Condiciones geológicas-geotécnicas de la cuenca de Santiago y su relación con la distribución de daños del terremoto del 27F

Condiciones geológicas-geotécnicas de la cuenca de Santiago y su relación con la distribución de daños del El terremoto del 27F de magnitud Mw = 8.8, afectó a una extensa área del país y dejó una cifra estimada de más de 2 millones de damnificados. En la Región Metropolitana, los daños más graves se centraron en viviendas antiguas, no obstante, también se presentaron daños importantes en construcciones modernas. Con el objetivo de identificar las variables geológicas y geotécnicas de la cuenca de Santiago que influyeron en su respuesta sísmica, se realizó un catastro de las estructuras con daño estructural en la Provincia de Santiago, contabilizando un total de 10705 viviendas y 560 estructuras de dimensión mayor dañadas. En paralelo, se efectuó la caracterización de las condiciones geológicas-geotécnicas de la cuenca, considerando los siguientes factores: basamento rocoso, nivel freático, frecuencia fundamental y marco geológico. Conjuntamente, se estudia la influencia de antiguos cursos de agua que pueden haber generado depósitos de sedimentos sueltos, o blandos. Los resultados del análisis indican los mayores daños se produjeron en estructuras cimentadas sobre depósitos de suelos finos (unidad VII) y sobre depósitos de ceniza volcánica (unidad VI). Asimismo, se evidenció una cierta concentración de daños irreparables en la zona final de la lengüeta de la unidad Illa (depósitos aluviales), caracterizada en su tramo final por depósitos de suelos finos.

Introducción

El mega terremoto del 27 de febrero del 2010 afectó a una importante parte del país, registrando daños que abarcaron transversalmente distintos tipos de estructuras, como viviendas, edificios de gran altura, hospitales, aeropuertos, iglesias y obras viales (puentes, rutas, pasos sobre nivel). A raíz de ello, y considerando que Chile se encuentra en un ambiente tectónico en permanente actividad, diversos grupos disciplinarios han realizado estudios de los posibles factores causantes de los daños, entre los cuales se distingue el fenómeno de amplificación sísmica del terreno. En este contexto y considerando que la cuenca de Santiago representa cerca del 40% de la población nacional (INE, 2002), es de vital importancia el reconocimiento y análisis de los factores que influyeron en su comportamiento sísmico. Consecuentemente, en este trabajo se analizan los daños ocurridos a través de un catastro realizado a las obras que presentaron daño estructural en las 32 comunas de la Región Metropolitana RM. En particular se analizó como posible causa de los daños, antiguos cursos de agua que podrían haber sido rellenados con materiales no controlados, o haber depositado sedimentos blandos o sueltos. Para ello se compararon las antiguas vías de aguas con las actuales, utilizando mapas históricos de la RM. Adicionalmente, se realizó la caracterización de las condiciones geológicas-geotécnicas de la cuenca de Santiago, que en definitiva podrían permitir explicar las concentraciones de daños observados en ciertos sectores. Los parámetros analizados son: profundidad del basamento rocoso, profundidad de la napa subterránea, frecuencia fundamental de los depósitos de suelos y geología.

Catastro de daños generados por el terremoto del 27F

El catastro de obras con daños estructurales en la Provincia de Santiago fue hecho en base a los registros disponibles de las 32 municipalidades de la Provincia de Santiago. Los daños se dividieron en dos categorías dependiendo del tipo de edificación: Categoría A: correspondiente a las viviendas de uno o dos pisos. Se contabilizaron un total de 10705 viviendas con daños estructurales. Categoría B: correspondiente a toda estructura que no clasifique como categoría A, es decir, edificios, blocks habitacionales, hospitales, establecimientos educacionales, edificios patrimoniales o galpones. Se contabilizaron un total de 560 estructuras de dimensión mayor. Adicionalmente, se han identificado aquellas estructuras importantes que presentaron daño estructural severo. Estos daños son divididos en dos tipos: Tipo 1: Estructura Habitable sólo después de reparaciones y refuerzo estructural y Tipo 2: Estructura No habitable, no es posible rehabilitar el edificio.

En las Figuras 1a, 1b y 1c se presentan la distribución de los daños en todas las estructuras (Categoría A y B), los daños en estructuras de Categoría B y los daños severos, respectivamente. En la Figura 1c se presenta en negro las estructuras con daño Tipo 1 y en rojo las estructuras Tipo 2. Se desprende que los daños Tipo 1 se ubican en toda la zona central de la cuenca, mientras que los daños Tipo 2 se ubicaron mayoritariamente en el sector sur. En la Tabla 1 se detallan las estructuras que presentaron el daño estructural más severo (Tipo 2).

Figura 1: Ubicación de daños producto del 27F en la 
Provincia de Santiago, a) estructuras Categoría A y B, 
b) estructuras de Categoría B y c) estructuras con 
daños severos

Tabla 1: Identificación de estructuras con daños severos

Con respecto al número de viviendas existentes en cada comuna, resultan con mayor porcentaje de daños las de Quinta Normal (5.9%), seguido por Pedro Aguirre Cerda (4.6%) y Cerro Navia (3.8%). Respecto del número total de viviendas dañadas, Quinta Normal resulta con un 16.9% de los daños, Pedro Aguirre Cerda con un 12.3% y Cerro Navia con un 12.8%. Por otra parte, para los daños en estructuras de Categoría B, las comunas más dañadas fueron Pedro Aguirre Cerda con 86 estructuras dañadas, seguido por Providencia con 57 y Ñuñoa con 43 estructuras.

Características geológicas-geotécnicas de la cuenca y los daños ocurridos en el 27F

Topografía superficial

En la Figura 2a se presenta la elevación topográfica de la zona de estudio, observándose cambios de pendientes muy suaves, con elevaciones que descienden de este a oeste en franjas orientadas de norte a sur, desde los 1200 a 300 msnm. Los sectores de menor elevación son los ubicados en las comunas de Peñaflor y Talagante. La suave topografía es producto de la colmatación paulatina de sedimentos de origen fluvial, aluvial, lacustre y volcánicos provenientes principalmente del borde oriental de la cuenca. En la Figura 2b se presentan los daños en todas las estructuras y en la Figura 2c los daños severos. En ambas figuras se observa que los daños se distribuyeron en distintas elevaciones topográficas y estos daños no poseen un patrón de elevación determinado.

Figura 2: a) Elevación topográfica, b) daños estructuras categoría A y 
B y c) daños severos

Basamento rocoso

La morfología del basamento rocoso se ha basado en el modelo tridimensional realizado por Araneda et al. (2000) en la cuenca de Santiago, obteniéndose el mapa de profundidades de la Figura 3a. Se observa la irregularidad del basamento, con depresiones de más de 500 m y una serie de cerros islas de hasta 480 m de altura. A excepción de la alta concentración de daños en la comuna de Pudahuel (ver Figura 3b), justo donde la roca se encuentra más profunda, entre 450 a 500 m, no se observa una concentración de daños en profundidades específicas.

Figura 3: a) Profundidad del basamento rocoso, b) daños categoría A y B 
y c) daños severos

Napa subterránea

Para la realización del mapa de aguas subterráneas en la zona de estudio, se consideró la información entregada por niveles estáticos de pozos de monitoreo reportados por la Dirección General de Agua DGA y el Banco Nacional de Aguas BNA. En la Figura 4a se presenta el mapa de profundidades del nivel freático en la cuenca de Santiago. Por un lado, los sectores con niveles freáticos más profundos se ubican al sureste de la cuenca con profundidades máximas entorno a los 150 metros. Las aguas subterráneas más superficiales se sitúan en la zona oeste, con profundidades mínimas entre 0 a 5 m. Por su parte, en la Figura 4b se presentan los daños en todas las estructuras y en la Figura 4c los daños severos. En estas figuras se observa que no existe una concentración de daños a una profundidad determinada de las aguas subterráneas.

