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martes 27 de enero de 2009

El sismo y sus efectos sobre las estructuras..

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El sismo y sus efectos sobre las estructuras..

Colaborado por: Dr. Ing. Alexis Negrín Hernández Profesor Titular e Investigador Auxiliar. anegrin@uclv.edu.cu

La acción de los sismos sobre las estructuras, edificaciones y obras en general es de gran importancia, por la magnitud de los daños y fallos que ocasionan, las grandes pérdidas económicas, y sobre todo, por el gran número de víctimas humanas, tanto en muertos como en lesionados.

Las cargas que el sismo provoca sobre las estructuras dependen de muchos factores, entre otros: las características dinámicas del evento, la zona geográfica, las propiedades del suelo y la estructura, la interacción suelo-estructura, el propio movimiento sísmico, la capacidad de liberar energía de la estructura, etc.

La carga de sismo, en zonas de actividad sísmica, es una de las más importantes a tener en cuenta en el diseño. La acción de un sismo sobre una estructura tiene aspectos netamente distintos que los de la mayoría de las otras acciones. La diferencia no reside tanto en las características dinámicas de la acción, si no en la relación entre el movimiento sísmico, las propiedades del suelo subyacente y las estructuras.

El diseño sismorresistente implica mucho más que la simple consideración, como se hace con otras cargas, de un conjunto de cargas estáticas que se aplican al modelo de la estructura; requiere, además y principalmente, la selección de un sistema estructural idóneo y eficiente para absorber los efectos sísmicos y de un cuidado especial en la observancia de requisitos de diseño de los elementos estructurales y no estructurales. Esto implica que un diseño adecuado para soportar las acciones comunes, puede resultar totalmente inapropiado para resistir efectos sísmicos, como lo demuestran las frecuentes fallas y problemas que se tienen al utilizar sistemas constructivos desarrollados para zonas no sísmicas en otras en que estos efectos son críticos.

A grandes rasgos el diseño sísmico enmarca las siguientes etapas: la selección de la composición estructural adecuada, la obtención de las acciones de diseño, el cálculo de la respuesta estructural y el diseño y detalles de la estructura. Un terremoto puede tener su centro epicentro a varios kilómetros de la estructura, tal como pasa con los ciclones, pero aquí la onda se desplaza por la corteza terrestre, por tanto su efecto llega a la estructura por los cimientos y la mueve o sacude en todas direcciones, en general, piénsese en el símil de un péndulo invertido.

La carga de sismo va en contra de la lógica estructural, pues rompe con la transferencia tradicional de carga sobre la estructura. Las otras cargas bajan, normalmente, de las losas a las vigas, de éstas a las columnas y de allí a los cimientos. En el sismo la carga comienza por los cimientos, esto le da un marcado efecto dinámico, además, las vibraciones u oscilaciones se pueden mantener sobre la estructura y provocar la resonancia.

En resumen: durante el diseño con la carga de sismo hay que tener en cuenta que la estructura soporte las grandes fuerzas de cortante que se introducen, pero además hay que cuidar que el período de oscilación de la estructura no coincida con la del suelo. Esto presupone una estructura rígida para soportar la carga y una más flexible para evitar la resonancia. Una buena manera de lograr esto es diseñando estructuras aporticadas con paredes de mampostería enmarcadas. Durante los primeros embates del sismo el peligro de resonancia es menor (las fuerzas horizontales son mayores pero mas "desorganizadas" y las oscilaciones muy variables) la estructura se comporta, inicialmente, como rígida; esas fuerzas "cuartean" las paredes y rompen un poco la unión con el pórtico, haciendo la estructura mas flexible. Luego del acomodo del suelo las oscilaciones son mantenidas, pero las fuerzas horizontales son menores y pueden ser soportadas por la estructura flexible; la flexibilidad de la estructura evita la resonancia.

Cuando ocurre un evento sísmico en el mundo se genera un gran cúmulo de informaciones, noticias, comentarios y preocupaciones. Pensamos que se necesita de una "cultura sísmica" para poder entender bien esos sucesos. Para esto debe quedar muy claro la diferencia entre magnitud e intensidad de un sismo. La magnitud de un sismo es la medida del tamaño del mismo que es independiente del lugar donde se hace la observación y que se relaciona, en forma aproximada, con la cantidad de energía que se libera durante el evento. Se determina a partir de las amplitudes de registros de sismógrafos. La escala más conocida de magnitudes es la de Richter. Cada incremento de una unidad en la escala de Richter implica un aumento de 32 veces en la cantidad de energía liberada.

