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UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE INGENIERIA Y CONSTRUCCION
Departamento de Ingeniería Civil
COMPARACIÓN DE EFECTOS ESTRUCTURALES ENTRE
ACELERACIONES VERTICALES MANIFESTADAS EN EL SISMO
DE NORTHRIDGE (1994) Y LAS DEL SISMO INTRAPLACA DE
TARAPACÁ (2005)
Memoria para optar al grado de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería y al
Título de Ingeniero Civil
VÍCTOR MANUEL CARVAJAL TALAMILLA
Profesor Guía: Ingeniero Civil Jorge Omerovic Pavlov
Antofagasta, Chile
2016
"Comparación de efectos estructurales entre aceleraciones verticalesmanifestadas en el sismo de Northridge (1994)
y las del sismo intraplaca de Tarapacá (2005)"
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II
TABLA DE CONTENIDO
I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1
1.1. Generalidades ................................................................................. 1
1.2. Problemáticas a Estudiar ................................................................ 2
1.3. Justificación .................................................................................... 4
1.4. Objetivos ........................................................................................ 5
1.4.1. Objetivos generales .................................................................. 5
1.4.2. Objetivos específicos ............................................................... 5
1.5. Metodología .................................................................................... 6
II. DISCUSIÓN BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 7
2.1. Parámetros Sísmicos....................................................................... 7
2.2. Caracterización Geológica ........................................................... 12
2.2.1. Región de Tarapacá, Chile ..................................................... 12
2.2.2. Northridge, Estados Unidos de América ............................... 14
2.3. Antecedentes Sísmicos ................................................................. 16
2.3.1. Norte de Chile ........................................................................ 16
2.3.2. Northridge, Estados Unidos ................................................... 18
2.4. Daños estructurales....................................................................... 20
2.4.1. Terremoto de Tarapacá (2005), Chile .................................... 21
2.4.2. Terremoto de Tocopilla (2007), Chile ................................... 24
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III
2.4.3. Terremoto de Northridge (1994), Estados Unidos ................ 27
2.5. Cambios en el Diseño Sísmico ..................................................... 32
2.6. Normativa Chilena ....................................................................... 37
2.7. Registros Digitales ....................................................................... 39
2.7.1. Registros Nacionales .............................................................. 39
2.7.2. Registros Norteamericanos .................................................... 41
III. MARCO TEÓRICO ............................................................................................. 44
3.1. Eventos sísmicos disponibles ....................................................... 44
3.1.1. El Terremoto de Northridge ................................................... 44
3.1.1.1. Acelerogramas de Sylmar ................................................. 46
3.1.1.2. Acelerogramas de Tarzana ............................................... 48
3.1.2. El Terremoto de Tarapacá ...................................................... 49
3.1.2.1. Acelerogramas de Pica...................................................... 50
3.2. Caracterización de Suelos ............................................................ 52
3.2.1. El suelo de la localidad de Pica (I Región) ............................ 52
3.2.2. Los suelos de Tarzana y Sylmar ............................................ 53
3.3. Estructuras a analizar.................................................................... 55
3.3.1. Descripción de Estructura de Acero ...................................... 55
3.3.1.1. Parámetros de Diseño ....................................................... 59
3.3.2. Descripción de Estructura de Albañilería .............................. 61
3.3.2.1. Parámetros de Diseño ....................................................... 64
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IV
3.4. Programas de modelación ............................................................ 65
3.4.1. Características ........................................................................ 66
3.4.2. Ventajas .................................................................................. 67
3.5. Análisis Tiempo – Historia .......................................................... 68
IV. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................. 70
INDICE DE FIGURAS
Figura II.1 Ejemplo de un Espectro de Respuesta ....................................... 11
Figura II.2 Fosa de Nazca ............................................................................ 12
Figura II.3 Mapa del área del Terremoto (EERI, 1994) .............................. 15
Figura II.4 Zonas afectadas por sismos importantes en Chile ..................... 17
Figura II.5 Zona de ocurrencia de sismos en los Estados Unidos ............... 19
Figura II.6 Magnitudes del Sismo en localidades cercanas al Epicentro .... 21
Figura II.7 Grietas diagonales debido a falla al corte producido en muros . 22
Figura II.8 Grietas debido a fallas por flexión o defectos constructivos ..... 23
Figura II.9 Fallas debido a carencia de juntas y vaciamiento ...................... 24
Figura II.10 Epicentro del Sismo del 14 de noviembre del 2007 ................ 25
Figura II.11 Grieta escalonada y Grietas en muro por falta de mortero ...... 26
Figura II.12 Daños por esfuerzo de corte en albañilería .............................. 27
Figura II.13 Fallas en conexiones Viga-Columna (Northridge,1994) ......... 29
Figura II.14 Daños en placas bases de estructuras de acero ........................ 30
Figura II.15 Evidencia de daños en estructuras de albañilería .................... 31
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V
Figura II.16 Portada de la publicación del FEMA en el año 2000 .............. 33
Figura II.17 Deformación de la zona panel ................................................. 34
Figura II.18 Marco Especial a Momento y su deformada ........................... 36
Figura II.19 Marco STMF (izquierda) y Marco SCBF (derecha) ............... 37
Figura II.20 Formato de registro de aceleraciones por RENADIC ............. 40
Figura II.21 Formato de registro de aceleraciones por COSMOS ............... 43
Figura III.1 Registros en tres componentes en Estación Sylmar ................. 47
Figura III.2 Registros en tres componentes en Estación Tarzana ................ 49
Figura III.3 Estación de registros ubicada en Pica (I Región) ..................... 51
Figura III.4 Registros en tres componentes en Estación Pica ...................... 52
Figura III.5 Estructura de Acero a utilizar ................................................... 55
Figura III.6 Planta principal de la Estructura ............................................... 56
Figura III.7 Elevación de Marco Longitudinal SMF ................................... 57
Figura III.8 Elevación de Marco Transversal tipo SCBF ............................ 57
Figura III.9 Elevación de Marco Transversal no perteneciente al SFRS .... 58
Figura III.10 Elevaciones Frontal y Posterior de las viviendas ................... 61
Figura III.11 Planta de Techumbre de Estructura de Albañilería ................ 62
Figura III.12 Elevación Lateral de la estructura de Albañilería .................. 63
FiguraIII.13Esquema de modelación de cargas sísmicas en Análisis
Tiempo-Historia ........................................................................................... 68
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I.
INTRODUCCIÓN
1.1. Generalidades
La principal causa de ocurrencia de los terremotos es la interacción entre las
placas que conforman la corteza terrestre, las que están en permanente
movimiento, fenómeno conocido como la tectónica de placas. El eventotelúrico se produce cuando la presión entre las placas origina la ruptura o
deslizamiento lo que da lugar a desplazamientos abruptos entre las
mencionadas.
En este contexto ocurrió el terremoto de Northridge (EEUU – 1994), que
ostenta ser el movimiento con las mayores aceleraciones verticales de las
que se tenga registro; produciendo severas fallas en las conexiones sismo-
resistentes de la época. En consecuencia, importantes instituciones
realizaron investigaciones para detectar las causas de los daños
estructurales.
De manera similar, ocurre el terremoto en la localidad de Pica (Chile –
2005), presentando similares características al suceso producido en los
Estados Unidos. Es por ello que hoy en día se utiliza la experiencia dejada
por el sismo de Northridge para crear normativas de diseño con el fin de
que las estructuras de todo tipo puedan resistir grandes solicitaciones
sísmicas.
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1.2. Problemáticas a Estudiar
En la confección de normativas para diseño y construcción de estructuras de
albañilería o acero, se presentan como antecedentes aquellos estudios y
lecciones que han dejado eventos sísmicos históricos a lo largo del tiempo.
Estos documentos son revisados constantemente por profesionales
calificados y con alta experiencia en el desarrollo de estructuras sismo
resistente.
Las normas de diseño en Chile consideran, de manera importante, las
aceleraciones horizontales que genera un terremoto desde el punto de vista
del suelo. Sin embargo, los fenómenos sísmicos también presentan
aceleraciones verticales, cuyas magnitudes son menores en comparación
con las horizontales. Es por esto que actualmente los manuales oficiales de
diseño sugieren no considerar totalmente la componente vertical. Noobstante, en el último tiempo se han producido terremotos con elevadas
aceleraciones verticales como Kobe (1995), Northridge (1994) o Tarapacá
(2005).