Figura 4: a) Profundidad del nivel freático, b) daños estructuras categoría 
A y B y c) daños severos

Marco geológico

En la Figura 5 se presenta el mapa geológico de la zona de estudio con la descripción de cada unidad geológica. Leyton et al. (2010) define 10 unidades geológicas que conforman el relleno de la cuenca de Santiago. Estas unidades fueron definidas utilizando la información obtenida de pozos y de los estudios desarrollados por Valenzuela (1978), Wall et al. (1999), Milovic (2000), Fernández (2001, 2003), Sellés y Gana (2001), Rauld (2002) y Fock (2005), considerando las principales características granulométricas de los primeros 30 m de profundidad. En la Figura 6a se presentan los daños en todas las estructuras y en la Figura 6b los daños severos (en estructuras de categoría B Tipo 1 y 2), emplazadas sobre las 10 unidades geológicas de la cuenca.

Figura 5: Ubicación y descripción de las unidades geológicas de la cuenca de Santiago

Figura 6: a) Daños estructuras categoría A y B y b) daños severos

De acuerdo a las Figuras 6a y 6b se desprende que los daños se concentraron principalmente en la unidad VII, correspondiente a depósitos de suelos finos, en la unidad VI de ceniza volcánica y al final de la lengüeta de la unidad IIIa. Cabe mencionar que en el caso de la comuna Pedro Aguirre Cerda, la mayor densidad de daños se concentró al final de la lengüeta de la unidad IIIa. También se observa que los daños más severos (Tipo 2) se ubicaron mayoritariamente alrededor de esta lengüeta. De acuerdo a lo analizado por Nichols (2009), la gradación a lo largo del eje de un abanico aluvial (unidad IIIa) tiene relación con la pérdida de energía del flujo a lo largo de su recorrido. Por lo tanto, los depósitos de material grueso con escaso contenido de finos se relacionan con flujos de alta energía, característicos del ápice del abanico. En la zona media se encuentran depósitos de gravas y arenas, y en la parte distal del abanico se encuentran depósitos de sedimentos finos con un alto contenido arcilloso en zonas de baja pendiente donde se pueden asociar a flujos de menor energía. En consecuencia, al final de la lengüeta de la unidad IIIa existirían niveles de suelos finos (superficiales) que explicarían el pobre comportamiento de estas zonas durante el 27F. Esta lengüeta podría situarse en un área mayor a lo detallado en el mapa geológico. En la Figura 7 se presentan perfiles longitudinales de la topografía superficial de la cuenca desde las coordenadas Este 340.000 a 360.000 y Norte 6.290.000 a 6.300.000 en donde se observa el fuerte cambio de pendiente que hay en el sector donde se podría ubicar los sedimentos finos de la lengüeta, con pendientes de 0.3 a 0.9% en un primer tramo y luego un cambio brusco de pendiente desde 6 a 12%. Lo anterior podría traducirse en un primer tramo de baja pendiente formado por la depositación de sedimentos finos del abanico y un segundo tramo, al este, con una depositación de suelos más gruesos que se depositaron con una pendiente mayor.

Construcción de Estructuras mas Seguras

En este siglo, los grandes terremotos en los Estados Unidos se han dañado o destruido numerosos edificios, puentes y otras estructuras. Al monitorear cómo las estructuras de responder a los terremotos y la aplicación de los conocimientos adquiridos, los científicos e ingenieros están mejorando la capacidad de las estructuras para sobrevivir un terremoto mayor. Muchas vidas y millones de dólares ya han sido salvadas por esta investigación en curso.

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La Pirámide de Transamerica en San Francisco, construido para resistir terremotos, se tambaleó más de 1 pie, pero no fue dañado en la Loma Prieta 1989, California, terremoto.

El 17 de octubre de 1989, la magnitud 7,1 terremoto de Loma Prieta golpeó las montañas de Santa Cruz, en el centro de California.Sesenta kilómetros de distancia, en el centro de San Francisco, los ocupantes de la Pirámide Transamérica se ponía nervioso como el edificio de oficinas de 49 pisos sacudió durante más de un minuto. US Geological Survey (USGS) instrumentos instalados a principios de año, demostró que la planta superior se tambaleó más de 1 pie de lado a lado. Sin embargo, nadie resultó gravemente herido, y la Pirámide Transamérica no fue dañado. Este famoso hito de San Francisco había sido diseñado para soportar mayores tensiones del terremoto, y que el diseño funcionó como estaba previsto durante el terremoto.

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Los terremotos son un peligro muy extendida en los Estados Unidos. Colores muestran magnitudes de terremotos históricos: rojo, 7 o superior, de color anaranjado, 5,5 a 7, de color amarillo, 4,5 a 5,5. El Servicio Geológico de EE.UU. opera instrumentos en muchas estructuras en las áreas sísmicamente activas se muestran.Estos instrumentos miden cómo las estructuras responden a los temblores.

Diseño y construcción de estructuras de gran tamaño es siempre un reto, y ese reto se complica cuando se construyen en zonas propensas a terremotos. Más de 60 muertos y cerca de $ 6 mil millones en daños a la propiedad como resultado del terremoto de Loma Prieta. Como los científicos terrestres aprender más sobre el movimiento del suelo durante los terremotos y los ingenieros estructurales utilizar esta información para diseñar edificios más fuertes, pérdida de la vida tal y los bienes pueden ser reducidos.

Para diseñar estructuras que puedan resistir terremotos, los ingenieros deben comprender las tensiones causadas por agitación. Para este fin, los científicos e ingenieros Coloque los instrumentos en las estructuras y cercanos en el suelo para medir cómo las estructuras de responder durante un terremoto para el movimiento de la tierra debajo. Cada vez que un fuerte terremoto ocurre, la nueva información recopilada permite a los ingenieros para afinar y mejorar los diseños estructurales y de construcción. En 1984, la magnitud 6,2 Morgan Hill, California, terremoto sacudió el West Valley College campus, a 20 millas de distancia. Instrumentos en el gimnasio de la universidad demostró que el techo era tan flexible que en un terremoto más fuerte o más cerca del edificio podría dañarse seriamente, amenazando la seguridad de los ocupantes. En ese momento, estos diseños de techo flexibles fueron permitidas por el Código de Construcción Uniforme (un conjunto de normas utilizadas en varios países). Muchas instalaciones industriales en todo el país fueron construidas con techos de este tipo.

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Registros sísmicos (parte superior derecha) obtenidos durante el 1984 Cerro Morgan, California, el terremoto dio lugar a una mejora en el Código Uniforme de Construcción (un conjunto de normas utilizadas en varios países).El centro del techo del gimnasio sacudió lateralmente tres a cuatro veces tanto como los bordes. El Código ha sido revisado para reducir la flexibilidad de estos sistemas de techo de gran envergadura y de ese modo mejorar su resistencia sísmica.

Los códigos de construcción ofrecen la primera línea de defensa contra los daños de un terremoto futuro y ayudar a garantizar la seguridad pública. Los registros de suscitar una respuesta a los terremotos, especialmente los de estructuras que fallaron o fueron dañadas, han dado lugar a numerosas revisiones y mejoras en los códigos de construcción. En 1991, como resultado directo de lo que se ha aprendido sobre el techo West Valley College gimnasio, el Código Uniforme de Construcción fue revisado. Ahora se recomienda que los techos sean hechas menos flexible y por lo tanto más capaces de soportar grandes terremotos cercanos.

Científicos de la Tierra comenzó a registrar los terremotos de 1880, pero no fue hasta la década de 1940 que los instrumentos fueron instalados en edificios para medir su respuesta a los terremotos. El número de instrumentos instalados en strucures aumentó en las décadas de 1950 y de 1960. Los primeros datos abundantes sobre la respuesta de las estructuras de vino del devastador de 1971 en San Fernando, California, terremoto, que produjo varios discos docena. Estos registros fueron primitivo para los estándares de hoy. Los primeros registros de instrumentos sofisticados como para medir la torsión de un edificio se obtuvieron durante el 1979 Valle Imperial, California, terremotos.

