Estructuras Sismorresistentes

Un sismo es un fenómeno natural que no se puede predecir y, actualmente, tampoco evitar. Pero sí es posible contrarrestar con un apropiado diseño sismorresistente de las estructuras. Con la finalidad de alcanzar reducir los daños de los sismos futuros, actualmente, se apunta a una cultura de prevención más que la de predicción, lo que supone cuantificar los sismos máximos esperados en un determinado lugar durante un tiempo de retorno, y en consecuencia, diseñar las edificaciones para poder soportar los movimientos que acontecerán durante su vida útil. El grado de protección que se ofrece a las distintas categorías de edificios, radica en función de la distribución óptima de los recursos, y por tanto, varía de un país a otro, dependiendo de la importancia relativa del riesgo sísmico frente a otra forma de riesgo.
Efecto de un sismo en el Perú:
El terremoto que tuvo mayor impacto (más destructivo) en el Perú ocurrió en el año 1970, las pérdidas de vivienda oscilaban entre el 80% y 90%, y las personas afectadas fueron 3 000 000 que mayormente se quedaron sin hogar y sin familia (la gran mayoría de víctimas pertenecían al departamento de Ancash). También, en ese sismo, 2 pueblos (Yungay y Ranrahirca pertenecientes al callejón de Huaylas) quedaron sepultados por el alud que ocurrió 45 segundos después del sismo. Esto llegó a acabar con más del 70% de su población, después de terminar el terremoto, muchas personas fueron enviadas para ayudar a más personas damnificadas en lugares muy devastados. El siniestro no finalizó ahí, ya que los cerros continuaban desmoronándose; el Perú tuvo que recibir apoyo externo para poder restaurar la comunicación con los lugares más afectados. Luego de este incidente se forma la organización del Instituto Nacional de Defensa civil el 28 de marzo de 1972, debido a que el gobierno no tenía una buena gestión sobre el país ante desastres similares. Además, a causa del desastre del 70, cerca de 20 000 niños se quedaron huérfanos. Esta situación hace evidente que el país no está debidamente preparado ante un sismo de gran magnitud.
Efecto del sismo sobre edificaciones:
Se ha comprobado que en suelos sueltos las vibraciones que se generan tienen mayor efecto destructivo que en suelos compactos. Las aceleraciones que originan las ondas sísmicas son horizontales y verticales. La aceleración vertical mayormente es menor que la mitad la horizontal. Sin embargo, los edificios se construyen de forma que puedan soportar bien las cargas verticales (propio peso y sobrecargas).
La seguridad sísmica exige que las edificaciones deban ser diseñadas para que, además de poder soportar cargas verticales, también puedan soportar cargas horizontales en cualquier dirección que se manifieste.

Fisuras sísmicas típicas en construcciones de mampostería. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural
Soluciones sobre el diseño sismorresistente en el pasado, presente y futuro:
A) Soluciones clásicas:
  • Flexibilidad

La tumba de Ciro el grande. “Las capas separadas realizaban deslizamiento entre unas y otras ante la presencia de un sismo”. Fuente: Universidad Politécnica de Madrid MOOC
  1. Reducción de masa
  2. Materiales y uniones flexibles (bambú)
  • Rigidez y monolitismo
  1. Llaves en sillería (aparejo, metálicas)
  2. Aislamiento de base, se alarga considerablemente el periodo fundamental de vibración de la estructura
B) La estrategia de las aceleraciones:
  • Coeficientes sísmicos:
  1. Asegurar resistencia y rigidez
  2. La hipótesis del comportamiento elástico (sin daños en la edificación)
  3. Valores crecientes en coeficientes
  • Inconsistencias:
  1. Colapsos de edificios que estaban bien proyectados
  2. Resistencia de edificios imprevista
  3. Costos elevados ante sismos severos
Para mejorar la estrategia se buscaba la ductilidad en la estructura y sin costes, ante esto surge la siguiente:
La polémica rigidez-flexibilidad:
  1. Monolitismo, rigidez y resistencia
  2. Flexibilidad y adaptación
  3. La mayoría de edificios están en una situación intermedia (ni muy monolítico ni muy flexible); por lo tanto, son muy complejas
C) La estrategia de los desplazamientos:
  • Años 70: Plasticidad y ductilidad
  1. Capacidad de desplazamiento equivalente
  2. Capacidad de disipación de energía vía ductilidad
Exigencia de ductilidad (no fragilidad):
  • A nivel local:
  1. Fallo dúctil por flexión, no por cortante o pandeo de armaduras
  2. Fallo en piezas, no en uniones
  • A nivel global:
  1. Pilar en régimen elástico
  2. Carga gravitatoria, dispersión de daño
  3. Viga débil, pilar fuerte

“Asegurar la ductilidad global de la estructura y evitar roturas frágiles que se puedan producir en nudos”. Fuente: Universidad Politécnica de Madrid MOOC
  • Inconsistencias:
  1. Importancia de daños directos e indirectos
  2. La disipación es cíclica, la deformación acumulada en un ciclo es diferente de la máxima admisible
  3. Necesidad de diferenciar prestaciones según tipo de sismo
  4. Si un sismo es frecuente muy probable pero poco intenso deberá el edificio resistir sin daño alguno
  5. Si el sismo es muy severo (menos frecuencia), la prestación deberá ser con daños locales o con daños controlados.
D) Estrategia de la velocidad equivalente: Input y disipación de energía
  • Input de energía sísmica:
  1. Energía de vibración elástica
  2. Energía cinética: Movimiento
  3. Energía de Deformación elástica
  4. Energía disipada por amortiguación viscosa
  5. Energía disipada por amortiguación plástica con daños