Debido a estos antecedentes, surge la necesidad de estudiar los efectos de
las aceleraciones verticales en estructuras desde el enfoque de lasconsecuencias que podrían ser generadas por la baja importancia que tienen
estas componentes comparadas con las horizontales.
que ponen de manifiesto la necesidad de incorporar más adecuadamente lasaceleraciones verticales en la Normativa de diseño sísmico.
Japón EEUUChile
Christchurch, Nueva Zelandia (septiembre 2010, febrero 2011, junio 2011)
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El efecto de los parámetros mencionados se evidencia en las distintas fallas
que se encuentran en construcciones de las localidades dañadas. Por ello esimportante comprender como se originan las irregularidades y si son
producidas por el tipo de conexiones empleadas en construcciones de acero
o el método constructivo utilizado en viviendas de albañilería.
Para llevar a cabo lo mencionado anteriormente, se pueden generar modelos
representativos de estructuras mediante un programa computacional y
someterlos a comportamientos similares a los terremotos intraplaca
producidos en Chile y Estados Unidos, con el fin de estudiar y comparar sus
efectos producidos en los miembros estructurales.
Los resultados que se obtengan del análisis computacional pueden entregar
conclusiones muy representativas de las condiciones reales, y además
constituir un válido argumento capaz de cuestionar la normativa sísmica denuestro país, que es el fin principal de este trabajo.
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1.3. Justificación
En enero del año 1994 en la localidad de Northridge, estado de California,
Estados Unidos, ocurrió un terremoto de gran intensidad que registró las
mayores aceleraciones verticales jamás antes vistas en la historia sísmica
norteamericana. Esto trajo como consecuencia la generación de enormes
fuerzas de impacto que evidenciaron diferentes falencias en las conexiones
sísmicas para estructuras de la época, originando numerosas investigaciones
en terreno para verificar los daños producidos, así como el re-estudio de la
normativa para la estructuración sísmica y el diseño de las conexiones
resistentes a sismo.
Debido a las grandes aceleraciones verticales observadas en la localidad de
Pica, ubicada la Zona de Depresión Intermedia de Tarapacá-Chile,
originadas por el terremoto intraplaca del año 2005, es de interés estudiar elcomportamiento de estructuras de acero y albañilería enfrentadas a dichas
solicitaciones y compararlas con el resultado de enfrentarlas a las del sismo
de Northridge. Cabe destacar que el mecanismo de generación de sismos
intraplaca en Chile, así como los rasgos geomorfológicos de la depresión
intermedia, se mantienen a lo largo de una gran extensión, existiendo en ella
algunas de las ciudades de mayor población y desarrollo arquitectónico,urbano e industrial.
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1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivos generales
Contribuir a la seguridad del diseño sísmico de la normativa nacional
incorporando la experiencia sísmica internacional.
1.4.2. Objetivos específicos
• Caracterizar los principales cambios en el diseño de las conexiones
sísmicas, que se produjeron en la normativa norteamericana, debido a los
daños originados por el sismo de Northridge (EEUU-1994).
• Comparar los parámetros sísmicos del sismo de Northridge (EEUU-1994) con los del sismo intraplaca de Tarapacá (Chile-2005).
• Verificar la hipótesis:
“Los daños sísmicos en estructuras de acero originados por las
aceleraciones verticales del sismo de Northridge (EEUU-1994), pueden ser
similares a los originados por sismos intraplaca como el de Tarapacá
(Chile-2005).
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1.5. Metodología
Este trabajo de investigación busca, en primer lugar, recopilar información
sobre los daños que se produjeron en construcciones de acero y albañilería
debido a movimientos sísmicos caracterizados por presentar grandes
aceleraciones verticales; casos de interés son los producidos en Northridge,
Estados Unidos, y Tarapacá en Chile.
Posteriormente, se estudian los principales cambios realizados a la
normativa sísmica norteamericana y su influencia en manuales de diseño
sismoresistentes ocupados en nuestro país actualmente.
Se investiga sobre los principales parámetros del sismo de Northridge
(1994) y se comparan con los del terremoto de Tarapacá (2005), a través de
un análisis computacional que considera el comportamiento de lasestructuras en un período de tiempo determinado.
Los resultados obtenidos buscan contribuir a la normativa chilena de diseño
sísmico desde el punto de vista de la importancia otorgada a la componente
vertical del sismo.
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II. DISCUSIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1. Parámetros Sísmicos
La historia sobre la ocurrencia de terremotos es variada. Los países de Chile
y la costa oeste de los Estados Unidos no están ajenos a estos fenómenos,
pues se encuentran situados en la zona geológica denominada por los
expertos “Cinturón de Fuego del Pacífico”, caracterizada por el constantedesarrollo de eventos sísmicos que en gran parte de las ocasiones, dejan
víctimas fatales.
Debido a la gran cantidad de eventos ocurridos, surge el interés y necesidad
de cuantificar la energía que es capaz de producir un terremoto, con el fin
de contar con suficiente información que permita influir en la configuración
de manera segura de las obra.
Existen dos formas de medir los movimientos terrestres: la Intensidad y la
Magnitud de acuerdo a la publicación de los autores Riddell R. e Hidalgo P.
en el año 2001.
La Intensidad es una medida del daño provocado por un sismo en las
construcciones y de las perturbaciones en la superficie. La escala utilizada
en el mundo para determinar la intensidad es la Escala de Mercalli
Modificada, que presenta un intervalo de valores I a X. Un evento sísmico
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puede tener diversas intensidades dependiendo del lugar donde se ubique la
construcción y la calidad de los materiales componentes.
La Magnitud consiste en una medición objetiva del tamaño de un sismo,
pues no depende de la población, calidad del suelo o construcción. Existe
una medida de magnitud para cada evento sísmico, la cual es propuesta por
Richter como el logaritmo en base 10 de la amplitud máxima de la traza
registrada por un sismógrafo Wood-Anderson ubicado a 100 kilómetros del
epicentro. La Magnitud también es una medida de la energía liberada al
producirse la ruptura entre placas, conceptos relacionados de la siguiente
forma:
Log E = 11,8 + 1,5M
En que “E” es la energía liberada y “M” la magnitud de Richter.
Existen diversas formas de calcular la magnitud de un sismo, todas ellas
derivadas a partir de técnica desarrollada por Richter. En primer lugar, la
magnitud local de Richter (1935), depende del valor máximo de amplitud
de la onda sísmica y de la diferencia de tiempo entre el arribo de ondas
primarias (P) y ondas secundarias (S); ambos valores se relacionan en la
ecuación siguiente:
= log +3log[8 Δ−] ∗2.92
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Esta ecuación se utiliza para calcular magnitudes de sismos superficiales
con distancia epicentral menor a 2.000 km.
La magnitud de ondas superficiales (B. Gutemberg y Richter C., 1956)
idearon este concepto para terremotos superficiales con distancia epicentral
entre 2.000 km y 17.000 km aproximadamente, la cual se expresa como
sigue:
= log +1.66log + 2 . 0
Para la determinación de sismos profundos con distancias epicentrales
mayores a 2.000 km y menores a 11.000 km, B. Gutemberg (1945)
desarrolla la magnitud de ondas de cuerpo (), que se obtiene de esta
forma:
= log log +0.01+5.9
En que el valor “T” corresponde al período de la onda “p”.
Por último, en 1979 M. Hanks y H. Kanamori desarrollan el cálculo para la
magnitud de un sismo denominada Magnitud de Momento ( , que
puede ser determinada a partir de un espectro de desplazamientos obtenido
a partir de sismogramas o basada en el momento sísmico (Mo), quedepende de la resistencia a la ruptura del material, su área y cantidad de
desplazamiento. Se expresa finalmente de la siguiente forma:
= log 1.5 10.7⁄
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Dentro del ámbito de la sismología, existen parámetros que permiten medir
el comportamiento del suelo. Uno de los más empleados es la aceleraciónmáxima (PGA), que corresponde a la aceleración máxima del terreno
registrado durante algún suceso sísmico, por lo tanto, el PGA de un registro
es la aceleración máxima experimentada por una partícula de suelo en el
transcurso del movimiento (Carrasco, F. 2009).
La velocidad máxima (PGV) corresponde al mayor valor absoluto de la
velocidad horizontal. Se encuentra ligado a frecuencias medias y del mismo
modo que la aceleración máxima, se le puede relacionar con las
intensidades. Este valor tiene mejor correlación con la respuesta de
estructuras de período intermedio, alrededor de un segundo (Riddell, 2007).