Hoy en día existen instrumentos instalados en hospitales, puentes, presas, acueductos y otras estructuras a través de las zonas propensas a los terremotos de los Estados Unidos, incluyendo Illinois, Carolina del Sur, Nueva York, Tennessee, Idaho, California, Washington, Alaska y Hawai. Tanto la División de California de Minas y Geología (CDMG) y el USGS operar instrumentos en California.El USGS también opera instrumentos en las otras regiones sísmicamente activas de la nación.

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Científicos del USGS han instalado instrumentos en una variedad de estructuras en los Estados Unidos para controlar su comportamiento durante los terremotos. Los ejemplos que se muestran incluyen una presa, un puente de apoyo a un gran acueducto, un puente de la autopista, y un hospital de veteranos.

La mayoría de las muertes y lesiones causadas por los terremotos son causados ​​por el daño o colapso de edificios y otras estructuras.Estas pérdidas se pueden reducir a través de documentación y comprensión de cómo las estructuras de responder a los terremotos.Obtener conocimiento tal, requiere un compromiso a largo plazo, ya que grandes terremotos devastadores se producen a intervalos irregulares y largos a menudo. Instrumentos de registro debe estar en su lugar y en espera, listo para capturar la respuesta al terremoto próximo siempre que ocurra. La nueva información adquirida por dichos instrumentos a continuación, se puede utilizar para diseñar mejor las estructuras resistentes a los terremotos. De esta manera, los científicos e ingenieros de la tierra ayudan a reducir la pérdida de vidas y bienes en futuros terremotos.

Via USGS

Diseño Sísmico Estructuras de Retención

El diseño sísmico de estructuras de retención es un área de discusión con el activo

desarrollo de la última generación de códigos y por lo tanto el rendimiento de retener las estructuras en el 27 de febrero TH evento fue de gran interés inmediato. Muchos tipos diferentes de retención estructuras, que van desde modernos mecánicamente estabilizada paredes y pilares de puente a mayores estructuras de hormigón cantilever y gravedad fueron sometidas a movimientos de tierra fuerte durante la m evento 8,8. Su desempeño fue uniformemente bueno, si no excelente y no hay problemas significativos se han reportado u observado durante el reconocimiento. Del mismo modo, ningún daño de la pared de sótano

se ha informado de ningún tipo. Los fracasos raras o daños cuando parecen ser debido a

defectos de construcción. El propósito de esta sección del informe es así mostrar ejemplos de varios tipos de estructuras observadas durante el reconocimiento con el fin de proporcionar la documentación de referencia para posibles futuros análisis detallados.

Muros de contención estabilizados mecánicamente – paredes de terraplén de tierra mecánicamente estabilizada,

específicamente muros de tierra reforzada, se han utilizado muy ampliamente en Chile para carretera terraplenes, particularmente para pasos a desnivel y estribos del puente. En el gran Santiago

área metropolitana de allí son numerosos pasos inferiores, pasos a desnivel y rellenos de laderas retenidos con Muros de tierra reforzadas. Su desempeño fue excelente, incluso cuando puentes apoyado por la estribos fallados por deslizar sus asientos como sucedió en varios casos, como se muestra en Figura 12.1. El mismo nivel de rendimiento se ha producido a lo largo de la principal autopista norte-sur,

Ruta 5. Figura 12.2 muestra un pilar de un puente colapsado con tierra reforzada a través de una línea de ferrocarril. En este caso, el terraplén de enfoque al norte de este puente de ferrocarril fallido tenía la mayor

fracaso (ver sección 9.15), sin embargo, los pilares mismos no mostraban signos de

deformación apreciable. En este caso, también es compatible el puente mayor adyacente con múltiples realiza muy bien y no mostraron evidencia de daños.

Figura 12.1. Intersección de Americo Vespucio Norte y la Independencia. Pilar de un puente colapsado. (33 ° 21' 57 \"S, 70 ° 41'17.71\" W)

Del mismo modo, bloque frente pared mecánicamente estabilizada realizada muy bien. Figura 12.3 muestra un bloque frente mecánicamente estabilizada enfoque de puente que perdió la parte superior de hilera de bloques pero de lo contrario se mantuvo intacto.

Figura 12.2. Estribos de puente de tierra reforzadas en un cruce de ferrocarril derrumbado en la ruta 5 norte de Parral

(36.0803 ° S, 71.788 ° W)

Figura 12.3. Bloque frente embakment mecánicamente estabilizada, intersección de Americo Vespucio Norte y

Lo Echevers. (33 ° 22'34.54 \"S, 70 ° 44' 52,83\" W)

Figura 12.4 muestra una fotografía de otro MSE típica estructura de retención. Esta pared, situado al oeste de Chillán, fue aproximadamente de 6 m de altura y no exhibió ningún daño a pesar de inestabilidad de la pendiente superficial en la ladera de relleno de aproximación adyacente.

Figura 12.4 MSE sin daños wingwall en estructura de puente sobre la carretera 152, al oeste de Chillán, a pesar de deslizamiento del talud de relleno adyacente (S36.6588, W72.2776).

Convencionales, gravedad de hormigón y estructuras en voladizo – hormigón convencional gravedad y estructuras de retención del mismo modo se realizan muy bien en muchos lugares diferentes. Figura 12.5 muestra la estructura de una puente en la carretera costera al sur de Coronel,

unos 140 km al sur del epicentro en un área que experimentó sacudida significativa.

La estructura no experimentado ninguna angustia y las estructuras del puente fueron completamente funcionales después el evento.

Figura 12.5. Múltiples estructuras de retención para la carretera paso superior en el extremo sur de estructuras de Coronel (37.0455 ° S,

73.1421 ° W)

Lo más importante, hubo numerosos diques de enfoque de puente que se agitaron con intensidad suficiente para experimentar caída superficial, pero que forman el pilar muros de contención funcionó muy bien y no mostró evidencia de daño. El puente cubiertas por otro lado a menudo fueron compensadas y se astilló los asientos de hormigón o completamente fracturada. Figura 12.5 muestra un tal terraplén de enfoque de puente y pared de Pilar en la ruta 5 norte de Chillán. El tablero del puente tenía andamios temporales apoyo en el otro pilar que estaba cerca de deslizamiento.

Figura 12.6. Desprendimiento superficial sobre un terraplén de enfoque de puente, con la proyección de abotment no evidencia de daño, ruta 5, al norte de Chillán.

Fue un fallo raro de la sección superior de una estructura de retención de hormigón armado observó en San Pedro, unos 110 km al sur del epicentro. La pared (Figura 12.7) fue situado a 3 km del enfoque sur el puente Llacolen (el puente intermedio

en el río Bio Bio conexión de concepción y San Pedro). La pared gruesa de 16 pulgadas fue reforzado verticalmente con barras Nº 3 o Nº 4 en centros de 12 pulgadas (Figura 12.8).

Error en la articulación superior como la parte superior pared derrocó al este aparentemente debido a las fuerzas inerciales. El relleno granular es claramente auto apoyo (Figura 12.9). Figuras

12.9 y 12.10 Mostrar filtraciones de agua detrás de la porción intacta de la pared y la corrosión de el refuerzo horizontal a lo largo de la articulación.

Figura 12.7. Error en concreto reforzado, conservando la estructura en San Pedro.

Figura 12.8. Derribaba parte de proyección de pared gruesa de 16 pulgadas doblado de barras de compresión y rompió la tensión barras.

Figura 12.9. Suelos de relleno granular y evidente detrás de parte fallida de la pared de la filtración de agua.

Figura 12.10. Corrosión del acero de refuerzo horizontal donde entrado agua en la articulación.