Disipadores plásticos. Fuente: Universidad Politécnica de Madrid MOOC
E) Estrategias de Aislamiento de base:
  • Reduce la cortante en la base que alcanza al edificio
  • Añade un modo de vibración de baja frecuencia y alto amortiguamiento que evita deformaciones estructurales
  • Tienen la necesidad de soportar el peso de la construcción

Estructura convencional y estructura sísmica aislada. Fuente: CHRYSALIS
Planeamiento Sismoresistente
El ingeniero Civil no es totalmente responsable de la verificación estática de la edificación, sino que el comitente y el arquitecto influencian en el comportamiento sísmico de la construcción, por ejemplo:
  • la forma y dimensión del edificio sobre las solicitaciones sísmicas
  • estructura portante-columna, muros y vigas aseguran cómo serán absorbidas las cargas
Reglas generales para una correcta construcción antisísmica:
  • Formas: Regulares, compactas y en algunos casos separados por juntas.
  • Arriostramiento: Estos deben tener cierta simetría cerca a los bordes de la construcción. Además, se debe tener cierta inclinación a construcciones rígidas y pisos “suaves” aislados. El centro de torsión debe situarse cerca del centro de masa.
  • Masas: Debe existir una correcta distribución de las masas constructivas. El centro de masa debe situarse en la parte más baja para así evitar la ubicación de este a gran altura.
  • Fundaciones: Estudiar bien el subsuelo. Sótanos parciales deben ser evitados. Estos deben ser desarrollados como núcleos rígidos.
  • Cubiertas: Ejecutarlas como placas. Prever anclajes.
  • Muros entramados: Separar el tabicado de la estructura portante.
  • Ductilidad: Favorecer la deformación plástica, tomar precauciones constructivas para evitar la inestabilidad localizada.

Ejecución de plantas favorables y desfavorables. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural
Distribución favorable y desfavorable de masas y rigideces en planta. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural

Distribución favorable y desfavorable de masas y rigideces en elevación. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural

Distribución favorable y desfavorable de fundación y sótano. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural

Conformación favorable y desfavorable de entrepisos. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural

Estructuras con elevación favorables y desfavorables. Fuente: Sociedad Alemana de Ingeniería Sísmica y Dinámica estructural
Conclusiones:
  • El ingeniero civil no solo es el responsable de que la edificación este en equilibrio estático, ya que el arquitecto y el comitente son también los que tienen gran influencia sobre este. Por lo tanto, todos deben de trabajar conjuntamente para poder realizar una buena edificación.
  • Las construcciones deberían tener diseño sismorresistente para poder mitigar daños materiales y pérdidas humanas que se pudieran sufrir ante la presencia de un sismo. Se podría realizar mediante la colocación de refuerzos antisísmicos en las estructuras, o sino, mediante el aislamiento de base, ya que este trabaja reduciendo la frecuencia de vibraciones y, también, añade un alto amortiguamiento en las estructuras para que no se deformen.
  • Se debería realizar un correcto estudio del suelo, ya que se ha evidenciado que si la edificación está sobre un suelo suelto que no está compactado es posible que sufra terribles daños ante las vibraciones que un sismo produzca.
  • Las construcciones ya finalizadas deberían poder soportar los movimientos de flexo-compresión.
Bibliografía:
SILGADO, Enrique (2007) Historia de los sismos en el Perú. En diario La República, 15 de agosto (consulta: 4 de abril) (http://larepublica.pe/archivo/246637-historia-de-los-sismos-en-el-peru)
CARDENAS, Axel; RATTO, Juan; MATTA, Santalucía; ROSADO, Miguel; VELARDE, Talia (2010) Análisis de los movimientos sísmicos más importantes en la historia del Perú. En blog Terremotos en la historia del Perú, 7 de abril (consulta: 8 de abril) (https://sismosenelperu.wordpress.com/2010/04/07/terremoto-en-ancash-1970/)
SOCIEDAD ALEMANA DE INGENIERIA SISMICA Y DINAMICA ESTRUCTURAL (1991) Construcciones antisísmicas. En Compendio de planificación para comitentes, arquitectos e ingenieros (consulta: 2 de abril) (http://www.dgeb.eu/files/Dokumente/Heft_1.pdf)
MOOC SISMO (6 de noviembre de 2017) El diseño sismorresistente. Pasado, presente y futuro (Archivo de video) Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=48gz1zP2p2I&feature=youtu.be (Consulta: 6 de abril de 2018)
GENATIOS, Carlos (2016) ¿Cómo contribuyen los aisladores sísmicos con la resiliencia de las ciudades? En blog Ciudades Sostenibles (consulta: 4 de abril) (https://blogs.iadb.org/ciudadessostenibles/2016/10/20/aisladores-sismicos/)
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