Daño no Estructural en un Sismo

El daño sísmico no estructural es el que sufren los elementos no estructurales (paredes livianas, vidrios, muebles, lámparas, etc.) por el efecto de un sismo. Es el deterioro físico de los componentes que no forman parte integral del sistema resistente o estructura de la edificación y que pueden ser arquitectónicos y electromecánicos, que cumplen funciones importantes dentro de las instalaciones, pero que igualmente se pueden ver afectados.
Los componentes no estructurales pueden incidir o propiciar la ocurrencia de fallas estructurales o pueden modificar la respuesta de movimiento esperada según el diseño. Por ejemplo, si se adicionan  escaleras, bloques o revestimientos pesados, se pueden introducir excentricidades y otros efectos de movimientos no deseados en el edificio.
Existen tres grandes efectos primarios de los elementos no estructurales en edificios:
1. Efectos inerciales.


Cuando un edificio es movido durante un sismo, la base del mismo se desplaza de la misma forma que el terreno, pero el resto del edificio y su contenido sobre la base experimentarán fuerzas inerciales, de oposición al movimiento. Es decir, mientras que la estructura se mueve hacia un lado, todo lo que son muebles, lámparas, estantes, etc., van a oponerse a ese movimiento.
El principio básico de las fuerzas inerciales sísmicas es la segunda Ley de Newton donde la fuerza es igual a la masa por la aceleración. Estas son mayores si la masa es mayor o si la aceleración o la severidad del movimiento es mayor.  
Consecuentemente, los elementos no estructurales que pueden ser dañados o causar daño por las fuerzas inerciales son, entre otros: archivadores, equipo generador de energía, estantes de libros sin adosar o muebles.  Por ejemplo, en la siguiente figura se pude ver la caída de objetos dentro de una casa que se encontraba sobre la falla que originó el terremtoo de Kobe, Japón, en 1995.  La casa se mantuvo en pie, a pesar de que la falla pasaba a unos metros cerca de esta. Sin embargo, observen la forma en que quedó el interior de la cocina.

Figura 1. Traza de la falla cerca de una vivienda en la isla Awaji durante el terremoto de Kobe de 1995. Como puede verse, la estructura se mantuvo en pie a pesar de la cercanía de la falla que si causó daños en la ciudad. (Más información en http://home.hiroshima-u.ac.jp/kojiok/nojimaeq.htm). A la derecha se ve el daño causado dentro de la cocina de la misma casa producto de objetos sueltos. (Foto de Internet)
Cuando elementos sin sujeción (o sueltos, como en la figura anterior) son movidos por un terremoto, las fuerzas inerciales pueden causar deslizamiento, oscilaciones y golpes con otros objetos o volcamiento, obstaculizándose el paso para el desalojo del edificio. Este es quizás el principal problema de estos elementos, que pueden llegar a bloquear las salidas de emergencia.
Un error común es pensar que los objetos grandes y pesados son estables y no tan vulnerables a los daños por sismos fuertes como los objetos livianos. De hecho, muchos tipos de objetos pueden ser vulnerables al daño por sismo causado por fuerzas inerciales, debido a que estas son proporcionales a la masa o peso de un objeto.

Dispositivos de disipación de energía para Sismorresistente Diseño Edificio

Otro enfoque para el control de daños sísmicos en los edificios y la mejora de su comportamiento sísmico es mediante la instalación de amortiguadores sísmicos en el lugar de los elementos estructurales, tales como tirantes diagonales. Estos actúan como amortiguadores de los amortiguadores hidráulicos en los coches - gran parte de los tirones bruscos son absorbidos en los fluidos hidráulicos y sólo poco se transmite arriba para el chasis del coche. Cuando la energía sísmica se transmite a través de ellos, amortiguadores absorben parte de ella, y por lo tanto amortiguan el movimiento del edificio.

Dispositivos de disipación de energía

Amortiguadores sísmicos utilizados comúnmente

1. Amortiguadores viscosos (energía es absorbida por base de silicona fluido que pasa entre la disposición de cilindro de pistón),
2. Amortiguadores de fricción (la energía es absorbida por las superficies de fricción entre ellos rocen entre sí),
3. Amortiguadores de rendimiento (energía es absorbida por los componentes metálicos que rendimiento).
4. Los amortiguadores viscoelásticos (energía es absorbida por la utilización de la cizalladura controlada de sólidos).

Así, mediante el equipamiento de un edificio con dispositivos adicionales que tienen alta capacidad de amortiguación, podemos reducir en gran medida la energía sísmica que entra en el edificio.

¿Cómo funciona?