Además de lo señalado anteriormente, existen otros parámetros de medición
de importancia. La Intensidad de Arias (IA) es una medida que representa lacapacidad de producir daño a un terremoto específico mediante un valor
escalar. La expresión que lo representa es:
= ∫
Donde
A(t) = La aceleración a lo largo del registro
tr = La duración total del sismo
g = Aceleración de gravedad
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Araya y Saragoni (1985) modificaron la Intensidad de Arias para tener en
cuenta el contenido de frecuencia, definiendo el poder destructivo PDcomo:
=
En esta expresión, “vo” es el número de cruces por cero por unidad de
tiempo; en otras palabras, corresponde a la cantidad de cambios de signo
que puede presentar el desarrollo de un acelerograma.
Desde el punto de vista de registros, existen herramientas que permiten
relacionar las respuestas que presentan las estructuras en función del
tiempo, y que se denominan espectros de respuesta. Este concepto provee
de información sobre el potencial efecto sobre una estructura debido por
ejemplo al movimiento del suelo (Riddell, 2007).
Figura II.1 Ejemplo de un Espectro de Respuesta
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2.2. Caracterización Geológica
2.2.1. Región de Tarapacá, Chile
La región de Tarapacá se encuentra situada dentro de una zona de
acoplamiento, que consiste en la constante convergencia entre las placas
Sudamericana y de Nazca. Éste sector da origen a los grandes terremotos
registrados en la historia de Chile, caracterizados por ser en su mayoríadestructivos, generando pérdidas humanas.
El Ingeniero Civil Antonio Álvarez (Informe de Tesis – 2009) afirma que la
extensión de la zona sismogénica va desde la Fosa de Nazca hasta 50
kilómetros de profundidad en un plano inclinado hacia el Este, y abarca
unos 150 kilómetros en la misma dirección.
Figura II.2 Fosa de Nazca
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Estudios realizados por Marquardt, Naranjo y Lavenu de la UniversidadCatólica del Norte en 2006, hacen mención a efectos geológicos que fueron
consecuencias del terremoto de Tarapacá. Se afirma que en la depresión
intermedia de la región, se observaron grietas a lo largo de los bordes de
terraplenes carreteros sin relleno adecuado; tampoco se encuentran indicios
de deformaciones del terreno, pero todo indica que los efectos del sismo
tienen relación con un aumento de vibración de las ondas sísmicas, las que
se amplificaron como consecuencia de la refracción al pasar desde un
sustrato rocoso a los depósitos de grava menos consolidados presentes en el
suelo.
Las características de deformación observadas y asociadas a un terremoto
profundo intraplaca de Nazca, como el del 13 de junio 2005, indican que en
las áreas costeras no son comparables las observaciones con lo que se podría producir durante un terremoto de interplaca de igual magnitud.
Debido a esto, la zona del norte grande de Chile sigue teniendo un alto
potencia de activación sísmica.
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2.2.2. Northridge, Estados Unidos de América
La ocurrencia de eventos sísmicos en el territorio norteamericano se asocia
a la presencia de la falla de San Andrés, de carácter geológica y
transformante. Presenta zonas de deslizamiento donde la energía acumulada
se disipa en temblores de efectos variados.
Las investigaciones sobre cómo se produce el terremoto de Northridge,
presenta tres interpretaciones de mecanismos focales. La primera se refiere
a la extensión de la falla de Oak Ridge, situada al oeste de la cuenca de
Ventura, hasta la zona del terremoto de Northridge. Otra opción apunta a
que el sismo fue causado por una inmersión al sur de una rampa de empuje
por debajo del Valle de San Andrés. Finalmente, una tercera teoría apunta a
la activación de fallas situadas al norte, la más importante la falla de Hilster
según la EERI en su publicación de 1994.
El sismo principal es seguido de varias réplicas que se concentran en dos
zonas diferenciadas, una de las cuales está asociada con el impacto
principal, describiendo un área rectangular de aproximadamente 16
kilómetros de extensión al oeste-noroeste desde el epicentro, y la misma
distancia hacia el norte-noreste. La segunda zona se sitúa por debajo de lasmontañas de Santa Susana hacia el noroeste y cuyas extensión es de 16 por
9.6 kilómetros.
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La ruptura de falla asociada al terremoto, según inferencias tele sísmicas y
de campo disponibles, parece ser un empuje de un plano de ángulo inferior.Este se sumerge a una magnitud menor a 40º en dirección sur-suroeste,
cerca de la superficie y va aumentando con la profundidad. La mencionada
ruptura puede haber llegado a la superficie en forma de pausas difusas o a
través de un impulso en un horst situado en las montañas de Santa Susana.
Esto implicaría que el terremoto de Northridge se asoció a un plano de
ruptura horizontal que se forma debajo de las montañas que se extiende en
dirección sur-suroeste. En síntesis, la vibración del suelo es debido a las
rupturas de falla a pocos kilómetros de distancia del epicentro.
Figura II.3 Mapa del área del Terremoto (EERI, 1994)
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2.3. Antecedentes Sísmicos
2.3.1. Norte de Chile
Durante los últimos 110 años, han ocurrido varios eventos sísmicos que se
han caracterizado por presentar una gran cantidad de daños estructurales,
como el ocurrido en Arica, en el año 1987, sismo moderado de 6.9 de
magnitud en Escala de Richter cuyos efectos se apreciaron en viviendas deadobe, llegando incluso a la destrucción total; sin embargo, las
construcciones de albañilería en bloque no fueron afectadas (Santander,
2007).
Otro evento importante fue el ocurrido el 24 de julio de 2001en la localidad
de Iquique, de magnitud 6.3 en la Escala de Richter y con una profundidad
focal de 10 kilómetros; presentando similares características al sismo de
2005, fenómeno que es estudiado en este trabajo.
De igual forma, en la Región de Antofagasta, se han presentado sucesos
sísmicos con importantes consecuencias estructurales en construcciones de
ciudades como Tocopilla, María Elena y Mejillones (Omerovic J., 2010).
Debido a estos y otros sucesos, la zona norte de Chile es reconocida
internacionalmente como una brecha sísmica próxima a la ruptura,
comenzando en el sur de Arica y terminando en la península de Mejillones
(Santander, 2007).
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Para mostrar lo anterior, en la siguiente imagen se aprecia la zona de
ruptura de los sismos más destructivos en la historia de Chile.
Figura II.4 Zonas afectadas por sismos importantes en Chile
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2.3.2. Northridge, Estados Unidos
La localidad de Norhtridge se encuentra en el Valle de San Fernando,
ubicado al noroeste de la ciudad de Los Ángeles en el estado de California,
Estados Unidos. Es una zona que presenta una alta tasa de desarrollo,
incluyendo complejos residenciales, industriales, centros comerciales y una
Universidad Estatal (Broderick B.M., 1994).
Los antecedentes sísmicos que se encuentran en esta zona del país del norte
son varios y muy similares. Durante los sucesos telúricos de 1978 (Tabas),
1979 en el Valle Imperial y 1992 (Landers), ya se habían evidenciado
efectos producidos por los grandes pulsos de velocidad, los mismos
presentados en el sismo de Northridge. El terremoto de San Francisco en el
año 1906, fue el antecedente más importante debido a la gran magnitud del
movimiento, produciendo colapsos en estructuras (Naeim F. 2004).
Lo anterior se convirtió en el inicio de estudios geomorfológicos del
territorio norteamericano con el fin de establecer normativas que
permitieran registrar una menor cantidad de daños en futuros sucesos.
Otros eventos importantes que han ocurrido en el estado de Californiatambién se han caracterizado por su intensidad y violencia. El terremoto de
Loma Prieta, ocurrido en 1989, es causado por el deslizamiento de la Falla
de San Andrés. También ocurre el terremoto de San Fernando en 1971,
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presentando una magnitud de 6.6 en la Escala de Richter, caracterizado por
el rompimiento de un segmento de la zona de la falla del mismo nombre.
En menor escala, en 2008 se produce el terremoto de Los Ángeles que
registra 5.4 en la Escala de Richter y cuyo epicentro fue en el área de
“Chino Hills”, al sudeste de la gran ciudad. En particular, se trató de un
movimiento sísmico con pocas víctimas fatales y de buen comportamiento
de las estructuras en comparación con los eventos de San Francisco y
Northridge.
Figura II.5 Zona de ocurrencia de sismos en los Estados Unidos
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2.4. Daños estructurales
Las evidencias de un fenómeno sísmico son observables en las estructuras a
través de los daños producidos que pueden ser de tipo grietas o colapsos de
miembros estructurales.