Estructuras de contención temporales – estructuras de retención temporales no fueron ampliamente

observado; Sin embargo, aquellos observaron actuaron bien. Figura 12.11 muestra temporal cimbra en Santiago que parece se han construido algunos meses antes de la

terremoto dado el crecimiento vegetativo en la cara de la pared. Los miembros verticales y una hilera de anclajes tieback aparecieron intactas mientras las gravas expuestas entre los miembros verticales experimentó algunos deshilache.

Figura 12.11. Estructura de retención temporal sin daños en Santiago.

Implicaciones del tsunami de Tohoku del año 2011 para la gestión de desastres naturales en Japón

 

El 11 de marzo del año 2011 un terremoto de magnitud 9.0 en la escala Richter tuvo lugar en el mar próximo a lacosta noreste de Japón, generando un tsunami que causó graves daños en las zonas costeras. Un gran número de edificios, incluso muchos de ellos construidos en hormigón armado, fueron destruidos o sufrieron daños extensos, y una gran parte de la flota pesquera terminó encallada en tierra. Muchas estructuras de defensa costera como diques, rompeolas u otras estructuras construidas para resistir tsunamis, también sufrieron graves daños. Ha sido uno de los peores tsunamis que ha afectado Japón a lo largo de su historia. De hecho, el así llamado Gran Terremoto y Tsunami del Este está considerado como un evento que se produce solo cada varios miles de años, al igual que el tsunami de Jogan del año 869 d.C. (Sawai etal., 2006). Esta zona de Japón, conocida con el nombre de Tohoku, ha sido frecuentemente atacada por tsunamis, como el Tsunami de Keicho en el año 1611, donde las olas llegaron hasta 4 km tierra adentro, causando grandes daños en la región (Sawai et al., 2006), o los tsunamis de Meiji-Sanriku de 1896 y Showa-Sanriku de 1933.
Como consecuencia de este tsunami se hace necesario revisar la filosofía detrás de la Gestión de Desastres Naturales en Japón. El desastre ha proporcionado muchas lecciones de cómo se podrían mejorar muchos aspectos de esta gestión, y estas lecciones afectarán las consideraciones teóricas, morales y éticas de dicha gestión. En este artículo los autores describen las principales características del evento y sus implicancias.
Mucho de lo que será discutido tiene su base en problemas intrínsecos a la actual manera de gestionar desastres naturales. Durante muchos años se ha debatido entre los Ingenieros de Costas japoneses y la comunidad que gestiona los desastres naturales si los métodos físicos de protección basados sólo en infraestructura, como los rompeolas o diques, son preferibles a los métodos de planificación como los sistemas de alerta o planes de evacuación. La magnitud del evento de marzo del 2011 ha intensificado el debate, y de hecho en Japón se está comenzando a llegar a un consenso a este respecto. La idea de que las estructuras de protección son siempre capaces de proteger la vida de los habitantes de la costa ha sido abandonada, especialmente a la luz de este último evento. La función de estas estructuras es por tanto dar protección a las propiedades durante los eventos de mayor frecuencia, pero de una intensidad menor, típicamente con un periodo de retorno de entre 50 a 60 años y entre 150 a160 años (intervalos de frecuencia usados en Japón). Estos eventos comienzan a ser referidos como "Tsunamis de Nivel 2". El objetivo de los métodos de planificación sería la protección de vidas, y estaría diseñado teniendo en mente los eventos más infrecuentes pero de mayor intensidad que comienzan a ser definidos como "Tsunamis de Nivel 1". El costo financiero de construir estructuras para proteger contra tsunamis es bastante elevado, y su efectividad no está del todo clara, sobre todo para eventos superiores al tsunami de diseño, como sucedió en marzo del 2011.
En el futuro la construcción de infraestructura sólo debería proceder si se establece que tienen sentido desde un punto de vista de costo-beneficio, especialmente considerando que sólo se espera que protejan las propiedades de las zonas costeras. Hoy en día no está claro hasta qué punto los métodos físicos contribuyeron a aliviar el daño causado por el tsunami, especialmente dado el extenso (a veces catastrófico) daño que sufrieron estas estructuras. Un análisis preliminar de la altura de ola en frente y detrás del rompeolas situado en la bahía de Kamaishi muestra como la estructura podría haber contribuido a reducir la altura de inundación entre un 40 y 50% (utilizando datos del Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group (2011) y de PARI (2011)), aunque realmente es necesario investigar este fenómeno mucho más a fondo.
Una parte de esta discusión sobre los métodos de planificación y de infraestructura se centra en si las áreas costeras pueden ser consideradas como lugares de recreo o como el origen de posibles amenazas. ¿Se debería preservar la belleza de estas áreas, o protegerlas de potenciales ataques provenientes del mar?. Japón es un país que periódicamente experimenta desastres naturales como terremotos, tsunamis y tifones, entre otros. Para protegerse contra tifones y tsunamis es necesario no solo construir defensas costeras sino que también es necesario la adecuación de ríos y laderas de montañas para proteger contra otras consecuencias de estos desastres, como inundaciones y remociones en masa. Por lo tanto, las consideraciones estéticas y de ingeniería pertinentes al caso de Japón no son necesariamente las mismas de otros países. Esto se refleja también en la mentalidad de la población e Ingenieros Civiles japoneses, que asocian la idea de problemas costeros con amenazas y como protegerse de ellas. Por ejemplo, la costa de Sanriku tiene una economía que depende de la pesca y otras industrias asociadas con esta actividad. Para la población que vive en estas áreas las consideraciones estéticas son seguramente secundarias comparado con la protección de vidas y de su estilo de vida. Por esto la implementación de métodos de defensa físicos es esencial para que la zona continúe siendo habitada y que la población viva en relativa paz con el mar. Este sentimiento en Japón es en general bastante diferente al de otros países de Europa o América del Norte, donde la implementación de estructuras de defensa sería difícil debido a la oposición de la población del lugar, que protestaría sobre el impacto de las estructuras sobre el ambiente.
El Gran Terremoto y Tsunami del Este del 2011 sin duda conllevará a profundas reflexiones sobre los conceptos y formas de gestión de riesgos referentes a tsunamis en Japón y en el mundo. La gran cantidad de daños y el elevado número de víctimas en un país que se consideraba bien preparado para los tsunamis sin duda creará grandes debates entre Ingenieros Costeros, las personas y organismos que gestionan zonas costeras y los gobiernos nacionales y locales. A pesar de las trágicas consecuencias de eventos como éste, es importante comprender que también presentan oportunidades para impulsar cambios en la utilización y protección de la costa e incrementar la capacidad de defensa de las comunidades contra futuros eventos. En este caso es difícil llegar a la conclusión de que los errores del pasado están siendo repetidos, debido a que este evento tiene un periodo de retorno tan alto que lo hace relativamente único en la historia de Japón hasta este momento. A pesar de esto, este tipo de eventos serán a partir de ahora una parte constituyente de la historia de la humanidad, y pueden servir de ejemplos para otras regiones de Japón o del mundo.

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.

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

El 27 de febrero del 2010 a las 3:34am (hora local), la zona centro-sur de Chile fue sacudida por un terremoto magnitud momento 8,8. A consecuencia de ello varias iglesias de la Arquidiócesis de Concepción sufrieron daños desde menores hasta algunas que tuvieron que ser demolidas o que simplemente colapsaron en el mismo instante del terremoto. Por lo anterior, las autoridades de la Universidad Católica de la Santísima Concepción pidieron se conformara una comisión para revisar estas iglesias y capillas. A través de un trabajo de ingenieros, arquitectos y constructores que constituyeron esta comisión, se logró tener una evaluación de estas construcciones. En esta evaluación se identificaron algunas fallas típicas propias de este tipo de construcción que evidenciaron que frente a movimientos telúricos de esta magnitud era claro que fallarían. Por eso este trabajo también trata de la identificación de estas fallas y entregar recomendaciones para que no se vuelvan a producir.
 
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 Quezada et 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.