Cómo amortiguadores funcionan
La construcción de un amortiguador de fluido se muestra en la (fig). Se compone de un pistón de acero inoxidable con cabeza orificio de bronce. Está lleno de aceite de silicona. La cabeza del pistón utiliza pasajes de forma especial que alteran el flujo del fluido amortiguador y por lo tanto alteran las características de resistencia de la compuerta. Amortiguadores de fluido pueden ser diseñados para comportarse como un disipador de energía pura o un resorte o como una combinación de los dos.
Un amortiguador viscoso fluido se asemeja el amortiguador común, tales como las que se encuentran en los automóviles. El pistón transmite la energía que entra en el sistema para el fluido en el regulador de tiro, haciendo que se mueva dentro del amortiguador. El movimiento del fluido dentro del fluido amortiguador absorbe esta energía cinética mediante la conversión en calor. En los automóviles, esto significa que un choque recibida en la rueda se amortigua antes de que alcance el compartimiento de pasajeros. En los edificios que esto puede significar que las columnas del edificio protegidos por amortiguadores sufrirán mucho menos movimiento horizontal y daños durante un terremoto.

Amortiguadores viscosos fluidos

Licuación de Suelos

La foto muestra una impresionante falla de suelo ocurrida durante el terremoto de Niigata, donde edificios quedaron completamente inclinados y sin experimentar severos daños estructurales.
Existen dos fenómenos que se asocian con el término licuación y se relacionan con un aumento considerable de presiones de poros: Licuación Verdadera y Movilidad Cíclica.
Licuación Verdadera o Falla de Flujo:
Se refiere a una repentina pérdida de resistencia y en el que la masa de suelos fluye asemejándose a un fluido viscoso. El agente gatillante de esta falla puede o no ser de tipo dinámica.
Un ejemplo es lo sucedido con la Presa de San Fernando, en 1971, cuya falla se estima habría comenzado un minuto y medio después de ocurrido el sismo.

Falla en Presa San Fernando
Otro caso corresponde a la Mina de Oro Japonesa Mochikoshi, que experimentó la falla de uno de sus diques 24 horas después de ocurrido el sismo en el año 1978 (no es necesaria la acción permanente de la perturbación).
Movilidad Cíclica o Licuación
Corresponde a la disminución de la rigidez asociada al incremento de presión de poros durante una solicitación cíclica, y que conlleva a un aumento considerable de las deformaciones.
Uno de los pocos registros en vídeo que existían hasta hace un tiempo es la grabación durante el terremoto de Niigata, Japón (1964).

Daños estructurales en construcciones patrimoniales de la Iglesia Católica en la Arquidiócesis de Concepción producto del sismo del 27 de febrero 2010

Introducción
Este artículo presenta las inspecciones estructurales realizadas a varias construcciones como la Catedral de Concepción e iglesias y capillas pertenecientes al Arzobispado de Concepción. Este trabajo fue encomendado por las autoridades de la Universidad Católica de la Santísima Concepción, el Rector Dr. Juan Cancino y el Gran Canciller Monseñor Ricardo Ezzati, a través de la Vicerrectoría de Asuntos Económicos y Administrativos. La duración de los trabajos fue de alrededor de 3 meses. Si bien se inspeccionaron 34 iglesias y otras estructuras, sólo se presentan análisis de las más importantes y simbólicas.
Se entregan algunos aspectos generales del sismo del 27/02/2010 y una comparación con otros eventos ocurridos en tiempos pasados. Además se presenta una descripción de las estructuras resistentes, los daños observados y se realiza un análisis de las causas de dichos daños. Esta información fue parte de los informes estructurales utilizados para su reparación. Las estructuras inspeccionadas corresponden a la Catedral de Concepción, El Sagrario y la Iglesia La Pompeya, todas ubicadas en el centro de Concepción. Además, se inspeccionó el Templo Parroquial Jesús Obrero, ubicado en el sector Schwager de Coronel y el Santuario de Yumbel. La Figura 1 muestra la ubicación geográfica de las estructuras inspeccionadas de Yumbel y Schwager respecto a Concepción.


A pesar de que se han publicado trabajos sobre los efectos del terremoto del 27 de febrero 2010, estos han sido principalmente sobre daños en edificios habitacionales y en estructuras industriales (GEER 2010, Betanzo, 2010). Es por ello que este trabajo aporta en la investigación de estructuras de iglesias, las cuales son en general más antiguas y por lo tanto ya han sufrido antes grandes terremotos.
Aspectos generales del sismo
El sismo del 27 de febrero del año 2010, de magnitud momento 8.8, tuvo su epicentro en las costas de Cobquecura, región del Bío Bío. Para mayor información sobre este terremoto revisar Barrientos (2010) y Quezadaet al. (2010). La Figura 2 muestra la localización del epicentro, el cual se ubicó a 100 km al norte de la ciudad de Concepción, lo que explica la gran intensidad del sismo en esta zona.