En el caso de Chile, encontramos viviendas de albañilería confinada de
bloques o armada con bloques de cemento en general, por lo que es
frecuente encontrar tipos de fallas como grietas, vaciamiento o colapsos.
Del mismo modo, en Northridge se detectaron similares problemas en las
construcciones de albañilería, que son pocas en comparación con la Región
de Tarapacá.
Los daños en las construcciones de acero estructural pueden encontrarse en
las conexiones sísmicas, de tipo viga-columna o en las placas bases;también evidenciarse como fallas de tipo grietas, soldaduras, aplastamiento
o levantamientos en fundaciones.
Debido a esto, es importante la determinación de las causas que las
generaron. Para ello, se cuenta con estudios y apoyo fotográfico del lugar de
los hechos, que son presentados en esta sección.
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2.4.1. Terremoto de Tarapacá (2005), Chile
El sismo de Tarapacá ocurrido el día lunes 13 de junio de 2005 registró una
7.9 en la Escala de Richter, con epicentro en la alta cordillera a una
profundidad de 111 Km (Santander, 2007). La intensidad alcanzó, en
localidades de la zona, el grado de VIII M.M (Escala de Mercalli
Modificada).
Figura II.6 Magnitudes del Sismo en localidades cercanas al Epicentro
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Los daños se concentran en una zona localizada entre la quebrada de
Camarones por el Norte y Pozo Almonte por el Sur, reportándose 72viviendas destruidas de acuerdo al estudio presentado por la Universidad de
Chile mediante sus autores R. Boroschek, D. Comte, P. Soto y R. León en
el 2006.
Bajo la acción del sismo se observa el mal comportamiento sísmico de la
mayoría de las viviendas (Santander, D. 2007). La inspección visual dejó al
descubierto reiteradas fallas estructurales debido al corte como el
agrietamiento diagonal de muros de fachadas en la parte principal o
posterior de los primeros pisos de las construcciones.
Figura II.7 Grietas diagonales debido a falla al corte producido en muros
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En otras construcciones se presentaron fallas por flexión fuera del plano,
sobre todo en muros ubicados en los segundos pisos, fallas por defectosconstructivos y fallas por inexistencias de juntas.
Figura II.8 Grietas debido a fallas por flexión o defectos constructivos
En construcciones donde se utiliza la albañilería armada y confinada por
pilares y cadenas, se encontraron daños de tipo vaciamiento total y fallas
debido a carencia de junta de dilatación entre estructuras (Santander, D.
2007).
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Figura II.9 Fallas debido a carencia de juntas y vaciamiento
Cabe destacar que los daños presentados se vieron disminuidos por
autoconstrucciones, las que a pesar de sufrir daños importantes y no contar
con requisitos de diseño de la Norma Chilena NCh 1928.Of93 ( Albañilería
armada – Requisitos para el diseño y cálculo) ayudaron a resistir el sismo,
siendo atribuible al aumento de la densidad del elemento estructural.
2.4.2. Terremoto de Tocopilla (2007), Chile
El epicentro del terremoto se produjo al Sureste de la ciudad de Tocopilla
con una magnitud de Mw=7.7, con una profundidad de 38.9 km según datos
del GUC y una duración de 50 seg según la National Earthquake
Information Center (NEIC).
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De acuerdo a datos otorgados por la ONEMI, la mayor intensidad se
alcanza en Tocopilla (VIII), causando daños importantes tanto aquí comoen Quillagua, Mejillones y María Elena.
Figura II.10 Epicentro del Sismo del 14 de noviembre del 2007
El comportamiento sísmico de las viviendas ha evidenciado daños
estructurales como errores constructivos, debido a falta de armaduras de
amarre o la mala colocación de mortero de pega, causando grietas en forma
escalonada, ya evidenciadas en el terremoto de Tarapacá (Álvarez, 2009).
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Figura II.11 Grieta escalonada y Grietas en muro por falta de mortero
Las inspecciones visuales también han evidenciado daños por esfuerzo de
corte en la albañilería, esto puede ser explicado por la baja densidad de
muros, además existe ausencia de armadura horizontal, elemento importante
para aumentar la resistencia al corte. Cabe mencionar que existe falta de
confinamiento de la albañilería por parte de pilares o refuerzo vertical en los
vanos de puertas.
Por otro lado, existen edificaciones cuyos pisos presentan comportamientos
diferentes, esto es debido a la ausencia de losa en el cielo del último piso,
por lo que los daños corresponderían a flexión por sobre corte. Además, se
observa la presencia de agua en la base, pues el movimiento telúrico ha producido filtración, produciendo desagregación de muros en las
construcciones (Álvarez, 2009).
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Figura II.12 Daños por esfuerzo de corte en albañilería
2.4.3. Terremoto de Northridge (1994), Estados Unidos
El día 17 de enero de 1994, ocurre un terremoto con epicentro a 1,610
kilómetros (1 milla) en dirección suroeste de la localidad de Northridge y a
32,187 kilómetros (20 millas) en dirección noroeste de la ciudad de Los
Ángeles. Este evento tuvo una profundidad focal de 19,312 kilómetros (12
millas) y su magnitud en la escala de Richter fue de 6.7 de acuerdo al
documento publicado por la ESEE en junio de 1994 y cuyos autores son
B.M Broderick, A.S. Elnashai, N.N. Ambraseys, J.M. Barr, R.G
Goodfellow y E.M. Hizagy.
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Un gran número de instrumentos de movimientos fuertes, que pertenecen a
grupos de investigación, son utilizados para la medición del suceso. De particular interés son los aparatos de campo libre en la zona del epicentro a
pesar de tratarse de un terremoto ocurrido en una zona de falla de inmersión
superficial de un área grande.
El rendimiento de las estructuras de construcción durante el terremoto fue
satisfactorio. Sin embargo, se evidenciaron extensos daños en algunos tipos
de estructuras como hormigón, madera y armazones construidas antes del
suceso.
Un aspecto significativo del terremoto es que ocurre en una zona en la que
el acero es el material estructural comúnmente empleado. No hay
antecedentes de colapsos de edificios, produciéndose como daño mayor un
derrumbe parcial en un centro deportivo. Posteriormente, existenantecedentes de daños en marcos diseñados a momento, refiriéndose a la
falta de conexiones viga-columna soldadas debido a la fractura evidenciada
en la soldadura (Broderick, B.M., 1994).
El autor Sthepen A, Mahin afirma en su estudio realizado en 1997, que el
sismo norteamericano evidenció daños en construcciones de acero, comofracturas frágiles generalizadas y no anticipadas en las vigas soldadas a
conexiones de columna. El daño más frecuente ocurre cerca de la unión
soldada en un ala inferior de conexiones viga-columna, produciendo
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fracturas quebradizas. El daño fue tan severo en algunos edificios que se
produjeron desplazamientos laterales permanentes importantes.
Fuente: www.nexus.globalquakemodel.org
Figura II.13 Fallas en conexiones Viga-Columna (Northridge,1994)
Los resultados de estudios contribuyentes a la publicación mostraron que
los daños en las estructuras de baja altura se distribuyen uniformemente
sobre ésta, mientras que los edificios altos mostraron un daño mayor en la
mitad superior.
Las posibles causas de los daños en conexiones de momento, se categorizan
en tres: los factores relacionados con la soldadura, el diseño y los
materiales.
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Figura II.14 Daños en placas bases de estructuras de acero
Del mismo modo que las estructuras de acero, se evidencian daños en
construcciones de albañilería no reforzada, mostrando varios modos de
fallo. Se encuentran muros inclinados fuera del plano a media altura,
fallando por flexión en los primeros pisos de los edificios de dos plantas(Broderick, B.M., 1994); también se encuentran fallas por cizallamiento en
el plano, observándose grietas a la altura de las ventanas en la parte de la
pared frontal de los edificios, del mismo modo ocurre esta falla en
elementos que soportan balcones. Este hecho puede explicarse debido al
poco progreso de adaptación estructural que en ese entonces ocurría en la
ciudad de Los Ángeles (EEIR, 1994).
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Figura II.15 Evidencia de daños en estructuras de albañilería
La figura anterior corresponde a un edificio ubicado cerca del centro de Los
Ángeles y que fue gravemente dañado. Las líneas de pernos ubicadas en la
parte superior probablemente evitaron un colapso mayor en la estructura.