La intensidad de un sismo se mide mediante la escala de Mercalli. Esta escala posee 12 grados y mide la intensidad en un lugar específico. Por lo tanto refleja la sensación que perciben las personas de tal lugar de ese movimiento telúrico y del estado en que quedan las estructuras, luego de una evaluación estructural, en caso de intensidades mayores a VI. Para una descripción de los grados de la escala de Mercalli modificada, ver por ejemplo Sauter (1989). De este modo, se pueden reportar varias intensidades para un mismo sismo, dependiendo del lugar donde se obtengan, las cuales van decreciendo a medida que la distancia desde la zona de ruptura aumenta. La Tabla 1 muestra las intensidades reportadas en distintas ciudades para el evento del 27 de febrero 2010. Se puede observar que el máximo valor alcanzado se reportó en Concepción, alcanzando un valor de IX. Otros registros de intensidades algo menores y más detallados han sido reportados por Astroza et al. (2010).


Según la descripción de la escala, con un sismo de intensidad IX se produce pánico general. "Las estructuras de albañilería mal proyectadas o mal construidas se destruyen. Las estructuras corrientes de albañilería bien construidas se dañan y a veces se derrumban totalmente. Las estructuras de albañilería bien proyectadas y bien construidas se dañan seriamente. Los cimientos se dañan. Las estructuras de madera son removidas de sus cimientos. Sufren daños considerables los depósitos de agua, gas, etc. Se quiebran las tuberías (cañerías) subterráneas. Aparecen grietas aún en suelos secos. En las regiones aluviales, pequeñas cantidades de lodo y arena son expelidas del suelo".
Como una comparación, el sismo de Chillán de 1939 fue catalogado como intensidad X en la escala de Mercalli. Según reportes oficiales, el 50% de las construcciones existentes en Chillán colapsaron y unas 5.650 personas fallecieron, aun cuando la prensa contabilizó unos 30.000 (Villavicencio, 2010). Las construcciones de esa época eran principalmente de albañilería sin confinar, madera y adobe, lo que explica el alto porcentaje de estructuras destruidas. Por otro lado, el sismo del 21 de mayo de 1960 sigue siendo el más grande de la historia medido instrumentalmente. Alcanzó una magnitud momento 9.5 y una intensidad VIII en Concepción. Aun cuando la intensidad en Valdivia alcanzó los XI grados. En Concepción y Talcahuano se estimó en más de 10.500 las viviendas destruidas. El puente carretero sobre el río Bío Bío se destruyó en tres partes, especialmente en la zona aledaña a Concepción, donde se derrumbó un tramo de 45 m (Steinbrugge y Flores, 1963; Villavicencio, 2010).
Los dos sismos anteriormente mencionados, más el de 1985 ocurrido en Santiago y Valparaíso, son de gran importancia para el estudio de la ingeniería antisísmica. El sismo de Chillán de 1939 demostró la ineficacia de las albañilerías sin armar para resistir los esfuerzos sísmicos y las bondades de la albañilería confinada. Del mismo modo, el evento de 1960 señaló la considerable importancia que tiene la Mecánica de Suelos y su consideración en los proyectos de ingeniería. De este modo, La Ley de Ordenanza General de Construcciones y Urbanización, vigente desde 1931, fue modificada. Además, en 1972 entró en vigencia la primera Norma Chilena para el cálculo sísmico de edificios NCh 433, la que fue modificada en el año 1996 tras la incorporación de información del terremoto de 1985 (Flores 1998). Por lo tanto, es muy probable que nuevas modificaciones sean implementadas en la norma NCh 433 cuando se analicen los datos obtenidos del sismo del 27 de febrero 2010. Sin embargo, la norma NCh 433 no es directamente aplicable al tipo de estructuración que tienen la mayoría de las iglesias.
Inspecciones realizadas
Iglesia La Pompeya
Esta iglesia está ubicada en la intersección de Lincoyán y San Martín en Concepción y consta de una estructura en base a muros de albañilería de 1 y 2 m de espesor aproximadamente con cerchas y pilares de madera y una techumbre de planchas metálicas (Figura 3). La fecha de construcción es de aproximadamente el año 1850, según antecedentes aportados por los sacerdotes de esta iglesia. Por lo tanto posterior al gran terremoto y tsunami ocurrido en Concepción en 1835. El año 1940 se hicieron trabajos de refuerzo de la estructura de la nave central en base a vigas de hormigón armado de una altura aproximada de 1 m que unieron los muros laterales en la parte central de la iglesia y el año 1960 se hicieron trabajos de refuerzo del frontón.

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

Diseño Sísmico

En nuestro país el diseños sísmico ha jugado un papel irrelevante en lo que es el diseño estructural, ya que contamos con pocas experiencia sísmica ha pesar de ser una isla con muchas fallas sísmicas. Aun no se cuenta con instrumentos necesarios para llevar un buen registro de la interaccióntectónica en nuestra isla. En los últimos 5 años se han registrado sismos de gran importancia lo que ha llevado a las instituciones a hacer cumplir las normas sísmicas que reglamentan la construcción y obligar a las instituciones competentes ha modificar y velar por que se cumplan dichos reglamentos para mejorar la calidad de las estructuras. Ha de pasar mucho tiempo para que contemos con normas antisísmicas que se cumplan en nuestro país y un buen equipamiento para llevar el historial de los registros sísmicos en nuestro país. A continuación se exponen una serie de conceptos y conocimientos que habitualmente son de gran utilidadpara el estudio y diseño antisísmico.

HISTORIA DEL DISEÑO SISMICO

Naturaleza y probabilidad

Aunque las agitaciones sísmicas como terremotos no se puedan prevenir en la práctica, la ciencia y la ingeniería proporcionan las herramientas que se pueden utilizar para reducir sus efectos absolutamente substancialmente. En primer lugar, la ciencia puede ahora identificar donde y cuando los terremotos son probables ocurrir, en qué magnitud y determine la probabilidad relativa de una gama de tierra que sacude niveles. Esta información es fácilmente disponible a los arquitectos, ingenieros, escritores del código, planificadores y al público en general. En segundo lugar, los investigadores sísmicos y los ingenieros estructurales con experiencia en diseño sísmico tienen suficiente comprensión de los efectos del terremoto que sacuden sobre edificios para crear los diseños que serán seguros para las varias intensidades de la sacudida. Los códigos técnicos de la edificación modernos incorporan toda esta información y requieren edificios tener diseños de ingeniería estructurales apropiados para cada región.

Criterios de Diseño Sísmico

• Estado límite de servicio: no se exceden deformaciones que ocasionen pánico a los ocupantes ni daños en elementos no estructurales.

• Estado límite de integridad estructural: Se puede presentar daño no estructural y daño estructural menor, sin alcanzar la capacidad de carga de los elementos estructurales.

• Estado límite de superviviencia: Puede haber daño estructural sinificativo, pero se mantiene la estabilidad general de la estructura y se evita el colapso.

Objetivos del Diseño Sísmico

• Evitar que se exceda el Estado límite de servicio para sismos de intensidad moderada que pueden presentarse varias veces en la vida de la estructura.

• Que no se exceda el Estado límite de integridad estructural para sismos severos que tienen una posibilidad significativa de presentarse en la vida de la estructura.

• No debe excederse el Estado límite de superviviencia ni para sismos extraordinarios que tenan una muy pqequeña probabilidad de ocurrencia.

Aspectos principales del diseño sísmico.

• Selección de un sistema estructural adecuado: que debe ser capaz de absorver y disipar energía introducida por el sismo.

• El Análisis Sísmico: Los reglamentos definen las acciones sísmicas para calcular la respuesta de la estructura, y proporcionan métodos de análisis.

• El dimensionamiento de las secciones: métodos innovativos del diseño por capacidad.

• Detallado de la estructura: Para el comportamiento dúctil de los miembros de la estructura es necesario el detallado de los mismos y de sus conexiones para proporcionarles capacidad de deformación antes del colapso.