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

Guía de Evaluación Sísmica de Daños Sísmicos

 

I. INTRODUCCION

El reciente terremoto ocurrido el 27 de febrero de 2010 sometió a las construcciones a una energía de movimiento mayor de la que históricamente había sucedido en la zona central del país provocando daños de diversa consideración en los edificios.
El objetivo del diseño sismoresistente, regido en Chile por la norma NCH 433. Of. 96, es impedir que la estructura resistente de un edificio colapse o se desmorone evitando así la pérdida de vidas humanas. Pero es prácticamente imposible que un sismo de tal magnitud no provoque algún tipo de daño en las construcciones.
Los propietarios de viviendas en altura o de pocos pisos pueden realizar una evaluación previa de los daños sufridos por sus propiedades siguiendo algunas sencillas recomendaciones que se entregarán en esta guía.
· Es importante distinguir entre daño estructural y no estructural. El primero es el sufrido por el sistema o esqueleto resistente del edificio (pilares, vigas, muros de carga, losas) y que compromete su estabilidad constituyendo un real peligro para los habitantes; el segundo se refiere a todos los elementos constructivos no resistentes (ciertos muros, tabiques y otros) que no comprometen la estabilidad de la obra, pero dependiendo de la magnitud del daño sufrido pueden constituir un peligro a la integridad física de los ocupantes.
· La aparición de fracturas y grietas en tabiques no estructurales pueden parecer daños realmente espectaculares, pero es importante recordar que éstos no tienen relación con la estructura resistente del edificio y que incluso su rotura ayuda a disipar la energía en la estructura principal.
· También es posible que el sismo haya generado microfracturas en las instalaciones de la vivienda (electricidad, gas, agua) las que no son evidentes en un principio, pero pueden constituir un problema con el tiempo.
· Es recomendable que los propietarios realicen un catastro fotográfico de sus viviendas en el caso de existir seguros comprometidos o para postular a los diversos fondos de reconstrucción que podría ofrecer el gobierno.

· Es imprescindible que un especialista en estructuras evalúe lo antes posible la propiedad.

II. CONCEPTOS GENERALES
Fig. 1 Fig. 2
Fig. 1 y 2: El efecto de un terremoto sobre un edificio se incrementa con cada oscilación. Las fuerzas horizontales de corte actúan poderosamente sobre su base y sus solicitaciones se van incrementando según la altura del edificio.
· La acción sísmica se traduce en esfuerzos verticales y horizontales que actúan simultáneamente por vibración sobre la estructura. Para el diseño y análisis de estructuras se suele considerar a las cargas horizontales como las más significativas por las respuestas que generan en el edificio.
· Los edificios de baja altura se comportan mejor que los altos debido al incremento de la oscilación que se produce en los pisos altos. En cualquier caso la cimentación de sus estructuras debe estar debidamente arriostrada.
· Existen dos tipos básicos de estructuraciones para absorber los esfuerzos generados por los movimientos sísmicos del suelo:
1. Estructuración de pórticos formada por vigas y pilares.
2. Estructuración de muros, los que pueden tener o no dinteles o vigas de acoplamiento
En ambos casos es muy ventajoso el uso de losas para que desarrollen la función de diafragma rígido al nivel del cielo de cada piso, ya que con ello todos los elementos resistentes se incorporan a la labor de resistir los dañinos esfuerzos horizontales (de corte) que solicitan cada piso del edificio.

Fig. 3: Tipos de estructuraciones aptas para resistir cargas horizontales.
· La estructuración de muros resistentes presenta grandes ventajas sismoresistentes, ya que conforman sistemas muy difíciles de colapsar y ofrecen gran resistencia a las deformaciones laterales minimizando con ello los daños en los elementos no estructurales y en el equipamiento del edificio. Su desventaja es su alta rigidez que atrae esfuerzos sísmicos mayores los cuales deben ser disipados por sus cimientos, y la limitación que existe en el diseño de las plantas.
· Los pórticos proporcionan estructuras más flexibles que atraen menores esfuerzos sísmicos permitiendo la disipación de los mismos, y otorgan mayor libertad en el diseño de las plantas. Su gran flexibilidad permite, sin embargo, una mayor deformación que produce daños en los elementos no estructurales, pudiendo colapsar la estructura en sismos de gran severidad.
· En Chile en la construcción de edificios de vivienda en altura se suele utilizar preferentemente un sistema mixto de pórticos reforzados mediante muros de carga internos y externos. El caso nacional tiene una amplia y ventajosa experiencia en este tipo de construcciones. En estos casos los muros tienden a tomar una mayor proporción de los esfuerzos en los niveles inferiores, mientras que los pórticos lo hacen en los niveles superiores.
· Es importante distinguir los muros resistentes de aquellos tabiques que debido al estuco y terminaciones parecen serlo. Los primeros son generalmente de hormigón armado y continuos en todos los pisos (aunque algunos edificios antiguos suelen tener gruesos muros de albañilería de ladrillo como muros resistentes), mientras que los tabiques de albañilería o de otro material más ligero no presentan una función estructural, sólo separan dependencias y pueden no estar presentes en todos los pisos.

