longitud de densificación de estribos a partir del borde libre de la barra.

.                                  l :       Luz libre de la pieza.

.                                  d:      Altura de flexión de la barra.

.                                  s:      Separación de los estribos en la zona densificada.

.                                  sc:    Separación necesaria de los estribos según cálculo.

.                                  fl :      Menor diámetro de la armadura longitudinal en Ld.

                                   Fes:   Sección total de estribos a colocar en la longitud Ld.

                                   Fe, Fe’ : Armaduras de flexión en las caras de la sección junto al nudo.                                

 

En el interior del nudo debe mantenerse la menor separación ‘s’ de las zonas adyacentes.

 

Armadura especiales en barras esbeltas ( lo/d > 2 )  ( 7.1.3.3 )

 

En las barras para las que t_o > t_o3 se deben colocar armaduras especiales en forma de X a 45° ancladas para desarrollar su capacidad a tracción, cuya sección total en cada rama de la X debe ser:

 

                                               Fed >= 0,71.Q.( t_o – t₀₃ ) / ( t₀.b_s )

Esta armadura debe ser ubicada de modo que:

 

a)     Si está formada por una sola barra, cruce el eje de la pieza a una distancia de o,3 h del paramento libre del nudo.

b)     Si está formada por dos a más barras aproximadamente la mitad cruce el eje de la pieza a 0,2 h y el resto a 0,4 h del paramento libre del nudo. Se puede considerar la contribución de esta armadura en la absorción de l esfuerzo de corte.

 

Armadura especiales en barras poco esbeltas   ( 7.1.3.4 )

 

Cuando:

.                                              lo / d <= 2      y       t_o  >  t_o2

donde:                                          

.                                              lo :           Distancia entre el punto de inflexión y el paramento libre del nudo.

.                                              d:            Altura de flexión de la barra.

Se deben colocar las armaduras especiales en diagonal, de un extremo a otro de la pieza. No se aplica el item 7.1.2.1 y en su lugar:

                                               Qu = 1,25 . Q

Donde:                                  Qu:          Esfuerzo de corte último,

.                                              Q:            Esfuerzo de corte resultante de 5.2.

Para el dimensionamiento de las armaduras de borde, diagonales y estribos se deben aplicar los procedimientos correspondientes a ménsulas cortas y 7.1.3.2.

Como mínimo las armaduras en diagonal deben estar compuestas por:

a) Dos barras en el plano perpendicular al de flexión y próximas a los paramentos si    t_o <=  t_o3.

b) Cuatro barras en los vértices de un rectángulo de lado menor igual al ancho entre armaduras externas de la pieza si t_o >  t_o3.

Las armaduras en diagonal deben estribarse co fe  >=  fd/3 y  s<= 12fd, siendo:

.                                              fe:      diámetro de los estribos.

.                                              s:       Separación de los estribos.

.                                              fd:      diámetro de las barras diagonales.    

                                                         

Armaduras Mínimas y Máximas (7.1.3.5 )

 

a ) Elementos  predominanternente flexionados ( Ej:  vigas  en general ). Son aquellos  elementos en los que:

 

                       Nu/( B.br ) <=  0,12

Donde:           Nu:      Esfuerzo normal último ( 5.2 ).

                       B:        Sección  total  de  hormigón que se considera colaborante

                                   con la pieza.

 

Armadura mínima en cada cara:   2  f  8

 

Además , si  mo y mo’  son las cuantías geométricas de armadura en cada cara y

mo  >=  mo’ :

 

Cuantías mínimas:   mo’ >= 0,15 %

                                 mo’ >= 0,05 br / bs

 

Cuantías máximas:  mo’ <=  2,5 %

                                 mo’ - mo <=  0,25 br / bs

 

b ) Elementos predominantemente  comprimidos  ( Ej.: columnas en general ).

Son aquellos elementos en los que Nn / ( B.br ) > 0,12

Si   mo es la cuantía geométrica total:

 

Cuantía mínima:       mo  >= 1 %

Cuantía máxima:      mo  <=  4 %

Cuantía en la cara menos armada: 0,2 %

 

Se deben disponer estribos de tal modo que la distancia  de cualquier barra al codo más

proximo del estribo no exceda  12 fe ( fe:  diámetro del estribo).

 

La distancia entre  ramas  de  estribos  en  el plano de la sección no debe superar 20 cm en piezas de dimensión  mayor de 30 cm.

 

                                                                                  

Juntas y linderos  ( 6.1 )

 

Toda nueva  construcción debe separarse de las existentes por medio de juntas cuyo diseño y construcción aseguren el libre movimiento entre los cuerpos adyacentes. Se permitirá la continuidad de las construcciones cuando se compruebe que tanto el conjunto de la nueva construcción en forma aislada satisface los requisitos de este Código. En esta verificación puede incluirse el muro medianero.  Las construcciones de distinta altura o de planta en forma L, T, H, o E preferentemente se separarán en cuerpos de planta rectangular de altura uniforme.

La dimensión de las juntas, en todos estos casos, será la necesaria para que las construcciones o los cuerpos de la construcción no se interfieran durante el sismo y como mínimo en el nivel i:

 

.                                              xi >= 0,016. Co. Smax².hi >= 5 cm

.                                              xi >= di

donde:

.                                             di: desplazamiento elástico máximo en el nivel i.