Reglamentos, Códigos y Normas para El Diseño Sismo – Resistente

Estas son las herramientas de mayor utilización dentro del Análisis y Diseño Sismoresistente, que nos proporcionan las recomendaciones más próximas para realizar un Diseño que se comporte adecuadamente ante la incidencia de un suceso sísmico. Son el Instrumento que nace de muchas de las experiencias pasadas y de pruebas de laboratorio de los cuales se sacó una aproximación a la realidad del comportamiento de las estructuras ante los sismos.

Expresiones para el Cálculo del Cortante basal (V), según algunas normativas

• 1. Uniform Building Code (UBC)

• 2. Normativa Sismorresistente Argentina

Código ACI para el Diseño Sísmico

El objetivo principal de las disposiciones especiales es garantizar una adecuada capacidad bajo los desplazamientos inelásticos oscilantes producidos por la carga sísmica.

Las disposiciones se aplican a pórticos, muros, diafragmas y cerchas en zonas de "amenaza sísmica alta", correspondientes a las zonas 3 y 4 del UBC y a pórticos, incluyendo sistemas de losa en dos direcciones, en zonas de "amenaza sísmica moderada" correspondientes a la zona 2 del UBC. No se establecen requisitos especiales para estructuras sometidas a amenaza sísmica baja o nula.

Debe considerarse el efecto de elementos no estructurales en la respuesta global de la estructura, al igual que la respuesta de los elementos no estructurales mismos. También deben tenerse en cuenta los elementos estructurales que no están específicamente dimensionados para soportar cargas sísmicas.

Para garantizar una adecuada ductilidad y capacidad bajo rotación inelástica, el Código ACI 21.1.4 especifica una resistencia del concreto mínima de 21MPA. Para concreto con agregados ligeros, se establece un límite superior en la resistencia del concreto de 35MPA; este límite se basa en una falta de evidencia experimental para concretos ligeros con resistencias mayores.

MEJORAS EN EL TIEMPO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

El Análisis Estructural es una rama antigua de la Ingeniería Civil, que se aplica en la ingeniería civil, podemos decir que es el responsable del diseño,planeamiento y cálculo de la parte estructural, (que forma un sistema integrado de vigas, columnas, losas, muros, presas, túneles, zapatas de cimentación y otros), que lo empleamos en los edificios urbanos, construcciones industriales, puentes, estructuras de desarrollo hidráulico y demás obras. Su propósito es la de obtener estructuras eficaces que resulten apropiadas a partir del punto de vista resistente. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica Newtoniana para el diseño de elementos y sistemas estructurales, que mayormente se necesita resolver problemas de alta complicación que se solucionan mediante técnicas de cálculo diferencial e integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos.

La ingeniería estructural es considerada como una reciente, a partir de 1683 cuando Galileo invento analizar una viga. Hasta entonces, se seguía un criterio empírico.

Entre los experimentos realizados por Galilei se encuentran los siguientes:

En la actualidad para estas pruebas se utilizan maquinas que realizan las pruebas de esfuerzo con muestras (probetas) de el material a evaluar con mecanismos que marcan la cantidad de carga aplicada para que la probeta llegue a la rotura.

En la actualidad también se han creado programa para modelar, analizar y diseñar las estructuras ya sea en el plano o en el espacio. Entre ellos podemos citar:

Y a estos cada cierto tiempo los fabricantes van lanzando versiones nuevas con mejoras que van simplificando el tiempo del cálculo de las estructuras y agregándole nuevas herramientas para hacer más eficiente el uso del programa y que los resultados arrojados por estos sean más cercanos a lo real.

Diseño sísmico de edificaciones

La Ingeniería Sismo-resistente es una propiedad o atributo de que se dota a una edificación, mediante la aplicación de técnicas de diseño de su configuración geométrica y la incorporación en su constitución física, de componentes estructurales especiales que la capacitan para resistir las fuerzas que se presentan durante un movimiento sísmico, lo que se traduce en protección de la vida de los ocupantes y de la integridad del edificio mismo.

Es una tecnología que diseña y ejecuta procesos constructivos con elementos estructurales, distribuidas previa aplicación de principios básicos como la simplicidad, simetría, resistencia, rigidez y continuidad de las obras, que les permita resistir los usos y las cargas sísmicas a que estarán sometidas durante su vida útil y también a los sismos.

Conceptos Generales del Diseño Antisísmico

Se han de tener en cuenta:

• Propiedades de los materiales de construcción

• Características dinámicas del sistema del edificio

• Características de las cargas de flexión de los componentes del edificio.

Para un diseño adecuado del edificio se debe de definir la categoría a la que pertenece el edificio y hacer una planificaciónadecuada del diseño que consistirá en:

• Planificación del edificio, conceptos básicos a cumplir: simetría, regularidad, separación en bloques, simplicidad y área cerrada.

• Escoger el lugar. Es muy importante la estabilidad del suelo: estabilidad de la losa, arenas muy débiles y arcillas inestables.

• Diseño estructural: depende mucho del material y es el factor más importante

• Resistencia al fuego: se ha de tener en cuenta a la hora de escoger los materiales

Para un buen diseño estructural sismorresistente se ha de tener en cuenta lo siguiente:

• Un buen suelo de base

• Utilizar un mortero de junta de ladrillos de buena calidad

• Se han de poner paredes de cizalla en lugares concretos

• Losas de techo y suelo han de estar suficientemente ligadas a las paredes

Siempre es mejor una estructura deformable que una muy rígida.

Diseño Sismico de Puentes

Se propone un procedimiento de diseño sísmico de columnas de puentes de concreto reforzado, basado en desplazamiento, en el que se establece el cumplimiento de dos niveles de desempeño: servicio y supervivencia. La capacidad de desplazamiento de las columnas de sección rectangular y circular se calcula con expresiones empíricas en función de las dimensiones de la sección, de su cuantía de refuerzo longitudinal, de la carga axial, del refuerzo de confinamiento y de la esbeltez.

En muchos casos la falla por sismos de puentes de concreto se ha atribuido a insuficiencia en la capacidad de desplazamientos de sus columnas para absorber las grandes demandas de deformación inelástica inducida por la vibración de la estructura.

DISEÑO BASADO EN DESPLAZAMIENTO

En los últimos años se ha estado implementando el diseño basado en desplazamiento dentro del diseño sísmico de puentes. La razón de adoptar este procedimiento obedece a que los estados límites de daño pueden relacionarse adecuadamente con los límites de deformación, que a su vez son convertidos en

desplazamientos equivalentes, con los cuales el daño estructural puede ser controlado eficientemente mejor que con límites de resistencia. Dentro de los métodos de diseño basado en desplazamiento existen diferentes enfoques: diseño basado en desplazamiento directo, espectro del punto de fluencia y espectro de capacidad.

El procedimiento basado en desplazamiento directo, se deriva en gran medida del método de la estructura substituta desarrollado por Gulkan y Sozen (1974), para modelar un sistema inelástico con propiedades elásticas equivalentes. Con este enfoque se busca proveer al miembro de las características apropiadas, en cuanto a tamaño de la sección y cantidad de refuerzo y detallado, para desarrollar un

desplazamiento predeterminado para el sismo de diseño. Dentro de este procedimiento, generalmente se diseña para un comportamiento asociado a la respuesta última, por lo que se selecciona un desplazamiento objetivo.

Estados Limites.

• Estado Limite de servicio.

• Estado Limite de supervivencia.

El estado límite de servicio de un puente urbano corresponde al caso en que se pueda garantizar la operación inmediata del mismo después de un sismo, sin que para ello se requieran reparaciones. Para las columnas, esto se hizo corresponder a que no se presente agrietamiento residual perceptible. Elcontrol del ancho de grieta residual se considera más importante que el agrietamiento máximo producido bajo la acción sísmica, ya que del primero dependen tanto los efectos sicológicos del agrietamiento, como los posibles problemas de deterioro y corrosión. Se suele considerar que pasan desapercibidos anchos de grietas inferiores a 0.25 mm.