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2.5. Cambios en el Diseño Sísmico
Luego de ocurrido el terremoto de Northridge en 1994, se desarrollan
investigaciones con el fin de desarrollar y verificar métodos fiables para la
inspección, evaluación, reparación y rehabilitación de edificios existentes y
para la construcción de otros nuevos (Mahin, 1997).
Cierto es que cada movimiento telúrico deja lecciones para los ingenieros
sísmicos. Northridge evidencia daños generalizados en estructuras de acero
soldadas, diseñadas para resistir momentos y también numerosas fracturas
detectadas en vigas soldadas a conexiones de columna; invalidando los
enfoques históricos para el diseño.
De este modo, se han cuestionado las prácticas históricas utilizadas en el
diseño y construcción de conexiones sísmicas, creando inseguridad en suutilización, y por lo tanto los métodos de diseño en los códigos de
construcción de Estados Unidos son rescindidos y deben justificarse
mediante ensayos o cálculos de prueba con el fin de restaurar la confianza
profesional en la forma de construir.
Las primeras investigaciones fueron realizadas por la asociación deingenieros estructurales de California (SEAOC), el Consejo de Tecnología
Aplicada (ATC) y el Consorcio de Universidades para la Investigación en
Ingeniería Sísmica (CUREE); quienes trabajan en el Proyecto SAC, que
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busca conocer el comportamiento de las conexiones sísmicas en estructuras
de acero de la época (Beltrán J., Herrera R., 2007).
Siguiendo la misma línea, en el año 2005 el AISC publica la última versión
de las disposiciones sísmicas que recogen la experiencia y conocimientos
adquirido luego de ocurrido los terremotos de Northridge (1994) y Kobe
(1995). Éstos postulados son contenidos en informes publicados por la
Agencia Federal de Manejo de Emergencias (FEMA), particularmente
FEMA 350 en el año 2000.
Figura II.16 Portada de la publicación del FEMA en el año 2000
Las nuevas disposiciones sísmicas se enfocan en el desarrollo de laductilidad en las estructuras, es decir, en la capacidad de soportar
deformaciones inelásticas sin pérdida significativa de ésta. Todas las
estructuras en zonas sísmicas deben incorporar un grado de ductilidad, que
es representado por el factor de reducción “R”, el cual indica la resistencia
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de la estructura sin colapsar; para el caso de los Estados Unidos, se restringe
su aplicación a un “R” mayor a 3.
Desde el punto de vista de los materiales, es necesario que estos presenten
una buena ductilidad. En el caso del acero, las nuevas disposiciones
restringen la tensión de fluencia a un máximo de 50 ksi en aquellos
elementos que van a desarrollar un comportamiento inelástico, exceptuando
columnas donde se espera ductilidad en la base.
Se introducen los conceptos de “tensión de fluencia esperada” y “tensión
última esperada” con el fin de evitar deformaciones en zonas panel de las
conexiones viga columna, ya que se forman grietas que son perjudiciales
para la resistencia. Mediante la inclusión de factores, se determinan las
tensiones de fluencia y última esperadas.
Figura II.17 Deformación de la zona panel
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Las nuevas disposiciones se limitan a la utilización de secciones compactas
de vigas, columnas y arriostramientos para sistemas estructurales queresistan solicitaciones sísmicas, debido a que éstas no sufren pandeo local y
mantienen su capacidad para un rango de deformación inelástica antes de
llegar a fallar. A esto, cabe agregar la nueva clasificación de elementos
compactos, denominado “sísmicamente compactos” en el que la esbeltez
del elemento debe ser menor o igual a un valor límite, y en consecuencia
puede soportar deformaciones inelásticas mayores a 6 o 7 veces la
deformación de fluencia (Beltrán J., Herrera R., 2007).
Desde el punto de vista de las conexiones, zonas donde se encuentran los
puntos más críticos de una estructura, se exige que el estado límite que
defina la capacidad sea dúctil o que se asegure que la falla ocurrirá en el
elemento. Lo mismo se busca lograr en las conexiones apernadas, utilizando
pernos pretensados de acuerdo a requisitos de conectores en fricción;además, se limita la utilización de perforaciones sobredimensionadas. Para
uniones soldadas, se debe presentar resistencia a la fractura, a través de
certificados de procedimientos de calidad con electrodos adecuados. Por
último, no se permite el diseño de uniones de modo que soldaduras y pernos
resistan en conjunto una misma fuerza.
Las nuevas disposiciones cubren distintos sistemas estructurales con
requisitos de diseño y limitaciones correspondientes. El primero
corresponde a Marcos Especiales (SMF) cuyo fin es el desarrollo de una
importante cantidad de deformación inelástica al someterlos a fuerzas
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sísmicas, observando la mayor parte en las vigas con la formación de
rótulas. Luego, se presentan los Marcos Intermedios (IMF) donde se esperaun desarrollo limitado de deformación inelástica al someterlos fuerzas
sísmicas. Finalmente, los Marcos Comunes (OMF) que presentan una
cantidad mínima de deformación inelástica.
Figura II.18 Marco Especial a Momento y su deformada
Otros sistemas estructurales diferentes que se tienen, son los Marcos en
Base a Enrejados (STMF) y Marcos Especiales Arriostrados
Concéntricamente (SCBF) que deben desarrollar cantidades significativas
de deformación inelásticas.
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Figura II.19 Marco STMF (izquierda) y Marco SCBF (derecha)
2.6. Normativa Chilena
Las modificaciones que se han realizado a las normativas de diseño en los
Estados Unidos luego de ocurrido el terremoto de Northridge en 1994, ha
significado que aquellos documentos utilizados en países sísmicos, que
tienen sus bases en el criterio establecido en la nación del norte, considerennuevas disposiciones.
En Chile, se utilizan las normas de diseño NCh 427 y NCh 428 para diseño
y fabricación de estructuras de acero, las que son antiguas y obsoletas de
acuerdo lo indica el Manual de Diseño ICHA. Por esta razón, normalmente
en los proyectos se aplican las especificaciones norteamericanas AISC para
estructuras pesadas y AISI para estructuras livianas con modificaciones
para cumplir los requisitos de las normas sísmicas chilenas NCh 433 para
edificios y NCh 2369 para estructuras industriales (Hasbún, 2013).
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La normativa chilena hace mención a la componente vertical del sismo en la
NCh 2369 of 2003 en su sección 5.5 denominada Acción sísmica vertical.Dependiendo del caso de utilización, se aplica un coeficiente sísmico
vertical. Para elementos soportantes de vigas de acero en construcción
soldada, laminada o plegada, se aplica el valor de Ao/g. De este modo la
fuerza vertical sísmica debe ser = ±( ), en que “P” es la suma de las
cargas permanentes y sobrecargas (NCh 2369 of 2003). De la misma forma,
para los casos de fundaciones o elementos en voladizo se considera 2/3 de
Ao/g. Alternativamente se puede desarrollar análisis dinámico vertical con
espectro de aceleraciones.
Para las construcciones de albañilería confinada, la norma NCh 2123 of
1997 modificada en 2003 presenta requisitos de diseño y cálculo. En el
punto 6.2 se describe el esfuerzo de corte admisible para solicitaciones
contenidas en el plano del muro y se presenta una ecuación que relaciona el
área bruta de la sección transversal, la resistencia básica de corte de la
albañilería y la tensión media de compresión. Ésta última es producida por
el esfuerzo axial que actúa sobre la sección, es decir, se encuentra vinculada
con una posible aceleración sísmica.
Las consideraciones estipuladas en las normativas vigentes, buscan sercuestionadas en el desarrollo de este documento con el fin de contribuir a la
seguridad sísmica de la normativa nacional.
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2.7. Registros Digitales
Para caracterizar los terremotos ocurridos en el Norte de Chile como en la
costa Oeste de Estados Unidos, se debe contar con información sobre la
energía liberada en las zonas cercanas al epicentro del evento.
2.7.1. Registros Nacionales
En Chile se encuentra la Red Nacional de Acelerógrafos (RENADIC) que
pertenece al Departamento de Ingeniería Civil de la Facultad de Ciencias
Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, que opera desde los años
70 registrando los terremotos que se producen en el país.
La RENADIC posee instrumentos en campo libre y en estructuras, cuyos
objetivos son establecer características de movimientos sísmicos, identificar
y establecer la demanda sísmica sobre estructuras y monitorear tanto la
respuesta sísmica de los suelos como de sistemas estructurales (Boroschek
R., Comte D., Soto P. y Leon R., 2006).