III. RECONOCIMIENTO DE DAÑOS

· Lo primero que debe hacer el interesado es reconocer el tipo de estructura que sostiene el edificio.
Posiblemente para esto se necesite la ayuda de un profesional. Es recomendable disponer de los
planos de arquitectura y estructuras.
Fig. 4: Principales elementos de una estructura resistente de hormigón armado, en un diseño de tipo tradicional.
·

Placas Tectónicas

Límites de placa

Los límites de placa se encuentran en el borde de las placas litosferica y son de tres tipos: convergente, divergente y conservativa. Amplias son zonas de deformación son características usuales de los límites de debido a la interacción entre dos placas. Los tres límites son caracterizados por sus movimientos distintos.

La primera clase de límite de placa es el divergente, o centro que se separa. En estos límites, dos placas se mueven lejos una de la otra. Como las dos se separaran, los cantos del medio del océano se crean como magma del manto a través de una grieta en la corteza oceánica y se enfrían. Esto, alternadamente, causa el crecimiento de la corteza oceánica de cualquier lado de los respiraderos. A medida que las placas continúan moviéndose, y se forma más corteza, el fondo del océano se amplía y se crea un sistema de canto. Los límites divergentes son responsables en parte de conducir elmovimiento de las placas.

Como usted puede imaginarse, la formación de la corteza nueva de cualquier lado de los respiraderos empujaría a las placas a apartarse, como vemos al canto del Medio Atlantico, que ayuda a Norteamérica y Europa a separase cada vez más lejos. Los cantos del Medio océano son encadenamientos extensos de montañas en el océano y son tan altos si no lo son aun más que los encadenamientos de montaña en el continente.

El proceso que conduce realmente al movimiento en estos cantos se conoce como convección. El magma es empujado hacia arriba a través de las grietas de los cantos por las corrientes de la convección. Mientras que un poco de magma entra en erupción hacia fuera a través de la corteza, el magma que no entra en erupción continúa moviéndose bajo la corteza con la corriente lejos de la cresta del canto. Estas corrientes continuas de la convección, llamadas células de la convección, ayudan a mover las placas ausentes de uno para permitir que más corteza sea creada y el suelo de mar crezca. Este fenómeno se conoce como separación del mar al suelo.

Los cantos del medio del océano también desempeñan un papel muy crucial en el desarrollo de la teoría de la tectónica de placas, debido a la calidadúnica que los minerales basalto que poseen. El basalto contiene una cantidad justa de minerales magnéticos, que alinean con el campo magnético de la tierra sobre la cristalización.

En el pasado, el campo magnético de la tierra ha cambiado la polaridad, causando una revocación en el campo magnético, que se preserva cuando los cristales se forman. La alineación de estos minerales magnéticos se puede utilizar para conocer la edad de la corteza, puesto que pueden ser correlacionados con edades de revocaciones magnéticas conocidas en la historia de la tierra. Esto desempeña un papel dominante en el desarrollo de la teoría de tectónica de placas porque es la primera prueba positiva que las placas se movían y lo habían estado haciendo durante la mayoría de tiempogeológico. La corteza más vieja del océano tuvo su origen hace 100-65 millones de años (cretáceo temprano), que es relativamente reciente en tiempo geológico.

Si este es el caso, ¿ a dónde se fue el resto de la corteza ?

Esto nos conduce al segundo tipo de límite de la placa, el convergente. Éstos son los márgenes de la placa donde una placa está reemplazando otra, de tal modo forzando a la otra a ir debajo de ella. Estos límites están en la forma de sistemas del foso y del arco de isla.

Toda la vieja corteza oceánica está entrando estos sistemas mientras que la corteza nueva se forma en los centros que se separan. Los límites convergentes también explican porqué la corteza más vieja que la cretácea no se puede encontrar en ningún fondo del océano -- ha sido destruida ya por el proceso del subducción.

Las zonas de subducción son donde se localizan los terremotos muy fuertes, que ocurren por la acción de la losa abajo que va obra recíprocamente con la losa que reemplaza. El " anillo del fuego " alrededor de los márgenes del Océano Pacífico es debido exactamente a las zonas del subduccion encontradas alrededor de los bordes de la placa del Pacífico.

La subducción también es la causa de la actividad volcánica en lugares como Japón: mientras que una losa va más profunda debajo de la placa que reemplaza, llega a ser más caliente y más caliente debido a su proximidad a la capa. Esto hace que la losa se derrita y forme el magma, que se mueve hacia arriba a través de la corteza y forma eventualmente los volcanes (arcos de isla) en corteza oceánica o masas intrusivas enormes (los plutons y los batolitos) en corteza continental.

Las islas aleutianas son otro ejemplo de la expresión superficial de la subducción.