En el estado límite de supervivencia se acepta que en las columnas de puentes se presente daño severo, pero sin colapso para cuidar la integridad de los usuarios. Esto implica proveer a las columnas de la capacidad de deformación suficiente para resistir las demandas de deformación ante un sismo extraordinario. Esto da lugar a definir el estado límite de supervivencia de la columna con base en una capacidad de desplazamiento lateral, la cual no debe ser superada por la demandada por el sismo de diseño.

EFECTOS HIDRODINAMICOS EN EL ANALISIS SISMICO EN PRESAS BOVEDAS

La respuesta de una presa sola a una excitación sísmica es la típica de un sistema de varios grados de libertad cuyas matrices de masa, rigidez y amortiguamiento son independientes del contenido de frecuencias de la excitación. En cambio, a cusa de la presencia del agua embalsada, tanto las características dinámicas como la respuesta de la presa son distintas las de situación de embalse vacio.

Por una parte, el movimiento del terreno origina unos efectos inerciales en la masa de agua, cuya vibración transmite ondas de presión hidrodinámica, las cuales inciden sobre el trasdós de la presa. Por otra, la propia presa, en su vibración produce unas ondas de presión que se transmiten y se propagan por el medio fluido; al reflejarse dichas ondas en los contornos del embalse, pueden volver a incidir sobre la propia presa, cuyo resultado son unas presiones hidrodinámicas que se suman a las anteriores.

Reseña histórica.

Los primeros estudios en este campo fueron llevados a cabo por Hm westergaard. Resolvió el problema bidimensional consistente en el cálculo de las presiones hidrodinámicas sobre el paramento vertical de una presa rígida de sección triangular, sometida a una excitación horizontal armónica del terreno y en la dirección del rio. Asimismo, considero compresible el agua del embalse, cuyo fondo supuso horizontal y de extensión infinita hacia agua arriba (westergaard, 1933). Westergaard obtuvo una expresionanalitica para la distribución de la amplitud de las presiones hidrodinámicas sobre el trasdós; mostro que estas tienen fase opuesta a la aceleración del terreno, por lo que se podían interpretar como una fuerzas equivalentes de inercia, correspondientes a una ciertas masas de agua que acompaña solidariamente a la presa en su movimiento de solido rígido. La evaluación de dicha masa de agua se realiza a partir de la igualación de las fuerzas de inercia de la misma con la fuerza hidrodinámica ejercida sobre el trasdós de la presa, a causa de su movimiento. Esta analogía formo lavase del concepto de masa añadida.

PRESIONES HIDRODINAMICAS.

Durante un seísmo, la presa y el embalse entran en un estado de vibraciones forzadas que dan lugar a unas presiones hidrodinámica sobre el paramento de agua arriba de la presa, las cuales se suman a las hidrostáticas. Dichas presiones de origen dinámico son por tanto acciones a considerar para el análisis de la respuesta de una excitación sísmica. Por ello, cuanto más aproximadamente se determinen aquellas, mejor se podrá estimar esta ultima.

Como se ha indicado anteriormente, las presiones hidrodinámicas se producen por una parte a causa del movimiento (de solido rígido) del terreno, y por otra, a causa de la flexibilidad de la presa. Incluso se podrían considerar también las producidas por la deformación del terreno que rodea al embalse, aunque son de escasa importancia.

INTERACCION EMBALSE-PRESA –BOVEDA

La coexistencia de dos medios (la presa y el embalse) en contacto entre si mediante una interface, da lugar a que, por ser flexibles, ambos interaccionen.

Esto repercute sobre las presiones hidrodinámicas, pero además sobre las características dinámicas y sobre la respuesta de la presa a una excitación sísmica. En la situación de embalse parcial o totalmente lleno, la respuesta dinámica de la presa viene afectada por unos términos hidrodinámicos, que modifican las propiedades de la presa, mediante la introducción de unas masas, amortiguamientos y fuerzas adicionales.

METODOS NUMERICOS DE ANALISIS DEL SISTEMA PRESA BOVEDA-EMBALSE.

Las primeras tentativas de estudio de la respuesta del sistema formado por la presa y el embalse fueron de tipo analítico, ensayos en modelos mecánicos o bien mediante analogía eléctrica. El advenimientos de los ordenadores y el desarrollo de diversos métodos numéricos han hecho posible un avance considerable en el estudio del problema.de esta forma se ha conseguido representar configuraciones geométricas complejas.

El método de las diferencias finitos ha sido empleado por alguno autores (shul"man, voronkova, priscu e tal.) para el estudio bidimensional del dominiofluido (wertergaard e tal. 1933).

El método de los elementos finitos constituye la herramienta más poderosa hasta el momento, para el estudio del comportamiento conjunto de la presa bóveda y embalse. Ha sido empleado por numerosos autores, algunos de los cuales declaran que es un método efectivo y practico de representar los efectos del embalse, por lo que no hay razón aparente para continuar adoptando modelos de masas añadidas de tipo westergaard para el análisis de presas bóveda (clough e tal. 1985).

Innovaciones en el diseño sísmico de estructuras de acero

El diseño sismorresistente ha ido evolu-cionando en saltos discretos con cada nuevo terremoto, cambiando sus para-digmas y los objetivos de diseño, para prevenir que los efectos negativos obser-vados en las estructuras existentes vuel-van a ocurrir en el futuro.

Originalmente, el objetivo principal del diseño sismorresistente de estructuras, consistía en proveer suficiente resistencia de modo de poder soportar el terremoto más grande conocido hasta el momento. Luego, se reconoció que no era necesa-rio diseñar las estructuras para fuerzas tan potentes, si es que se permitía que desarrollaran deformaciones inelásticas controladas, es decir daño, con lo que se acuñó el concepto de ductilidad.

Innovaciones en marcos de momento

Marcos con conexiones postensadas (PT)

Este tipo de marco puede ser clasificado como un marco de momento con unio-nes semirrígidas. La innovación consiste en la utilización de cables deacero para postensar la viga a la columna y proveer de esa forma una conexión de momento, como se muestra en la Figura 2(a).

Este sistema estructural persigue dos objetivos principales: el primero es con-seguir una estructura que después de ser sometida a un terremoto vuelva a su posición original, es decir, no presente deformaciones laterales remanentes; y el segundo es concentrar el daño en ángu-los u otros elementos de sacrificio, que provean la disipación de energía.

El diseño de la conexión se hace conside-rando los estados límite o de fallas posi-bles. Debido a que los cables de acero de alta resistencia no poseen gran ductili-dad, las recomendaciones para el diseño de este tipo de conexiones (Garlock et al, 2007) establecen la siguiente secuencia de estados límite:

• Descompresión: Corresponde al ins-tante en que el momento generado por el sismo supera el nivel de pre-tensión aplicado inicialmente a la co-nexión y ésta comienza a abrirse.

• Fluencia de elementos secundarios: Corresponde al momento en que los elementos encargados de disipar energía comienzan a fluir.

• Fluencia de la viga: Corresponde al momento en que la viga comienza a desarrollar plastificación significati-va.

• Fluencia de los cables: Corresponde al momento en que los cables alcan-zan su tensión de fluencia.

• Fractura de los cables: Corresponde al momento en que los cables alcanzan su tensión de rotura.

Marcos con vigas de sección reducida (RBS)

El objetivo de reducir la sección de la viga es el de tener una conexión viga-columna más resistente que la viga, de manera que las deformaciones plásticas se de- sarrollen en la sección reducida de la viga. De esta forma, la sección reducida actúa como un fusible limitando las ten-siones en la región menos dúctil en las cercanías de la conexión viga-columna. La reducción de la sección de la viga puede ser constante o variable tal como lo muestra la Figura 3.

