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La ingeniería sísmica es una rama interdisciplinaria de la ingeniería que diseña y analiza estructuras, como edificios y puentes, teniendo en cuenta los terremotos . Su objetivo general es hacer que estas estructuras sean más resistentes a los terremotos. Un ingeniero de terremotos (o sísmicos) tiene como objetivo construir estructuras que no se dañen con sacudidas menores y evitarán daños graves o colapsos en un terremoto mayor. La ingeniería sísmica es el campo científico que se ocupa de proteger a la sociedad, el medio ambiente natural y el medio ambiente creado por el hombre de los terremotos al limitar el riesgo sísmico a niveles socioeconómicamente aceptables. [1]Tradicionalmente, se ha definido de manera estricta como el estudio del comportamiento de estructuras y geoestructuras sujetas a cargas sísmicas ; se considera como un subconjunto de la ingeniería estructural , ingeniería geotécnica , ingeniería mecánica , ingeniería química , física aplicada , etc. Sin embargo, los enormes costes con experiencia en terremotos recientes han dado lugar a una expansión de su alcance a las disciplinas Encompass del campo más amplio de civiles ingeniería , ingeniería mecánica , ingeniería nuclear , y de las ciencias sociales , especialmente la sociología ,ciencias políticas , economía y finanzas . [2]

Los principales objetivos de la ingeniería sísmica son:

  • Prever las posibles consecuencias de los fuertes terremotos en las zonas urbanas y la infraestructura civil.
  • Diseñar, construir y mantener estructuras para que funcionen a la exposición a terremotos de acuerdo con las expectativas y de conformidad con los códigos de construcción . [3]

Una estructura diseñada adecuadamente no tiene que ser necesariamente extremadamente fuerte o costosa. Tiene que estar adecuadamente diseñado para resistir los efectos sísmicos mientras mantiene un nivel aceptable de daño.

Prueba de choque de mesa vibratoria de un modelo de construcción regular (izquierda) y un modelo de construcción con base aislada (derecha) [4] en UCSD

Carga sísmica

Tokyo Skytree , equipado con un amortiguador de masa sintonizado , es la torre más alta del mundo y es la segunda estructura más alta del mundo .

Carga sísmica significa la aplicación de una excitación generada por un terremoto en una estructura (o geoestructura). Ocurre en las superficies de contacto de una estructura, ya sea con el suelo, [5] con estructuras adyacentes, [6] o con las ondas de gravedad de un tsunami . La carga que se espera en un lugar determinado de la superficie de la Tierra se estima mediante sismología de ingeniería . Está relacionado con el riesgo sísmico del lugar.

Rendimiento sísmico

El comportamiento sísmico o sísmico define la capacidad de una estructura para mantener sus funciones principales, como su seguridad y capacidad de servicio , en y después de una exposición particular a un terremoto. Una estructura normalmente se considera segura si no pone en peligro la vida y el bienestar de quienes se encuentran en ella o alrededor de ella al colapsar parcial o completamente. Una estructura puede considerarse útil si es capaz de cumplir con las funciones operativas para las que fue diseñada.

Los conceptos básicos de la ingeniería sísmica, implementados en los principales códigos de construcción, asumen que un edificio debe sobrevivir a un terremoto raro y muy severo sufriendo daños significativos pero sin colapsar globalmente. [7] Por otro lado, debería permanecer operativo para eventos sísmicos más frecuentes, pero menos severos.

Evaluación del desempeño sísmico

Los ingenieros necesitan conocer el nivel cuantificado del desempeño sísmico real o anticipado asociado con el daño directo a un edificio individual sujeto a un temblor de tierra específico. Esta evaluación puede realizarse de forma experimental o analítica.

Evaluación experimental

Las evaluaciones experimentales son pruebas costosas que generalmente se realizan colocando un modelo (a escala) de la estructura en una mesa vibratoria que simula el movimiento de la tierra y observa su comportamiento. [8] Este tipo de experimentos se realizaron por primera vez hace más de un siglo. [9] Solo recientemente ha sido posible realizar pruebas a escala 1: 1 en estructuras completas.

Debido a la naturaleza costosa de tales pruebas, tienden a usarse principalmente para comprender el comportamiento sísmico de estructuras, validar modelos y verificar métodos de análisis. Por lo tanto, una vez validados adecuadamente, los modelos computacionales y los procedimientos numéricos tienden a soportar la mayor carga de la evaluación del desempeño sísmico de las estructuras.

