sismos y estructuras de hormigón

7/22/2019 Sismos y Estructuras de Hormign

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En: (Calvo, B., Maya, M., Parra, J.L., 2001, Editores). Primeras Jornadas Iberoamericanas sobre Caracterizacin y

Normalizacin de Materiales de Construccin. Programa CYTED. Madrid.

ESTRUCTURAS DE HORMIGN Y SISMOS

RAMREZ MASFERRER, Javier AngelProfesor de Construccin y Clculo de Estructuras

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de MinasC/ Ros Rosas 21, MADRID (Espaa)

RESUMEN

Observando roturas de estructuras de hormign despus de los sismos puede dar una idea sobre los mecanismos de posibles

rotura, facilitando el proyecto de edificios antissmicos.

En la construccin antissmica, muchas veces no se busca salvar el edificio, cuya rotura puede ser inevitable, sino salvarvidas humanas, mediante la rotura plstica del mismo, para ello el uso de secciones con rotura dctil, puede serimprescindible.

Se observa tambin que muchas veces la rotura acontece como consecuencia de fenmenos relacionados con la resonancia.

INTRODUCCIN

Algunas fotografas que se adjuntan en este artculo se hicieron en el terremoto de Mxico de 1985. Para hacer

uso de ellas hay que pedir permiso al profesor De Miguel de la Escuela Tcnica Superior de Arquitectura de

Madrid Otras se las debo a mi amigo D. Emilio Vega, las restantes son propiedad del autor.

Accin ssmica sobre las estructuras

Al llegar el sismo a las zonas pobladas, el terremoto se siente como oscilaciones bruscas del terreno, que se

transmiten a las estructuras.

Habitualmente, en un edificio, existen cargas, o acciones, que se equilibran con las reacciones en el suelo. En el

caso del sesmo este equilibrio se complica, pues es el suelo el que se mueve, y, el inmueble no puede, por lo

general, equilibrarse con reacciones exteriores, por lo que, deber oscilar y disipar la energa que reciba sin

romperse. O romperse dctilmente, disipando energa con la rotura

Una estructura sometida a accin ssmica debe plantearse como un problema dinmico, pues el sesmo leimpone movimientos (y aceleraciones).

Las aceleraciones verticales son las menos problemticas, pues el edificio ha sido concebido para soportar la

accin vertical del peso, y aguantar un esfuerzo adicional en esta direccin, ya que en el diseo se admite la

posibilidad de existencia de sobrecargas, que se tienen en cuenta utilizando los coeficientes de seguridad

adecuados. Adems el edificio suele ser muy rgido en cuanto a su desplazamiento vertical, por lo que

difcilmente entrar en resonancia verticalmente.

Adems el edificio es mucho ms rgido verticalmente, por lo que tender a vibrar verticalmente con frecuencia

mayor que horizontalmente, como los sismos suelen ser de frecuencias bajas, presentan pocos problemas en

sobreesfuerzos verticales.

Es ms grave el problema, cuando los elementos diseados para resistir esfuerzos verticales, se ven sometidos a

esfuerzos oblicuos, que son el resultado del peso vertical, y una oscilacin horizontal. Entonces el edificio se

deforma lateralmente.


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La estructura tiende a recuperar su forma, como consecuencia de la elasticidad de los materiales. Las

perturbaciones en el medio varan en direccin y sentido, por lo que las construcciones empiezan a oscilar

alrededor de su posicin de equilibrio.

Figura 1. Los pilares de este edificio no han sido capaces de soportar las oscilaciones horizontales del sismo, la

estructura horizontal ha resistido. Un muro pantalla de hormign ha resistido

Una estructura, terica, completamente rgido, se movera de forma sincronizada con el estmulo. En la realidad

esta oscila, deformndose a partir de su posicin inicial. Si se sobrepasa el limite elstico de alguno de losmateriales, puede entrar en rgimen plstico, y deformarse sin tender a recuperar su forma, o si este responde

frgilmente, romperse. Desde este punto de vista, los materiales de construccin ms seguros, ssmicamente

hablando, son los elsticos, y coherentes, como por ejemplo la madera y el hormign armado.