Estudio del comportamiento del hormigón armado ante esfuerzos normales y tangentes mediante modelos seccionales de interacción Completa

 

El análisis del comportamiento de los sistemas estructurales puede abordarse mediante diferentes niveles de idealización, pasando desde la consideración del mismo como un sólido tridimensional, hasta su asimilación a un sistema reticular de barras caracterizadas por una sección transversal, tal como se representa en la Fig. 1.
Si bien la modelización como sólido puede ser más representativa de la realidad física de las estructuras de ingeniería, se debe reconocer que los modelos de barras presen- tan ventajas importantes respecto a aquélla. Aunque habitualmente se suele mencionar como principal ventaja el menor coste computacional de los modelos de barra, lo cierto es que ésta, aunque importante, va perdiendo relevancia con el desarrollo de software y hardware más eficientes. Actualmente, los principales aspectos que hacen que los mo- delos de barras sigan siendo, con diferencia, los más empleados para idealizar estructuras de ingeniería civil son:
• Facilidad en la construcción del modelo
• Interpretación de resultados en términos de esfuerzos generalizados directamente aplicable al dimensionamiento
• Reducción de grados de libertad del
sistema
• Menor coste computacional
• Resultados muy satisfactorios para las regiones “B” gobernadas por esfuerzos normales.
Los modelos de barras se han aplicado al análisis no lineal de estructuras de forma satisfactoria, siendo capaces de reproducir numerosos fenómenos que tienen lugar en el hormigón armado, incluyendo el comportamiento post- fisuración, próximo a la rotura, fenómenos di- feridos, acciones ambientales, etc. Ver Marí (1), Marí y Bairán (2), entre otros. En este sentido, la respuesta de toda la barra viene caracteriza- da por la respuesta de la sección transversal. Por lo tanto, una adecuada simulación de la respuesta de la sección ante los esfuerzos a la que se ve sometida es trascendental en los resultados predichos.
A pesar de la versatilidad de los modelos de barras es necesario reconocer ciertas carencias implícitas en las formulaciones de los mismos. Concretamente, al considerar que los elementos son suficientemente lar- gos, se desprecia la existencia de tensiones y deformaciones en direcciones diferentes a la normal a la sección, por lo tanto, sólo son capaces de reproducir los efectos de esfuerzos normales: axil y flexión. Asimismo, la geometría de la sección transversal
es invariable con la solicitación y sólo es posible estudiar “regiones B”. Si bien estas limitaciones no afectan a un número importante de casos prácticos, resulta necesario mejorar algunas de ellas para reproducir fenómenos de carga más generales en estructuras constituidas de materiales como el hormigón armado. Por ejemplo, los esfuerzos tangenciales (cortante y torsión) y los efectos del confinamiento producido por armadura transversal o por encamisado de chapa. En el contexto de este artículo, se denominarán “elementos fibra tradicionales” a los modelos seccionales con estas características descritas en este párrafo.
Algunos de los aspectos que pueden mejorar- se son la existencia de un estado multiaxial de tensiones y deformaciones y la presencia de armadura transversal, cuya elongación implica la necesaria distorsión de la geometría de la sección transversal. Estas limitaciones hacen que exista un importante desequilibrio entre el nivel de precisión alcanzada para solicitaciones de esfuerzos normales puros respecto a los casos en que existen esfuerzo- zos tangenciales. El interés de incluir estas mejoras en los modelos de barras abarca un gran número de aplicaciones: evaluación del comportamiento no lineal de estructuras de hormigón ante cargas estáticas que producen fuertes solicitaciones normales y tangentes, evaluación de la capacidad de redistribución real de las estructuras, estudio de estructuras de compuestos no-isótropos, etc.
Entre estas aplicaciones, cabe resaltar la gran relevancia en el estudio del comportamiento sísmico de las estructuras de hormigón, ya que en los grandes terremotos recientes los fallos estructurales en elementos supuestamente bien construidos de acuerdo a normativas modernas tienen involucradas, de una u otra forma, esfuerzos de cortante o torsión, ver Fig.
2. Por otro lado, se debe tener en cuenta que, frecuentemente, en el proyecto sismorresistente se espera la formación de zonas plásticas en los extremos de las vigas y pilares donde los esfuer zos cortantes, momentos flectores y esfuerzos axiles son máximos al mismo tiempo. Más aún, el rango natural de trabajo de estas regiones es el no lineal. Por lo tanto, la necesidad de disponer de modelos de barras capaces de re- producir satisfactoriamente el comportamiento de estas regiones es evidente.
En los últimos años se ha realizado un gran esfuerzo en el desarrollo de modelos seccio- nales capaces de dar solución a las necesi- dades arriba indicadas, Vecchio y Collins(3), Petrangeli (4), Ranzo (5), Bentz (6), entre otros. En general, estos modelos abordan el problema de flexión recta de secciones simé- tricas o bien consideran el estado de carga
más general de forma

Vulnerabilidad sísmica, rehabilitación y refuerzo de casas en adobe

Resumen

Aproximadamente un quinto de la población mundial y alrededor de 35 millones de personas en Suramérica habitan en edificaciones de adobe y tapia pisada. Este tipo de edificaciones han demostrado un pobre comportamiento sísmico en los terremotos ocurridos en los últimos cincuenta años alrededor del mundo generando miles de muertes. Adicionalmente, en Colombia, una gran cantidad de construcciones históricas y culturales en tierra están localizadas en zonas de alta sismicidad. Con estos antecedentes, se desarrolló una investigación orientada a conocer el comportamiento de esta tipología constructiva en su estado actual y proponer alternativas de rehabilitación sísmica viables desde el punto de vista técnico. Las dos alternativas propuestas, refuerzo con malla y pañete y refuerzo con maderas de confinamiento, prueban ser factibles, presentando la segunda un mejor comportamiento sísmico relativo.