Evaluación analítica / numérica

Instantánea del video de la mesa vibratoria de una prueba destructiva de un edificio de concreto no dúctil de 6 pisos

La evaluación del desempeño sísmico o el análisis estructural sísmico es una poderosa herramienta de ingeniería sísmica que utiliza un modelado detallado de la estructura junto con métodos de análisis estructural para obtener una mejor comprensión del desempeño sísmico de estructuras edificables y no edificadas . La técnica como concepto formal es un desarrollo relativamente reciente.

En general, el análisis estructural sísmico se basa en los métodos de dinámica estructural . [10] Durante décadas, el instrumento más destacado de análisis sísmico ha sido el método del espectro de respuesta a terremotos , que también contribuyó al concepto actual del código de construcción propuesto. [11]

Sin embargo, tales métodos son buenos solo para sistemas elásticos lineales, siendo en gran parte incapaces de modelar el comportamiento estructural cuando aparece daño (es decir, no linealidad ). La integración numérica paso a paso demostró ser un método de análisis más efectivo para sistemas estructurales de múltiples grados de libertad con una no linealidad significativa bajo un proceso transitorio de excitación del movimiento del suelo. [12] El uso del método de elementos finitos es uno de los enfoques más comunes para analizar modelos informáticos de interacción no lineal de la estructura del suelo .

Básicamente, el análisis numérico se realiza para evaluar el comportamiento sísmico de los edificios. Las evaluaciones de desempeño se llevan a cabo generalmente mediante el uso de análisis de transferencia estática no lineal o análisis de historial de tiempo no lineal. En tales análisis, es esencial lograr un modelado no lineal preciso de componentes estructurales como vigas, columnas, uniones viga-columna, muros de cortante, etc. Por lo tanto, los resultados experimentales juegan un papel importante en la determinación de los parámetros de modelado de componentes individuales, especialmente aquellos que están sujetos a deformaciones no lineales significativas. Luego, los componentes individuales se ensamblan para crear un modelo no lineal completo de la estructura. Los modelos así creados se analizan para evaluar el rendimiento de los edificios.

Las capacidades del software de análisis estructural son una consideración importante en el proceso anterior, ya que restringen los posibles modelos de componentes, los métodos de análisis disponibles y, lo más importante, la robustez numérica. Esto último se convierte en una consideración importante para las estructuras que se aventuran en el rango no lineal y se acercan al colapso global o local a medida que la solución numérica se vuelve cada vez más inestable y, por lo tanto, difícil de alcanzar. Hay varios software de análisis de elementos finitos disponibles comercialmente, como CSI-SAP2000 y CSI-PERFORM-3D, MTR / SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS y Ansys , todos los cuales se pueden utilizar para la evaluación del rendimiento sísmico de edificios. Además, existen plataformas de análisis de elementos finitos basadas en la investigación como OpenSees, MASTODON, que se basa en MOOSE Framework , RUAUMOKO y el antiguo DRAIN-2D / 3D, varios de los cuales ahora son de código abierto.

Investigación para la ingeniería sísmica

Prueba de mesa vibratoria de rodamientos de péndulo de fricción en EERC

La investigación para la ingeniería sísmica significa tanto la investigación de campo como la analítica o la experimentación destinada al descubrimiento y la explicación científica de hechos relacionados con la ingeniería sísmica, la revisión de conceptos convencionales a la luz de nuevos hallazgos y la aplicación práctica de las teorías desarrolladas.

La National Science Foundation (NSF) es la principal agencia del gobierno de los Estados Unidos que apoya la investigación y la educación fundamentales en todos los campos de la ingeniería sísmica. En particular, se centra en la investigación experimental, analítica y computacional sobre el diseño y la mejora del rendimiento de sistemas estructurales.

Mesa vibratoria de defensa electrónica [13]

El Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica (EERI) es líder en la difusión de información relacionada con la investigación en ingeniería sísmica tanto en los EE. UU. Como a nivel mundial.

Se puede encontrar una lista definitiva de las tablas de vibración relacionadas con la investigación de la ingeniería sísmica en todo el mundo en Instalaciones experimentales para la simulación de ingeniería sísmica en todo el mundo. [14] El más destacado de ellos es ahora E-Defense Shake Table [15] en Japón .

Principales programas de investigación de EE. UU.