Resonancia

Los movimientos, y por lo tanto los esfuerzos a que se ven sometidas las distintas partes, dependen, entre otras,

de las caractersticas de la onda ssmica, y de las frecuencias naturales de oscilacin del edificio.

El edificio tender a oscilar segn sus frecuencias propias de oscilacin, que si no coinciden con algn armnico

de los principales que forman la onda ssmica no aumentar en cada oscilacin, pero en el caso de que

coincidan, se produce el fenmeno de resonancia.

Cuando el sesmo posee un armnico de amplitud considerable que coincide con una frecuencia de oscilacin

natural de edificio (o perodo fundamental), ste entra en resonancia, y la aceleracin crece en cada periodo, porlo que irremediablemente ser destruido, a menos que el sesmo cese rpidamente, o que la ruptura de algunas

de las partes del edificio varen su frecuencia natural de oscilacin, o que el rozamiento interno de los materiales

sea suficiente como para disipar la energa.

En teora es posible estudiar la respuesta de un edificio ante un sesmo, a partir de un acelerograma (esquema

terico del sesmo). La construccin resistir si todas sus partes consiguen responder a los movimientoscoherentemente, ya sea trasladndose juntas, o girando alrededor de los mismos ejes en cada instante. Para esto

se supone que los distintos nudos no pueden variar su distancia, pues los elementos que forman la estructura no

pueden ni alargarse ni acortarse.

Cuando se quiere que una construccin resista sismos fuertes, se disea especialmente para ello. Por ejemplo es

necesario que los hospitales sigan en pie despus de un terremoto.


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Suele dar la impresin de que los edificios altos, sobre todo si son de similar construccin van a

sucumbir antes en un sesmo. Esto suele ser cierto, pues adems los edificios altos tienen mayor periodo deoscilacin. Sin embargo esto depende de los armnicos de resonancia del sesmo y del edificio, por lo que en

general puede ser bastante arbitrario.

Figura 2. Este edificio, tenia dos zonas con dos alturas distintas, como puede apreciarse en las ventanas de la

ltima planta. Curiosamente, la zona ms elevada ha resistido, aunque esto no suele ser as. Quizs su frecuencia

de resonancia no haya coincidido con la del sesmo, mientras que en la otra parte s.

Roturas en las construcciones

La propagacin de las roturas suele ser un fenmeno frecuente, ya que las estructuras estn diseadas para que

todos sus elementos soporten en conjunto las acciones a las que se ven sometidos. Por lo que, generalmente,cualquier rotura acrecienta de forma imparable los daos, as una primera regla sera que ssmicamente una

construccin resiste lo que resiste el elemento estructural que primero se rompa.

Cuando esto no es as, se dice que la rotura es dctil. Esto ocurre cuando al fallar elementos estructurales, eledificio alcanza nuevas posiciones de equilibrio, con su elemento roto resistiendo fuera de su posicin. De esta

manera se pueden salvar muchas vidas.


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Figura 3. Un pilar no ha resistido, y el fallo estructural ha comenzado a propagarse. La rotura no es total, porque

el sismo se ha detenido a tiempo, y porque el edificio ha sido capaz de amortiguar las sobrecargas, alcanzando

nuevas posiciones de equilibrio mientras se rompe, disipando la energa del seismo.

En caso de terremoto, la construccin tiene que trasladarse en horizontal, movindose sus plantas bajasunidas al suelo, siendo sus plantas altas arrastradas por aquellas. Se ha observado que algunas veces el inmueble

ha volcado sobre uno de sus lados.


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Figura 4. Con el fallo de pilares en plantas bajas, este edificio ha volcado.

Una grn parte de las victimas de terremotos se produce por desprendimiento de fachadas, por lo que en caso de

sesmo es aconsejable permaneces fuera o dentro de los edificios, pero no entrar ni salir.


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Figura 5. Este edificio se ha desprendido en parte de su fachada

La respuesta de cada edificio es diferente, por lo que si dos estn en contacto, o no poseen una junta de

dilatacin suficiente, al llegar el sesmo, oscilan de forma diferente, golpeandose, y machacndose ambos. Sera

pues recomendable que hubiese entre los dos una separacin, o junta que permitiera la oscilacin sin choque;esta debera ser al menos la suma de las amplitudes de oscilacin de cada uno de ellos.