Los equipos de campo libre registran eventos sísmicos en distintas
condiciones de suelo, conformando una red de 50 acelerógrafos distribuidos
desde Arica (I Región) a Valdivia (X Región), que en conjunto con las
redes existentes en el Edificio de la Cámara Chilena de la Construcción son
operadas por RENADIC.
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Los registros son presentados en un formato establecido para contribuir en
la interpretación de los valores. Las primeras líneas de la información serefieren a datos de los acelerogramas, fecha, nombre del evento y la hora
del siniestro. Posteriormente, prosiguen las coordenadas de la estación, su
nombre, número de serie, de canal y sentido. Lo siguiente corresponde a
los valores numéricos de período, amortiguamiento y sensibilidad del canal,
número de puntos del registro y su duración. Los datos de aceleraciones son
presentados con su tiempo respectivo, debiendo leerse de izquierda a
derecha. Al finalizar los datos registrados, la información se organiza de la
misma manera pero para un siguiente canal. Lo descrito se presenta en el
siguiente recuadro.
Figura II.20 Formato de registro de aceleraciones por RENADIC
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El evento registrado de mayor magnitud en el año 2005 fue el terremoto de
Tarapacá con una magnitud de Mw=7.9. Este evento se obtuvo la mayoraceleración registrada durante el año y fue en la estación de Pica con 757
cm/seg2 (0,77 g).
2.7.2. Registros Norteamericanos
Los registros que corresponden al evento sísmico de Northridge sonobtenidos de una base de datos que almacena información para varios
sucesos telúricos ocurridos alrededor del mundo. Ésta plataforma se
denomina Consortium of Organizations for Strong Motion Observation
Systems (COSMOS)1 y presenta registros de Estados Unidos junto a otros
catorce países. Es flexible desde el punto de vista de búsqueda de
información, incluyendo mapas, parámetros de entrada, terremotos y
estaciones. Ésta institución cuenta con el apoyo de fondos de la Encuesta
Geológica de California (CGS), el Servicio Geológico de Estados Unidos
(USGS) y la Fundación Nacional de Ciencia (NSF).
La fuente de información, posee datos de todas las estaciones de medición
colocados en la zona oeste de Los Ángeles, California. Esta disposición, se
organiza presentando en primeras líneas, si el acelerograma se encuentra o
no corregido, el nombre del canal y su orientación. Posteriormente, se tiene
el nombre del evento sísmico, la fecha de ocurrencia, la hora, el inicio de
1 Fuente: www.cosmos-eq.org
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las mediciones, el modelo del apartado recolector y su posición. Lo
siguiente contiene características del sismo en si, como las coordenadas delhipocentro y las magnitudes de momento, período instrumental,
amortiguamiento, sensibilidad y tiempo del suceso. La siguiente sección
corresponde a la cantidad de puntos registrados por el instrumento y sus
valores máximos de aceleración, velocidad y desplazamiento; terminando la
sección de información con los puntos iniciales de cada parámetro.
Los datos son presentados en orden para su interpretación de izquierda a
derecha, su cantidad de puntos y sus unidades. Primero son datos de
aceleración, luego de velocidad y finalmente desplazamiento. La siguiente
imagen ilustra la organización de información de los datos norteamericanos.
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Figura II.21 Formato de registro de aceleraciones por COSMOS
Los registros extraídos de la base de datos corresponden a las estaciones
ubicadas en las localidades de Tarzana y Sylmar. Ambas son cercanas al
epicentro del terremoto de Northridge. Además, presentan valores altos de
aceleración vertical.
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III. MARCO TEÓRICO
3.1. Eventos sísmicos disponibles
La recopilación de antecedentes sísmicos de los terremotos para la
investigación, es la base para confeccionar un modelo que permita observar
y cuantificar el comportamiento estructural de las construcciones al ser
sometidas a fuertes aceleraciones verticales.
Se procede a trabajar con registros cercanos a los epicentros respectivos
para obtener sus componentes en tres direcciones e ingresarlas a un modelo
computacional.
3.1.1. El Terremoto de Northridge
La elección del evento sísmico ocurrido en Estados Unidos, se debe a la
importancia desde el punto de vista del desarrollo de criterios para el diseño
estructural de la época y por los enormes registros de aceleraciones
verticales.
Una gran cantidad de instrumentos de medición, representados en
estaciones pertenecientes a agencias y grupos de investigación, registraron
el terremoto de Northridge en 1994. Cada una situada a distancias
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diferentes, por lo tanto, la elección los registros debe ser representativa
desde el punto de vista numérico.
Durante el evento sísmico, los registros de campo y estructurales mostraron
aceleraciones verticales tan altas como un 85% (Bozorgnia Y., et al, 1998).
La tabla siguiente muestra registros del terremoto, la distancia al área de
ruptura y los peaks de aceleración.
Fuente: The Northridge (California) Earthquake of 17 January 1994: Observations, Strong Motion and
Correlative Response Analyses. !994.
Tabla III-1 Estaciones Norteamericanas con registros de Northridge (1994)
La estación de Tarzana registra la mayor aceleración vertical del terremoto
de Northridge con un valor de 1,18g, encontrándose a 6,437 kilómetros del
epicentro.
Distancia (Km) V/H
6,44 1.82H 1.18V 0.64
9,66 0.35H 0.59V 1.68
14,48 0.91H 0.60V 0.65
14,48 0.29H 0.16V 0.55
17,70 0.44H 0.19V 0.43
17,70 0.44H 0.20V 0.45
19,31 0.63H 0.62V 0.98
19,31 0.27H 0.15V 0.55
19,31 0.39H 0.17V 0.44
22,53 0.41H 0.19V 0.46
24,14 0.93H 0.25V 0.26
Peak de Aceleración (g)
Pacoima Reservoir, Pacoima Dam
Newhall, LA Country Fire Station
Century City, LACC North
Wadsworth, VA Hospital
Los Angeles, Hollywood Storange Bldg.
Santa Monica, City Hall Grounds
Nombre de la Estación
Tarzana, Cedar Hill Nursery
Arleta, Nordhoff Avenue Fire Station
Sylmar, County Hospital
Santa Susana, Building 462
Pacoima, Kagel Canyon Fire St. No.74
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La siguiente Estación en cercanía es Arleta, ubicada a 9.66 kilómetros del
epicentro; sin embargo, a pesar del alto registro de aceleración vertical, su proporción de componentes de aceleraciones no es representativa, ya que no
se parece a las proporciones que si entregan las demás, por lo que es
descartado para el análisis. La Estación de Sylmar aparece como tercera
opción, pues presenta un peak alto en componente vertical y su valor de
proporción es representativo.
Una vez seleccionada las estaciones, se obtiene una representación gráfica
de los datos obtenidos de la base de datos COSMOS.
3.1.1.1. Acelerogramas de Sylmar
Sylmar es un distrito del Valle de San Fernando, región de la ciudad de Los
Ángeles, California. Ubicada al norte de la ciudad de San Fernando, en
donde durante el terremoto de Northridge de 1994, ocurrieron serios daños
como el colapso de la Autopista Golden State y la Autopista Antelope
Valley.
Los registros de aceleraciones en tres componentes del sismo fueron
adquiridos en County Hospital y se presentan en las siguientes ilustraciones.
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Figura III.1 Registros en tres componentes en Estación Sylmar
-320
-120
80
280
480
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
A c e l e r a c i ó n ( c m / s 2 )
Período (seg)
SYLMAR Dirección 90 deg
-345
-145
55
255
455
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
A c e l e r a c i ó n ( c m / s 2 )
Período (seg)
SYLMAR Dirección UP
-580
-80
420
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
A c e l e r a c i ó n ( c m / s 2 )
Período (seg)
SYLMAR Dirección 360 deg
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3.1.1.2. Acelerogramas de Tarzana
Tarzana es un distrito ubicado en el Valle de San Fernando, región de la
ciudad de Los Ángeles, California.
Los registros de aceleraciones en tres componentes del sismo fueron
adquiridos en Cedar Hill Nursery y se presentan en las siguientes
ilustraciones.
-1540
-540
460
1460
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
A
c e l e r a c i ó n ( c m / s 2 )
Período (seg)
TARZANA Dirección 90deg
-1020
-20
980
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
A c e l e r a c i ó n ( c m / s 2 )
Período (seg)
TARZANA Dirección UP
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Figura III.2 Registros en tres componentes en Estación Tarzana
3.1.2. El Terremoto de Tarapacá
La elección de un sismo en la zona Norte de Chile posterior a la ocurrencia
del terremoto de Tarapacá (2005), se basa en el registro de altas
aceleraciones verticales y la cercanía que tiene la estación con el epicentro
determinado.