Introducción, justificación y antecedentes

La tierra es uno de los materiales más antiguos usados en la construcción de edificaciones. La construcción con tierra tiene miles de años de historia y existe evidencia arqueológica que sugiere la existencia de ciudades construidas enteramente en tierra: Jericó, Çatal Huyuk en Turquía, Harappa en Pakistán, Akhlet-Aton en Egipto, Chan-Chan en Perú, Babilonia en Iraq, Duheros en España, entre otras. Todas las grandes civilizaciones del Medio Este -los asirios, los babilonios, los persas y los sumerios- construyeron con tierra apisonada y con bloques de barro. Por otro lado, cuando los españoles empezaron su conquista del Nuevo Mundo, trajeron consigo el conocimiento de la construcción con adobe y tapia pisada. Fue así como se inició la construcción de las principales ciudades capitales del reino de la Nueva Granada. Las casas urbanas del común de la gente eran edificadas en uno o dos pisos en adobe y tapia pisada. Así mismo, en las ciudades se edificaron las construcciones religiosas levantadas en piedra, en tapia pisada o en ladrillo cocido sentado en argamasa. Con el avance de los siglos, el ladrillo cocido desplazó las técnicas de construcción con tierra y estos sistemas tradicionales han ido desapareciendo. Hoy en día sobreviven diversas edificaciones en tierra que deben ser preservadas.

Esquemas de falla y patrones de agrietamiento ante terremotos de las edificaciones en tierra

Las edificaciones de adobe y tapia pisada presentan usualmente unas características constructivas que contribuyen a aumentar su vulnerabilidad sísmica. Frecuentemente la edad de estas edificaciones y el deterioro de las propiedades mecánicas de sus materiales llevan a una disminución adicional de su capacidad de soportar un terremoto.

Los principales factores que contribuyen a aumentar la vulnerabilidad sísmica de viviendas en adobe y tapia pisada son: irregularidades en planta y en altura, distribución inadecuada de los muros en planta, pérdida de la verticalidad -o plomo- de los muros, problemas de humedad, filtraciones, conexión inadecuada entre muros, pérdida de recubrimiento de muros, uso de materiales no compatibles, entrepisos pesados y ausencia de diafragmas, apoyo y anclaje inadecuado de elementos de entrepiso y cubiertas sobre muros, entrepisos muy flexibles, luces muy largas y estructuración de cubierta deficiente.

Con base en las anteriores características, las edificaciones de dos pisos construidas en tierra presentan una mayor vulnerabilidad ante la acción de las fuerzas horizontales inducidas por un evento sísmico, tal como se presenta en la figura 1.

Debido a las deficiencias anteriormente mencionadas, las edificaciones construidas en mampostería de adobe y tapia pisada presentan mecanismos de colapso y patrones de agrietamiento que pueden ser agrupados de acuerdo con la Tabla 1.

cómo se producen los terremotos

Un terremoto o seísmo, es un fenómeno de sacudida brusca y temporal de la corteza terrestre producido por la liberación de energía acumulada en forma de ondas sísmicas. La mayoría se producen a raíz de los procesos geotectónicos, como movimientos y rupturas de la corteza terrestre.

Los terremotos tectónicos suelen ocurrir en zonas donde la concentración de fuerzas generadas por los límites de las placas tectónicas dan lugar a movimientos de reajuste en el interior y en la superficie terrestre, que comúnmente acontecen al final de un ciclo sísmico, período durante el cual se acumula deformación en el interior de la Tierra que más tarde se libera repentinamente generando el terremoto.

En esta interesante infografía realizada por la agencia RIA Novosti, se ilustra detalladamente la forma en la que se originan los terremotos, sus diversos tipos y los actuales métodos de pronósticos:

Vídeos Sobre Disipadores y Aisladores Sismico

Edificios Antisísmico

Ante temblores de intensidad similar, un edificio puede quedar reducido a escombros y otro mecerse al ritmo del seísmo sin sufrir daños mayores. El resultado, una tragedia con miles de muertos o una simple anécdota. La cimentación y las dimensiones de las estructuras son las claves para reducir el impacto de un terremoto
Tan devastadora puede ser la Naturaleza, que con apenas dos golpes de tierra ha acabado con más de 200.000 vidas. Los seismos que recientemente asolaron Haití y Chile hace que se replantee la necesidad de revisar los principios de construcción sismorresistente de ciertos países. Sin embargo, no siempre depende de la redacción de la norma, sino más bien de la falta de recursos, una nefasta gestión y, en ocasiones, de la potencia monumental del seísmo.
A diferencia de Haití, Chile sí estaba preparada para enfrentarse a una situación así, debido a los frecuentes movimientos de este tipo, de ahí que el número de muertos fuera mucho menor.
Ricardo Aroca Hernández-Ros, director el Departamento de Estructuras en Edificación de la Escuela de Arquitectura de Madrid, explica que «las víctimas por la caída de edificios, son atribuibles casi siempre a edificaciones de escasa importancia y altura, construidas con materiales frágiles y pesados (muros de mampostería, fábricas de ladrillo y bloque, forjados de viguetas), sin observar medidas sencillas, de bajo coste, (como el incluir en los muros una retícula de nervios de hormigón armado) que son práctica habitual en países como México, en los que hay una percepción social del riesgo sísmico».
Hace unas semanas, el Servicio Geológico Británico, explicaba que cada año se producen en el mundo 50 terremotos de la misma magnitud que el de Haití, que no causan este grado de destrucción y muerte porque ocurren en lugares próximos a placas tectónicas donde la construcción es más sólida, como Japón o California (EE UU). Además, en estos países las normas de construcción son muy estrictas. Sólo así se explica que en Japón, con frecuentes seismos por encima de la magnitud 6 grados en la escala de Richter, apenas se produzcan víctimas.
En respuesta al por qué los japoneses viven en una vibración casi constante y pese a ello no se vienen abajo, hay dos versiones. La primera atiende a la leyenda, que cuenta que las islas que conforman el país se sitúan sobre un gran pez o namazu, que vive enroscado bajo el mar. El llamado dios Kashima mantiene una gran piedra sobre el pez para impedir que se mueva, pero cuando se distrae, el pez se mueve y entonces tiembla la tierra.
La versión científica sostiene que se debe a que Japón se encuentra en la confluencia de cuatro placas tectónicas: Euroasíatica, Filipina, Pacífica y Norteamericana, y existe una gran actividad de movimiento entre ellas (fricción). La energía se acumula y se libera con repentinos movimientos tectónicos. 
Edificios antisísmicos
(click en la imagen para ampliar)
Imperturbables

Daño Sísmico Estructural

El daño sísmico estructural es el que sufren las vigas, las columnas, las losas o las cimentaciones durante un sismo. Es decir, es el deterioro de aquellos elementos o componentes que forman parte del sistema resistente o estructural de la edificación. 

El nivel de daño estructural que sufrirá una edificación depende tanto del comportamiento global como del comportamiento local de la estructura. Está relacionado con los tipos y la calidad de los materiales que se utilizan, sus características, su configuración, el esquema resistente y con las cargas que actúan.  

Algunos problemas en el diseño de edificios tienen que ver con la configuración geométrica y estructural, esta última se refiere al tipo, disposición, fragmentación, resistencia y geometría de la edificación. Es decir, si el edificio se aleja de formas y esquemas estructurales simples hace que estas tengan un comportamiento inestable ante sismos. Además, resultan ser estructuras difíciles de modelar en la etapa de diseño y muchas veces presentan dificultades de construcción.

1.La configuración geométrica

Este es un tema que debe ser tomado desde la etapa de diseño y comprendido por los ingenieros y los arquitectos, dado que tiene que ver con la distribución del espacio. Los principales problemas que se pueden presentar se relacionan con la longitud en planta, las plantas complejas y los escalonamientos en altura. 

• Longitud en planta  

Si las estructuras son muy largas, la excitación que se da en un punto de ella será diferente de la que se produce en un punto ubicado en el otro extremo. Este efecto es muy difícil de cuantificar y de resolver en la etapa de diseño, lo anterior no aplica para el caso de edificios cortos, dado que este efecto no es tan significativo. Además, las plantas largas permiten que los efectos de torsión se manifiesten por los movimientos distintos en el terreno. Esto puede solucionarse al partir las plantas largas en bloques independientes si se dejan juntas constructivas, esto permitirá que cada bloque se mueva independientemente y el choque entre módulos debe ser evitado por la separación de la junta de construcción.

Figura 1. Solución al problema de longitud en planta.

• Plantas complejas

Esta configuración es típica de plantas compuestas por alas de significativo que se orientan en distintas direcciones (por ejemplo en forma de X, H, o T). Esto provoca que se concentren esfuerzos entre el cuerpo principal y las alas, ya que estas trabajan como elementos empotrados en un cuerpo más rígido y propenso a sufrir menos deformaciones. La solución suele ser diseñar una junta constructiva entre las alas y el cuerpo central, que permiten que cada cuerpo se mueva sin estar atado al cuerpo principal.

Figura 2. Ejemplos de plantas complejas.

• Elevación

Los escalonamientos en elevación se diseñan con el objetivo de resolver problemas de iluminación y de proporción, pero estos provocan un cambio abrupto en la rigidez y en la masa de los pisos, que propicia la concentración de esfuerzos producto de las acciones sísmicas. Son preferibles las transiciones suaves para evitar este fenómeno.