Figura 6. Estos edificios han oscilado de forma diferente, golpendose ambos. La junta de dilatacin entre ellos

debera haber sido ms generosa.

Cuando aparece una grieta, sta se cierra y se abre repetidamente, producindose choques entre sus dos caras,

cada vez que se cierra, estos choques machacan fcilmente cualquier material, como el fenmeno es de tipo

percusional produce esfuerzos muy importantes en el material.

Los techos, o los forjados, sobre todo los que abarcan grandes reas pueden desplomarse por su parte central.


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Figura 7. Las plantas desaparecen como por arte de magia, en este edificio aparentemente inalterado ha

desaparecido una planta correspondiente a la altura del pilar que sobresale por su izquierda. El edificio ha roto

de forma adecuada, el pilar roto sigue resistiendo, pudindose salvar muchas vidas. Ni siquiera se han cado las

cortinas, aunque el edificio tendr que demolerse

Si el edificio es grande, puede que una parte sufra un desplazamiento, y otra no, de esta forma la parte

intermedia se vea retorcida. Fenmenos parecidos pueden ocurrir cuando el inmueble es poco homogneo, yasea en materiales o en forma, en cuyo caso se comporta como varios bloques independientes.

Figura 8. Esta pasarela no ha asimilado los desplazamientos de los dos edificios que una, y se ha desprendido

Observar desde el punto tcnico los fallos estructurales, ahondando en los mecanismos que los hanproducido puede ayudar a evitarlos en un futuro. Aqui se han visto brevemente los ms importantes, intentando

suscitar la curiosidad del lector, resumiendo lo ms importante de cada tipo de fallo.


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Construccin sismorresistente

Se dice que la seccin de una pieza estructural es dctil, cuando al iniciarse la rotura, tiene suficiente material

como para seguir resistiendo mientras se est rompiendo.

Esto en hormign armado se traduce en que el hormign debe trabajar a poca tensin en el momento de la roturade la pieza, as mientras el acero (que debe estar resistiendo la traccin) empieza a darse de si, al haberse

sobrepasado el lmite elstico del mismo, el hormign sigue resistiendo la tensin de compresin que lecorresponda.

La rotura ayuda mucho a disipar energa, pues mientras la estructura no sobrepase su lmite elstico, la

elasticidad de la misma har que en cada oscilacin la energa se sume a la de la oscilacin anterior.

Las vigas de canto, presentan seccin mucho ms dctiles que las vigas planas. Pero frecuentemente esto no es

suficiente, debiendose evitar ademas otros fenmenos, como por ejemplo el fenmeno de resonancia.

Figura 9. El edificio ha colapsado totalmente, pero sus vigas de canto se mantienen intactas, sin embargo esto no

ha suficiente, pues sus pilares han fallado.

El otro concepto clave en la construccin sismorresistente es la rigidez, que, generalmente en hormign

se consigue mediante muros pantalla, y en acero mediante diagonales, que frecuentemente forman cruces de San

Andrs.

El edificio se construye rgido, intentando que sus frecuencias propias de oscilacin se alejen de las delsesmo.


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Figura 10. Edificio con estructura de hormign, de actual construccin, en la ciudad de Mxico.

Obsrvense los muros pantalla, colocados en direcciones perpendiculares, para rigidizar el conjunto,

frente a oscilaciones en cualquier direccin.

Las vigas de canto, y los planos horizontales son muy rgidos y resistentes, para transmitir los esfuerzos

a los elementos verticales.

En la zona de la derecha de la fotografa, se aprecia una red de vigas secundarias, perpendiculares a la

principal, cuyo objetivo es rigidizar los planos horizontales.


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Figura 11. Otra perspectiva del mismo edificio, en la que se redunda en los mismos aspectos.


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Figura 12. Edificio con estructura de acero, de actual construccin, en la ciudad de Mxico.

En la imagen superior, se presenta otro edificio, tambin de nueva construccin en la ciudad de Mxico, esta vez

de estructura de acero. Lo que ms llama la atencin son la multitud de potentes diagonales en oposicin dos a

dos. De esta manera se rigidizan planos verticales. Existen diagonales en planos verticales perpendiculares, de

esta forma el edificio es rgido a una oscilacin en una direccin cualquiera. Las plantas bajas tienen estructura

mixta con hormign

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