 

Tabiques y elementos en forma de láminas ( 7.1.4 )

 

Cuando d / b > 4 se debe cumplir:

 

Esfuerzos y deformaciones en elementos de formas compuestas ( 7.1.4.1 )

 

Los elementos planos unidos a rigidizadores de borde o a otros elementos formando secciones L, U, T, H, Z, etc. deben ser analizados tomando en cuenta la sección compuesta. Los anchos colaborantes de los componentes perpendiculares a la dirección en estudio se definirán  según la norma  de hormigón armado.

 

Espesor Mínimo  ( 7.1.4.2 )

 

a)     Elementos portantes en general:

.                                 e >= 15 cm

.                                 e >= lo/25

donde:

.                                 e:          espesor del elemento

.                                 lo:          distancia libre entre rigidizadores

 

b)     Elementos rigidizadores o elementos portantes en construcciones de un piso y altura máxima de 3 m

.                                

.                                e >=  10 cm

          

c)      Cuando en la pieza existan esfuerzos de compresión significativos ( Nn /  ( B. br ) > 0,12 ) ,en una distancia d/5  desde el borde el espesor debe cumplir:

 

.                                e >=  lo / 10

donde:

.                                Nu:        Esfuerzo normal último ( 5.2 )

                                 B:           Sección total efectiva ( 7.1.4.1 )

.                                 d:          longitud del elemento ( canto de flexión )

 

Se puede prescindir del cumplimiento de esta condición si e>= d /10 junto a rigidizadores perpendiculares hasta ( 3.e ) desde estos.

El espesor e puede ser variable en los distintos lugares de la sección recta del elemento.

 

Armadura longitudinal ( Armadura de Borde ) ( 7.1.4.3 )

 

La cuantía total de borde debe cumplir 7.1.3.5. Se define

 

                                   mo  = Feb / B

donde:                 

                                   Feb:   Sección de todas las barras longitudinales comprendidas en una distancia d/5

.                                  desde el borde en cuestión.

                                   B :      Sección efectiva de hormigón según 7.1.4.1.

 

La cuantía local debe cumplir:

 

                                   mo   = Fe1 / B1

                                   mo1  >=  0,15 %

                                   mo1  <=  6 %

donde:

                                   Fe1 :   Sección de las barras contenidas  en

                                   B1 :     una sección parcial de hormigón en cualquier lugar del elemento.

 

Disposición de la armadura:

 

Cuando  e > 20 cm o to >  to2 la armadura se debe disponer en dos capas próximas a los paramentos de la pieza. Ambas capas deben vincularse por gancos en S, estrobos, etc., a razón de 4 por m².

 

Diámetro límite:

 

Barras de borde:                    f  >=  8 mm      si Nu / ( B.br )   <= 0,12

                                                 f  >=  12 mm     si Nu / ( B.br )   en caso contrario.

Barras de alma:                      f  >=  6 mm      en general.

                                                 f  >=  4 mm       si  to <  to2 o si se emplean mallas soldadas.

Ganchos, etc. :                        igual diámetro que las barras de alma.

Diámetro máximo:                 f  <=  e / 8 en todos los casos.

 

Estribado de las barras de borde:

 

Cuando  mob  > 0,25 % se deben colocar estribos rodeando a las barras de la armadura de borde. Estos estribos deben cumplir las condiciones establecidas para las columnas.

Cuando no sean necesarios los estribos las armaduras transversales deben rodear a las armaduras de borde prolongándose  30 f en el lado opuesto, siendo f el diámetro de las barras de la armadura transversal.

 

Especificaciones para fundaciones.

 

 

ELASTICIDAD: es la propiedad que todos los cuerpos poseen en mayor o menor grado, de recobrar su extensión y forma primitiva luego que cesa la fuerza exterior que los había deformado. El cociente entre la fuerza ejercida sobre un cuerpony el área sobre la que actúa se denomina esfuerzo.

 

FLUENCIA  Fenómeno en virtud del cual los materiales metálicos, sometidos a tensiones excesivas, sufren un alargamiento anormal, es decir, no proporcional a los esfuerzos aplicados. En el acero dulce se manifiesta con un alargamiento notable sin un incremento de la carga de tracción. Este concepto se extiende a materiales compuestos como el hormigón armado.

 

PLASTICIDAD Propiedad que poseen algunos cuerpos sólidos que, sometidos a esfuerzos mecánicos elevados, experimentan deformaciones irreversibles, es decir, que persisten aun después de cesar los esfuerzos. La fase de plasticidad está precedida , hasta que la fuerza alcanza suficiente importancia ( cuyo valor es característico del material que constituye el cuerpo ), por la fase de elasticidad, es decir, aquella durante la cual las deformaciones experimentadas por el cuerpo desaparecen a cesar sus causas. El conocimiento del punto de paso de una fase a la otra es esencial para los problemas relativos al trabajo mecánico y a la construcción.

 

ROTURA Separación de un cuerpo en dos o más partes, producidas al generarse en el mismo tensiones capaces de vencer las atracciones internas y la cohesión de la materia. La rotura de un cuerpo solicitado por cargas exteriores se inicia en la parte del mismo que presenta las condiciones más desfavorables. Es necesario conocer que magnitud mecánica ( solicitación, deformación o trabajo de deformación ) determina el peligro de rotura, y, como la teoría no puede responder a esta pregunta de modo inequívoco, se ha tratado, a través de numerosos ensayos con diversos materiales, de correlacionar los datos útiles para el diseño estructural.