Innovaciones en marcos arriostrados

Marcos con arriostramiento restringido al pandeo (BRBF)

Un marco del tipo BRBF es un marco arriostrado en forma concéntrica en que los elementos que forman el sistema de arriostramiento están compuestos por dos elementos principales: núcleo de acero que resiste la carga axial y un sis-tema externo que restringe el pandeo del núcleo de acero (Figura 4).

Muros de corte de placas de acero (SPSW)

Un marco tipo SPSW es un sistema de- sarrollado para resistir cargas laterales, que utiliza paneles de relleno formados por planchas de acero conectados a vigas (elemento horizontal de borde) y columnas (elemento vertical de borde), e instalados en uno o más vanos a lo lar-go de la altura del marco de manera de formar un muro voladizo (Figura 6). Un marco tipo SPSW sujeto a ciclos de de-formaciones inelásticas, exhibe una alta rigidez inicial presentando un comporta-miento dúctil, características que permi-ten la utilización de este tipo de marco no sólo en el diseño de nuevas estructuras sujetas a cargas sísmicas, sino que tam-bién en la reparación y reforzamiento de estructuras existentes.

Errores en el diseño sísmico resistentes en edificaciones.

LOS TERREMOTOS son uno de los fenómenos mas imprevisibles y difíciles de evitar cual sea la intensidad que tenga, producen efectos negativos sobretodo en la construcción. Por lo que es necesario un adecuado diseño de la estructura y elección del material de construcción con el fin de conseguir construcciones sísmicas.

En países empobrecidos, generalmente, una gran parte de la población no tiene la formación necesaria para realizar una construcción adecuada, siendo este sector el más afectado debido a los terremotos.

En su orden de importancia existen algunos criterios relevantes al momento de definir el sistema constructivo de determinada edificación así como:

- SEGURIDAD : que cumpla con las normas sismorresistentes del país.

- PRESUPUESTO: que se ajuste al presupuesto que tiene previsto el dueño del proyecto.

-ESTETICA: que sea armónico con el medio que lo rodea y agradable a la vista de espectadores.

El objetivo de las normativas sismorresistentes es evitar la perdida de vidas humanas y reducir el daño y el costo económico que puedan ocasionar los terremotos no sufran daños relevantes ante sacudidas sísmicas pequeñas, puedan resistir sin daños estructurales ante movimientos sísmicos moderados y puedan evitar el colapso ante las sacudidas mas fuertes previsibles con una probabilidad razonable, aunque con posibles daños.

Objetivo del reglamento para construcción sismorresistentes

El objetivo pude resumirse en:

1-evitar perdidas de vidas humanas y accidentes que pudieran originarse por la ocurrencia de cualquier evento sísmico.

2-Evitar daños en la estructura y en las componentes de cada construcción, durante terremotos de frecuente ocurrencia.

3-Evitar que se originen colapso total o parcial en las construcciones es, que puedan poner en peligro la seguridad de las personas durante terremotos muy severos, de ocurrencia extraordinaria.

Los principios de la sismo resistencia

La geometría de la edificación debe ser sencilla en planta y en elevación. Las formas complejas, irregulares o asimétricas causan un mal comportamiento cuando la edificación es sacudida por un sismo. Una geometría irregular favorece que la estructura sufra torsión o que intentegirar en forma desordenada. La falta de uniformidad facilita que en algunas esquinas se presenten intensas concentraciones de fuerza, que pueden ser difíciles de resistir.

Éxitos y fracaso del diseño sismos resistente Antecedentes

El diseño de sismo resistente ha evolucionado desde sus planteamientos más primitivos establecidos a finales del siglo pasado en Japón y comienzos del presente en Italia, hasta el sistema de codificación actualmente predominante en muchos países el cual se denomina aquí codificación moderna. El sismo de mesina en 1905 podría considerase de origen de un intenso; los italianos dieron el ejemplo en tal caso y el sismo de Tokio en 1923, reforzó las inquietudes de los ingresos japoneses sobre el tema.

Éxito y fracasos de los códigos

La ingeniería de construcción es un vivido ejemplo de la aprendiza del hombre por ensayo y error con el fin de soportar mejor sus investigacionesanalíticas y en ciertos casos las experimentales. Si una construcción es avería, los ingenieros observan, modifican y construyen de nuevo. Si lo nuevo se comporta mejor, la medida o medidas que condujeron a la mejora. Piensan a hacer parte del patrimonio técnico. En el caso de los sismo se aprende revisando lo bueno y lo malo.

Si en algunas región del mundo se hubieran diseñado y construido varios centenares de edificios de diferentes alturas y formas siguiendo la más moderna codificación sisma resisten, si la amenaza sísmica se hubiera evaluado con base en una buena información tectónica y apreciable información sísmica instrumental, si las condiciones de respuesta local se hubieran evaluado y establecido con la vigilancia apropiada como para sacudida por un sismo tal que los registros instrumentales lo mostraran compatible con las previsiones de la amenaza sísmica loca, entonces existiría un escenario apropiado para intentar hablar estadísticamente de éxito o fracaso del diseño y la construcción sismo resistente. Hasta donde el autor con este escenario todavía no se ha dado.

Éxito serial aquel que se dedujera de un correcto comportamiento estadísticamente valedero. Resultar sin daños no necesariamente será un éxito; téngase en cuanta que una construcción sin daño pudo comportarse bien, pero con base en un diseño excesivamente costoso. Éxito es la correspondiente a un comportamiento apropiado, sin sobrepasar las necesidades reales. Una construcción no afecta, cercana a otras similares si afectadas, puede haber sido favorecida por condiciones muy locales que pudieran enmascara el relativo éxito frente a la prueba que la sometió al sismo.

Fracaso correspondería a aquello que construido siguiendo la normalización se daño con un sismo similar al máximo previsto por el código de una localidad.

Mal confinamiento del concreto

Como en los casos anteriores abunda la descripción de las fallas de elementos estructurales, principalmente columnas, debido a su pobre confinamiento de su núcleo resistente. Sin embargo, ya desde comienzos de la década de 1960-1970 el fenómeno se había estudiado en profundidad.

Descripción del problema: si hay un refuerzo transversal abundante y poco espaciado, la resistencia ultima y la capacidad de deformación a la rotura del concreto reforzado aumentan notoriamente, ofreciendo seguridad extra en los sistemas estructurales. Si esta condición no se da, los elementos resistencia a la tradición diagonal se agota antes que la dispone a flexión no tienen entonces capacidad de disipar energía en el rango inelástico y se ven sometidos a fallas frangibles.

Conclusión

Conforme pasa el tiempo cobra más importancia el tema "sísmico". Hemos visto como en los últimos días el mundo ha sido sorprendido por repentinos terremotos que en algunos casos ponen de manifiesto la existencia de una pobreza estructural carente de un adecuado diseño sísmico. Por citar una comparación está el caso del terremoto que azoto a Haití, este devasto casi por completo todas las edificaciones de ese país. Chile también fue afectado por un terremoto, cien veces mayor que el de Haití, pero sus edificaciones no sufrieron tantos daños, esto debido a que cuenta con normas antisísmicas. Esta son razones por la cual debe conformarse un proceso de aprendizaje de la comunidad técnica profesional para evitar que las tragedias tengan graves consecuencias que lamentar, esto es debido a que existen construcciones diseñadas con el código local que han sido destruidas o fuertemente afectadas. En estos casos el código aplicado resulto deficiente. Donde esto ha ocurrido se han preocupado por mejorar las deficiencias para obtener mejores códigos.

Con solo unos principios básicos muy elementales compartidos por los ingenieros diseñadores y los constructores, una comunidad estaría elevadamente protegida contra la acción de sismos intensos futuros. Los principios son conocidos, pero poco difundidos. Solo en la década pasada los diferentes seminarios, talleres, congresos, y publicaciones de difusión comenzaron a surtir efecto para entrenar mejor a los ingenieros comenzaron a surtir efecto para entrenar mejor a los ingenieros relacionados con el diseño y la construcción resistente al efecto de los sismos.