La zona norte de Chile distribuye por toda la región los aparatos de
medición de movimientos de suelo pertenecientes a RENADIC.
La tabla siguiente muestra los valores de las aceleraciones verticales
máximas obtenidas en las estaciones disponibles.
-890
-390
110
610
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
A c e l e r a c i ó n ( c m / s 2 )
Período (seg)
TARZANA Dirección 360deg
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Localidad Estación Aceleraciones Máximas (g)Arica (I Región) 2 - Etna V 0.130
3 - SMA-1 V 0.1574 - SMA-1 V 0.077
Poconchile (I Región) 1 - Etna V 0.222
2 - SMA-1 V 0.206
Putre (I Región) SMA - 1 V 0.068
Cuya (I Región) SMA - 1 V 0.254
Pisagua (I Región) 2 - SMA-1 V 0.286Iquique (I Región) 1 - Etna V 0.255
2 - SMA-1 V 0.114
3 - SMA-1 V 0.157
Pica (I Región) Etna V 0.792El Loa (I Región) SMA - 1 V 0.052
Tocopilla (II Región) 1 - Etna V 0.067
Mejillones (II Región) Etna V 0.016
Calama (II Región) Etna V 0.040
Fuente: Red Nacional de Acelerógrafos Norte (RENADIC). Junio de 2006.
Tabla III-2 Estaciones Nacionales con registros de Tarapacá (2005)
De lo anterior se aprecia el alto valor de registro que presenta la localidad
de Pica, en la primera región. La componente vertical cuantificada
corresponde a 0,792 g, siendo la magnitud mayor en comparación con las
demás estaciones.
3.1.2.1. Acelerogramas de Pica
Pica es un pueblo y comuna de Chile perteneciente a la Provincia del
Tamarugal, Región de Tarapacá. Ubicada a 117 kilómetros de la ciudad de
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Iquique, el lugar cuenta con un instrumento que mide aceleraciones del
suelo en tres componentes. A continuación se muestra el lugar donde seregistraron los datos.
Figura III.3 Estación de registros ubicada en Pica (I Región)
La obtención de los acelerogramas en tres componentes es posible
utilizando los datos de registro de RENADIC.
-5,5
-0,5
4,5
0 50 100 150 200 250
A c e l e r a c i ó n ( g / 1 0 )
Período (seg)
Pica Dirección NS
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Figura III.4 Registros en tres componentes en Estación Pica
3.2. Caracterización de Suelos
En la presente sección se busca caracterizar los suelos en donde fueron
obtenidos los registros de los terremotos de Tarapacá y Northridge en sus
dos estaciones.
3.2.1. El suelo de la localidad de Pica (I Región)
La región de Tarapacá cuenta con cuatro morfo estructuras principales:
Principal Cordillera, Pre cordillera, Depresión Intermedia y Cordillera de la
-6,5
-1,5
3,5
0 50 100 150 200 250
A c e l e r a c i ó n ( g / 1 0 )
Período (seg)
Pica Dirección V
-6,5
3,5
0 50 100 150 200 250 A c e l e r a c
i ó n
( g / 1 0 )
Período (seg)
Pica Dirección EW
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Costa; ubicándose la localidad de Pica entre la Pre cordillera y la Depresión
Intermedia.
La componente material más reciente en la zona, es de aluvión de la edad
cuaternaria, que conforman suelos finos intercalados con capas de suelo de
grano grueso delgado; y de depósitos fluviales en los valles formando
arenas limosas y arenas con grava.
3.2.2. Los suelos de Tarzana y Sylmar
La obtención de datos relativos a la superficie, condiciones de subsuelo y
geología local de la localidad de Tarzana, se obtuvieron de estudios
geotécnicos y geofísicos previos al sismo de Norhtridge, de informes de
investigaciones independientes y de geotécnicos que realizaron pruebas en
laboratorios que pertenecen a una asociación llamada Rosrine.
Como parte de las investigaciones en 1992, se excavaron pozos a
profundidades que varían entre los 1.7 metros y los 18.3 metros. Se
confirma que los estratos superficiales están sustentados por una fina capa
de arcilla limosa, limolitas y suaves diatomeas; además de una fina capa de
arenisca en formación en profundidades exploradas.
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Otras investigaciones incluyen datos por parte de la USGS2 que datan del
año 1979, en el que se obtuvo información del suelo mediante perforacionesa 30 metros y en donde se registran condiciones de sub suelo con 5,5 metros
de grosor de capa arcillo limosa muy dura, y a mayor profundidad aparecen
estratos de pizarra con recubrimiento de esquistos.
Las porciones de Granada y Sylmar están sustentas por materiales
aluvionales, que incluyen arenas y gravas de grano grueso realizadas
predominantemente en el valle de los complejos cristalinos de las montañas
de San Gabriel. Por último, las capas de rocas sedimentarias en la cuenca de
Los ängeles y el Valle de San Fernando contienen esquistos, limolita,
arenisca y conglomerados, así como algunas rocas volcánicas.
2 United State Geological Service (USGS). Organización científica que provee de información en la ayudade el desarrollo y preservación del ecosistema, catástrofes naturales o impactos climáticos.
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3.3. Estructuras a analizar
Una vez determinado los sismos que serán representados en el modelo y las
características del suelo de los registros, se procede a la configuración de
estructuras típicas de las zonas donde han ocurrido los terremotos.
3.3.1. Descripción de Estructura de Acero
Dentro del marco de la investigación, se busca determinar comportamientos
en las estructuras de acero, específicamente en los diseños de las
conexiones sísmicas. Para llévalo a cabo, se utiliza una estructura diseñada
por el memorista Javier Hasbun, que contiene los sistemas de marcos a
momento y arriostrados.
Figura III.5 Estructura de Acero a utilizar
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La estructura a analizar es un edificio de oficinas de ocho pisos que consta
de una planta regular que en su centro contiene una caja de escaleras y pozo para ascensor. Presenta un primer nivel de 4.6 metros de altura, luego posee
seis niveles de 3.4 metros de alto y finaliza con una techumbre liviana
elevada en 4.2 metros.
La estructura se configura en base a acero estructural y presenta vanos de
7.6 metros en ambas direcciones. Se compone de cuatro marcos que tienen
cinco vanos en sentido longitudinal y seis marcos con tres vamos en sentido
transversal. Lo anterior se representa como una planta de dimensiones 38 x
22.8 metros.
Figura III.6 Planta principal de la Estructura
La disposición del sistema resistente en el sentido longitudinal es de marcos
resistentes a momento, ubicados en la fachada; mientras que en sentido
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transversal, es de marcos concéntricamente arriostrados (SCBF). Para
ambas descripciones, la altura de prolongación es total.
Figura III.7 Elevación de Marco Longitudinal SMF
Figura III.8 Elevación de Marco Transversal tipo SCBF
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Figura III.9 Elevación de Marco Transversal no perteneciente al SFRS
Finalmente la disposición de los elementos estructurales resistentes resulta
en que el centro de rigidez de todos los niveles coincide con el centro de
masa de los mismos, los que al mismo tiempo se ubican en el centro
geométrico de la planta de la estructura, por lo tanto, no presenta
irregularidades desde el punto de vista de la torsión.
La elección de esta estructura se debe a la distribución de cada uno de los
miembros que la conforman. Esta distribución ha sido empleada con el
objetivo de diseñar eficientemente conexiones sísmicas, por lo tanto, es
esperable apreciar un buen comportamiento de la estructura ante el
sometimiento de los diferentes terremotos que conforman esta
investigación.
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3.3.1.1. Parámetros de Diseño
Los apoyos de las columnas son ingresados según restricciones que
responden al tipo de solicitaciones que los elementos de los distintos
sistemas estructurales deben traspasar a las fundaciones.
En cuanto al edificio, es estructurado en base a Marcos Especiales
Resistentes a Momento (SMF) en la dirección longitudinal del edificio, y en
la otra con Marcos Especiales Arriostrados Concéntricamente (SCBF),
haciendo presentes los sistemas de dos grandes grupos de marcos, lo que
permite de igual modo observar el comportamiento de las conexiones
sísmicas.