Figura 3. Ejemplos de elevaciones complejas.

2. La configuración estructural

Los sitios donde se concentran los mayores esfuerzos (intensidad de una fuerza) en las estructuras son las uniones y conexiones entre elementos estructurales, por ejemplo las conexiones viga-columna, y columna-cimiento. Estas zonas deben soportar las mayores fuerzas cortantes y momentos debidos a flexión y por ello su diseño debe realizarse cuidadosamente, en especial, verificando la distribución del acero de refuerzo en los nudos, o la cantidad y tipo de soldadura a utilizar si son elementos de acero, y además, contar con una adecuada inspección durante su construcción.   

Los principales problemas que se pueden presentar tienen que ver con: las altas concentraciones de masa en niveles superiores, columnas débiles, menor resistencia de columnas que vigas, pisos blandos o suaves, falta de confinamiento del concreto en columnas, falta de redundancia, flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso, la torsión entre pisos y el desplazamiento relativo entre pisos. 

• Altas concentraciones de masa en niveles superiores

Las fuerzas sísmicas son proporcionales a la masa, entonces si en un piso superior se concentran elementos como tanques de almacenamiento de agua, equipos, bodegas o archivos, las fuerzas sísmicas aumentan en ese nivel. Lo recomendable es colocar estos elementos pesados en el sótano o en sitios aledaños a la estructura principal.

Figura 4. Efecto de las concentraciones de masa en niveles superiores.

• Columnas débiles

Las fuerzas sísmicas se distribuyen proporcionalmente a la rigidez y resistencia de los elementos estructurales verticales. Entonces, si la rigidez de las columnas o paredes que soportan la estructura sufre un cambio brusco ya sea por confinamiento de las paredes hasta cierta altura de los marcos, por desniveles del terreno, por nivel intermedio entre dos pisos, se concentrarán los esfuerzos y se acumulará energía en el piso más débil, dado que el nivel donde se interrumpen los elementos verticales es más flexible que los demás, lo que permite que se produzca un problema de estabilidad.

Figura 5. Problema de columnas débiles.

• Menor resistencia de columnas que vigas

Si las columnas tienen menor resistencia que las vigas, las primeras fallarán primero lo que provoca que la estructura se vuelva un  mecanismo y esta colapse. La falla puede ser reparada si se da en las vigas.

Figura 6. Efecto de una menor resistencia en columnas que en las vigas.

• Pisos blandos o suaves

Son pisos donde los elementos estructurales verticales son interrumpidos, para ofrecer más espacio en ese piso o por razones arquitectónicas, generalmente en los niveles de acceso. Esto produce un debilitamiento de la rigidez de los elementos verticales en ese piso.

Figura 7. Piso blando por interrupción de elementos.

• Falta de confinamiento del concreto en columnas

Se produce cuando se utilizan pocos o ningún aro de confinamiento del concreto, por lo que el núcleo de los elementos sometidos a flexocompresión falla en forma explosiva.

Figura 8. Esquema de falla por falta de confinamiento del concreto.

• Falta de redundancia

Se debe buscar que la resistencia a fuerzas sísmicas dependa de varios elementos, puesto que si se cuenta con pocos elementos resistentes (falta de redundancia), la falla de uno de ellos provocará el colapso total o parcial de la estructura.

Figura 9. Ejemplo sobre la falta de redundancia.

• Flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso

La flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso produce deformaciones laterales no uniformes, que son perjudiciales para los elementos no estructurales adosados al diafragma. Son debidas a una relación muy grande largo/ancho (mayor que 5), y a aberturas creadas en el diafragma para efectos de iluminación, ventilación, que impiden que este funcione como un cuerpo rígido.

Figura 10. Ejemplo sobre flexibilidad excesiva en el diafragma.

• Torsión entre pisos

La torsión entre pisos se produce por la excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez en un piso, debido a que los elementos rígidos están colocados de manera asimétrica en un piso (ductos de elevadores), o a la colocación de grandes masas en forma asimétrica respecto al centro de masa. Generalmente se produce en edificios de esquina, debido a la gran rigidez que presentan los muros de colindancia, pero basta con que se excedan ciertos límites de excentricidad (una mala distribución de la rigidez lateral) para que se produzcan efectos negativos de la torsión.

Figura 11. Ejemplos de arreglos estructurales que producen torsión.

• Desplazamiento relativo entre pisos.

El desplazamiento relativo entre pisos (excesiva flexibilidad de los marcos) y dimensiones de juntas constructivas insuficientes, provoca daños en paredes de cerramiento por la excesiva flexibilidad de los marcos. Los desplazamientos laterales excesivos se deben a las grandes distancias entre los elementos de soporte (claros o luces), las alturas y las rigideces de los mismos. Se pueden tener como problemas: inestabilidad estructural y daños en elementos no estructurales adosados a niveles contiguos.

Figura 12. Choque entre dos edificios que se mueven distinto.