La intensidad de un sismo es una medida de los efectos que éste produce en un sitio dado, o sea, de las características del terreno y del potencial destructivo del sismo en un lugar en particular y en lo concerniente a sus efectos en las construcciones. Las intensidades varían en grados desde I al XII y un buen ejemplo de este tipo de escala los es la MSK-1964 (Escala Internacional Macrosísmica o Mercalli Modificada).

Es frecuente la confusión entre magnitud e intensidad. La magnitud es una medida de la potencia del sismo, independiente del lugar donde se mide. La intensidad es una medida de las característica del movimiento del terreno que el sismo provoca en un sitio dado. Desde el punto de vista del Ingeniero Civil lo que interesa son las intensidades que pueden presentarse en el lugar donde se va a construir la edificación. Una misma intensidad puede ser producida por un sismo lejano de gran magnitud o por uno cercano de menor magnitud. Por ejemplo, el sismo que destruyó a Managua en 1972 fue de magnitud relativamente baja, en la escala de Richter fue de 5.7, pero su epicentro se localizó en la misma ciudad, así que la intensidad fue muy alta, prácticamente del orden de X y la destrucción fue casi total.Los grados el la escala MSK tienen las siguientes definiciones:
  • I.- Terremoto imperceptible. Sólo son registrados por los sismógrafos.
  • II.- Terremotos escasamente perceptibles (muy leves).
  • III.- Terremoto débil, observado sólo parcialmente. Las personas más sensibles lo sienten.
  • IV.- Terremoto sentido considerablemente. El evento es sentido por muchas personas.
  • V.- Fuerte. Despertamiento. Sentido por todas las personas en el interior de edificios y por muchas fuera. Muchas personas durmiendo se despiertan. Hay algunos daños en edificios menos sólidos.
  • VI.-Daños ligeros. Las personas se asustan y corren hacia afuera de las edificaciones. Hay daños en estructuras medias.
  • VII.-Daños en edificios. Se asustan la mayoría de las personas. Hay daños sobre las estructuras. En el diseño y construción debe ser tomada en cuenta la carga de sismo.
  • VIII.-Fuertes daños en los edificios. Destrucción de edificios. Alarma general. La carga de sismo comienza a ser crítica en el diseño.
  • IX.-Daño general de edificios. Pánico general. Muchos edificios se caen. La carga de sismo es la más importante en el diseño. Hay que tomar medidas especiales antisísmicas.
  • X.- Destrucción general de edificios. Grandes grietas en el suelo.
  • XI.-Catástrofe. Ocurren serios daños, destrucción total. Considerables deformaciones del suelo.
  • XII.- Cambio de relieve. Se destruyen prácticamente todas las construcciones. Cambios radicales en la superficie del terreno.
Para el cálculo de la carga de sismo se necesita de una expresión confiable, y científicamente probada, que evalúe todos los factores antes mencionados y que garantice la seguridad implícita en los métodos de cálculo. En los tiempos actuales existen muchos métodos de cálculo de carga de sismo y hay mucho desarrollo en ese campo. Muy buen desarrollo es esta esfera tienen: Japón, EEUU, México, Perú, Chile y otros que evidentemente son muy afectados por estos eventos.

Los estudios geológicos y la historia de actividad sísmica permiten identificar las zonas sismogenéticas, o sea aquellas donde existen fallas tectónicas activas cuya ruptura genera los sismos. Los movimientos sísmicos del terreno se presentan no solo en las zonas sismogenéticas sino en todas aquellas que están suficientemente cercanas a las mismas para que lleguen a ellas ondas sísmicas de amplitud significativa.

Aunque el sismo es una carga casi impredecible y causa muchos daños el proyectista no puede evitar el reto. Cualquier país con actividad sísmica tiene que ser estudiada desde el punto de vista ingenieril. Para poseer una norma propia de cálculo lo primero que debe existir es un estudio de sismicidad y luego hacer la adecuada interpretación física y estadística del fenómeno. Posteriormente, apoyándose en todo los estudios precedentes y en las normas de países de más desarrollo en la temática, valorando las condiciones particulares definir una norma propia de cálculo. De esa manera se contará con suficiente argumento para realizar un diseño ante la carga de sismo totalmente confiable. Un buen ejemplo, si no el mejor, de material de consulta de todas estas cuestiones es la referencia (1) que recomendamos a todo ingeniero estructural.

BILIOGRAFIA CONSULTADA:
  1. Bazán Enrique y Meli Roberto; "Diseño Sísmico de Edificios", Editorial LIMUSA, México, 1998.
  2. Negrin Alexis; "Comportamiento de Estructuras de Concreto", Monografía para curso de Diseño Estructural, UNITEC, Tegucigalpa, Honduras, 2007.
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