NSF también apoya a la red George E. Brown, Jr. para la simulación de ingeniería sísmica

El programa de Ingeniería Estructural y Mitigación de Riesgos de la NSF (HMSE) apoya la investigación de nuevas tecnologías para mejorar el comportamiento y la respuesta de los sistemas estructurales sujetos a riesgos de terremotos; investigación fundamental sobre seguridad y confiabilidad de los sistemas construidos; desarrollos innovadores en análisis y simulación basada en modelos de comportamiento y respuesta estructural, incluida la interacción suelo-estructura; conceptos de diseño que mejoran el rendimiento y la flexibilidad de la estructura ; y aplicación de nuevas técnicas de control para sistemas estructurales. [dieciséis]

(NEES) que promueve el descubrimiento de conocimientos y la innovación para los terremotos y la reducción de la pérdida por tsunamis de la infraestructura civil de la nación y nuevas técnicas e instrumentación de simulación experimental. [17]

La red NEES cuenta con 14 laboratorios de uso compartido distribuidos geográficamente que apoyan varios tipos de trabajo experimental: [17] investigación de centrífugas geotécnicas, pruebas de mesa vibratoria, pruebas estructurales a gran escala, experimentos de cuencas de olas de tsunami e investigación de campo. [18] Las universidades participantes incluyen: Universidad de Cornell ; Universidad de Lehigh ; Universidad Estatal de Oregon ; Instituto Politécnico Rensselaer ; Universidad de Buffalo , Universidad Estatal de Nueva York ; Universidad de California, Berkeley ; Universidad de California, Davis ;Universidad de California, Los Ángeles ; Universidad de California, San Diego ; Universidad de California, Santa Bárbara ; Universidad de Illinois, Urbana-Champaign ; Universidad de Minnesota ; Universidad de Nevada, Reno ; y la Universidad de Texas, Austin . [17]

NEES en las instalaciones de pruebas de Buffalo

Los sitios de equipos (laboratorios) y un depósito de datos central están conectados a la comunidad mundial de ingenieros de terremotos a través del sitio web de NEEShub. El sitio web de NEES funciona con el software HUBzero desarrollado en la Universidad Purdue para nanoHUB específicamente para ayudar a la comunidad científica a compartir recursos y colaborar. La ciberinfraestructura, conectada a través de Internet2 , proporciona herramientas de simulación interactivas, un área de desarrollo de herramientas de simulación, un repositorio central de datos seleccionado, presentaciones animadas, soporte al usuario, telepresencia, mecanismo para cargar y compartir recursos y estadísticas sobre usuarios y patrones de uso.

Esta ciberinfraestructura permite a los investigadores: almacenar, organizar y compartir datos de forma segura dentro de un marco estandarizado en una ubicación central; observar y participar en experimentos de forma remota mediante el uso de datos y video sincronizados en tiempo real; colaborar con colegas para facilitar la planificación, ejecución, análisis y publicación de experimentos de investigación; y realizar simulaciones computacionales e híbridas que pueden combinar los resultados de múltiples experimentos distribuidos y vincular experimentos físicos con simulaciones por computadora para permitir la investigación del desempeño general del sistema.

Estos recursos proporcionan conjuntamente los medios de colaboración y descubrimiento para mejorar el diseño sísmico y el rendimiento de los sistemas de infraestructura civil y mecánica.

Simulación de terremoto

Las primeras simulaciones de terremotos se realizaron aplicando estáticamente algunas fuerzas de inercia horizontal basadas en las aceleraciones máximas del suelo escaladas a un modelo matemático de un edificio. [19] Con el mayor desarrollo de las tecnologías computacionales, los enfoques estáticos comenzaron a dar paso a los dinámicos .

Los experimentos dinámicos en estructuras de edificios y no edificios pueden ser físicos, como pruebas de mesa vibratoria , o virtuales. En ambos casos, para verificar el desempeño sísmico esperado de una estructura, algunos investigadores prefieren lidiar con los llamados "historiales en tiempo real", aunque el último no puede ser "real" para un terremoto hipotético especificado por un código de construcción o por algunos requisitos de investigación en particular. . Por lo tanto, existe un fuerte incentivo para participar en una simulación de terremoto, que es la entrada sísmica que posee solo las características esenciales de un evento real.

A veces, la simulación de terremotos se entiende como una recreación de los efectos locales de un fuerte temblor de tierra.