Los materiales a utilizar en los elementos estructurales del edificio a
analizar, son:
Acero Estructural NCh 203 A270ESP, para las secciones IN, HN,
HSS Rectangulares y planchas de conexiones que pertenecen a
SFRS.
o Fy = 2753,2 Kgf/cm2, tensión de fluencia mínima
o
Fu = 4180,8 Kg/cm2, tensión de rotura mínimao E = 2100000 Kgf/cm2, módulo de elasticidad
Pernos ASTM A325 para montaje.
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Losa colaborante compuesta por placa acanalada e=0,8mm, ormigón
H-30 e=100mm y malla electro soldada.Finalmente, los principales documentos a aplicar para el análisis estructural
del edificio son:
NCh 433. Of1996 Mod. 2009 “Diseño sísmico de edificios” en
conjunto con el D.S. 61 de Diciembre de 2011.
NCh 1537. Of2009 “Diseño estructural – Cargas Permanentes y
Cargas de Uso.
NCh 3171. Of2010 “Diseño estructural – Disposiciones generales y
combinaciones de carga.
En cuanto al diseño en acero, se utilizan los códigos AISC360-10,
AISC341-10 y AISC358-10.
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3.3.2. Descripción de Estructura de Albañilería
Las viviendas de tipo social poseen en general grandes aberturas en las
líneas resistentes (elevación principal y posterior) para conformar las
puertas y ventanas que se extienden hasta la cadena de coronación.
Figura III.10 Elevaciones Frontal y Posterior de las viviendas
La estructura a modelar corresponde a una vivienda de dos pisos,
contemplando diafragma rígido en el cielo del primer nivel a través de una
losa de 10 centímetros de espesor y diafragma flexible en el cielo del
segundo nivel, el que se encuentra conformado por una techumbre de
madera. Ésta se estructura en base a madera soportadas por cadenas
perimetrales y una viga central que sostiene el cordón superior de dicha
techumbre.
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El primer piso mide 2.3 metros y el segundo presenta una altura de 1.8
metros en eje longitudinal, en tanto se tiene una altura variable desde los 1.8metros hasta 2.3 metros en el eje transversal para dar pendiente a la madera
que sostiene la techumbre.
Esta construcción se estructura en base a muros de albañilería confinada, sin
embargo, en los ejes longitudinales no se produce confinamiento por parte
de los pilares. A continuación, se muestran las plantas de techumbre y
elevaciones laterales de la estructura.
Figura III.11 Planta de Techumbre de Estructura de Albañilería
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Figura III.12 Elevación Lateral de la estructura de Albañilería
La configuración estructural de la vivienda presentada en esta sección es
elegida para su modelación debido a que es el tipo de vivienda de
albañilería confinada más frecuente en la zona donde ocurre el evento
sísmico de Tarapacá, de las cuales en su totalidad resultaron dañadas.Además, es esperable evidenciar tipos de fallas ya descritas en la sección
2.4.1 pues la normativa Chilena influye en el comportamiento que podría
tener la estructura en el corte.
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3.3.2.1. Parámetros de Diseño
Los hormigones para vigas, pilares y losas del edificio corresponden al tipo
H-20, lo que implica una resistencia a compresión en probetas cilíndricas de
f´c = 160 (Kg/cm2). En cuanto al módulo de elasticidad “E” se determina
con la ecuación siguiente:
= 1 5 1 0 0 ∗ √ ` (Kg/cm2)
Del mismo modo, el módulo de corte “G” se relaciona con el parámetro
anterior más el coeficiente de Poisson mediante la expresión lineal
siguiente:
= 21+
Por lo tanto, quedan definidos los valores de las propiedades del hormigón
armado para la modelación como sigue:
Peso específico del hormigón ( γ) = 2.5 (T/m3)
Módulo de Elasticidad (E) = 2.100.000 (T/m2)
Coeficiente de Poisson (ν) = 0.2
Las propiedades de la albañilería se fundamentan en la norma NCh2123
Of.97. De este modo, la determinación del módulo de elasticidad € y de
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corte (G) es a partir de la resistencia prismática del material mediante la
expresión:
=1000∗` (Mpa)
En donde f´m equivale a 4.5 (Mpa) debido a que se utilizan bloques del
Tipo A en la modelación de la estructura. Finalmente, los parámetros para
la albañilería quedan definidos de la siguiente forma:
Peso específico ( γ) = 1.8 (T/m3)
Módulo de Elasticidad (E) = 450.000 (T/m2)
Coeficiente de Poisson (ν) = 0.3
3.4. Programas de modelación
En el medio existen herramientas esenciales para la ingeniería civil, como
son los softwares para el análisis y diseño de edificaciones. Estos programas
permiten modelar representando las características de los materiales,
secciones, conexiones y apoyos, con el fin de obtener respuestas de las
estructuras a las condiciones ingresadas. A continuación, se describen dos
programas que son utilizados actualmente en nuestro país:
ETABS, Computers and Structures Inc.
SAP2000, Computers and Structures Inc.
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Ambos programas son herramientas usadas por ingenieros para llevar a
cabo análisis estructurales de edificaciones que pueden ser de concreto,acero o de albañilería con limitantes, siendo tan simples como una viga
hasta una construcción compleja como una presa.
3.4.1. Características
El programa ETABS es una aplicación completamente integrada en entornoWindows para el modelamiento, análisis y diseño de edificaciones y que en
la actualidad se encuentra disponible en dos niveles: Plus (P) y Nonlinear
(N). Es ideal para trabajar pues tiene herramientas orientadas al desarrollo
de diferentes tipos de estructuras.
El programa SAP2000 está completamente integrado para el modelamiento
y análisis. Se encuentra disponible en tres niveles: Basic (B), Plus (P) y
Advanced (A).
Ambos programas computacionales presentan opciones extras que
simplifican el diseño, como las siguientes:
Cálculo automático de coordenadas de centros de masas (Xm, Ym).
Cálculo automático de coordenadas de centros de rigideces (Xt, Yt).
Cálculo automático de fuerzas sísmicas, sus excentricidades y
aplicación en el centro de masas.
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Cálculo automático de masas del edificio a partir de los casos de
carga elegidos. División automática de elementos (Auto-Mesh) que permiten definir
elementos que se cruzan; el programa los divide automáticamente en
su análisis interno, o se puede dar el comando de que divida los
elementos en el mismo modelo.
Plantillas predefinidas de sistemas de losas planas, losas en una
dirección, losas reticulares o con nervaduras, cubiertas, etc.
3.4.2. Ventajas
Antiguamente realizar un análisis de una estructura tomaba bastante tiempo;
sin embargo, hoy los softwares ofrecen una reducción importante para
obtener resultados.
El ahorro de tiempo en procesos de cálculo, da mayor espacio a observar
detalles como la simetría, irregularidades, diseño de estructura o procesos
constructivos.
Finalmente, la capacidad de los programas a realizar cambios por el
proyectista, ya sea por detalles arquitectónicos o procesos de optimización,
es una de las grandes potencialidades pues permite la toma de decisiones en
un menor tiempo.
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3.5. Análisis Tiempo – Historia
El análisis dinámico de tiempo-historia es usado para predecir la respuesta
de una estructura sujeta a cargas sísmicas, de modo de poder representar el
comportamiento real que tendría una estructura excitada durante un
terremoto.
El modelamiento de las acciones sísmicas en el análisis tiempo-historia, se
logra aplicando un determinado registro de aceleraciones en los apoyos, de
acuerdo a la figura siguiente. Del mismo modo es posible introducir
diferentes registros en cada apoyo, lo que permitiría la representación de
una excitación asincrónica.
Figura III.13 Esquema de modelación de cargas sísmicas en Análisis Tiempo-Historia
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Los programas ETABS y SAP2000 permiten la definición de la función
para el análisis tiempo-historia. Se presentan los acelerogramascorrespondientes a los eventos de los sismos expuestos en este trabajo. Se
debe expresar el archivo con su número respectivo de registros en la
componente a analizar, el intervalo de separación y las unidades. Los demás
parámetros son ingresados en la etiqueta “Definición de Función” como el
número de líneas de cabecera a saltar y la cantidad por línea. Es posible
realizar el análisis en las tres dimensiones de la estructura, por lo tanto, para
efectos de este trabajo, la componente en Z es de importancia. Finalmente,
luego de haber ingresado el registro al programa, es posible visualizar
resultados específicos como el desplazamiento de nudos, cortantes en la
base, fuerzas en elementos u obtener el espectro de pseudoaceleraciones de
un nudo.
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