Simulación de estructura

Experimentos simultáneos con dos modelos de construcción que son cinemáticamente equivalentes a un prototipo real. [20]

La evaluación teórica o experimental del comportamiento sísmico anticipado requiere principalmente una simulación de estructura que se basa en el concepto de semejanza o similitud estructural. La similitud es cierto grado de analogía o semejanza entre dos o más objetos. La noción de similitud se basa en repeticiones exactas o aproximadas de patrones en los elementos comparados.

En general, se dice que un modelo de construcción tiene similitud con el objeto real si los dos comparten similitud geométrica , similitud cinemática y similitud dinámica . El tipo de similitud más vívida y efectiva es la cinemática . La similitud cinemática existe cuando las trayectorias y velocidades de las partículas en movimiento de un modelo y su prototipo son similares.

El último nivel de similitud cinemática es la equivalencia cinemática cuando, en el caso de la ingeniería sísmica, las historias de tiempo de los desplazamientos laterales de cada piso del modelo y su prototipo serían los mismos.

Control de vibraciones sísmicas

El control de vibraciones sísmicas es un conjunto de medios técnicos destinados a mitigar los impactos sísmicos en estructuras edificadas y no edificadas . Todos los dispositivos de control de vibraciones sísmicas pueden clasificarse como pasivos , activos o híbridos [21] cuando:

  • los dispositivos de control pasivo no tienen capacidad de retroalimentación entre ellos, los elementos estructurales y el suelo;
  • los dispositivos de control activo incorporan instrumentación de grabación en tiempo real en el suelo integrada con equipos de procesamiento de entrada de terremotos y actuadores dentro de la estructura;
  • Los dispositivos de control híbridos tienen características combinadas de sistemas de control activos y pasivos. [22]

Cuando las ondas sísmicas terrestres alcanzan y comienzan a penetrar la base de un edificio, su densidad de flujo de energía, debido a los reflejos, se reduce drásticamente: por lo general, hasta un 90%. Sin embargo, las porciones restantes de las ondas incidentes durante un gran terremoto todavía tienen un enorme potencial devastador.

Después de que las ondas sísmicas ingresan a una superestructura , hay varias formas de controlarlas para aliviar su efecto dañino y mejorar el rendimiento sísmico del edificio, por ejemplo:

  • para disipar la energía de las olas dentro de una superestructura con amortiguadores diseñados adecuadamente ;
  • para dispersar la energía de las olas entre una gama más amplia de frecuencias;
  • para absorber las porciones resonantes de toda la banda de frecuencias de onda con la ayuda de los llamados amortiguadores de masa . [23]
Mausoleo de Cyrus , la estructura de base aislada más antigua del mundo

Los dispositivos del último tipo, abreviado correspondientemente como TMD para el tuned ( pasivo ), como AMD para el activo y como HMD para los amortiguadores de masa híbridos , se han estudiado e instalado en edificios de gran altura , predominantemente en Japón, durante un cuarto. de un siglo. [24]

Sin embargo, hay otro enfoque: la supresión parcial del flujo de energía sísmica hacia la superestructura conocida como aislamiento sísmico o de base .

Para ello, se insertan algunas almohadillas en o debajo de todos los elementos principales de carga en la base del edificio que deberían desacoplar sustancialmente una superestructura de su subestructura que descansa sobre un suelo tembloroso.

La primera evidencia de protección contra terremotos utilizando el principio de aislamiento de la base se descubrió en Pasargadae , una ciudad en la antigua Persia, ahora Irán, y se remonta al siglo VI a. C. A continuación, se muestran algunas muestras de las tecnologías de control de vibraciones sísmicas actuales.

Muros de piedra seca en Perú

Muros de piedra seca del Templo del Sol de Machu Picchu , Perú

Perú es una tierra altamente sísmica ; Durante siglos, la construcción de piedra seca demostró ser más resistente a los terremotos que el uso de mortero. Los habitantes de la civilización inca eran maestros de los pulidos "muros de piedra seca", llamados sillar , donde se cortaban bloques de piedra para que encajaran firmemente sin ningún tipo de mortero . Los incas estaban entre los mejores canteros que el mundo haya visto jamás [25] y muchas uniones en su mampostería eran tan perfectas que ni siquiera briznas de hierba cabían entre las piedras.

Las piedras de los muros de piedra seca construidos por los incas podían moverse ligeramente y asentarse sin que los muros colapsaran, una técnica de control estructural pasivo que emplea tanto el principio de disipación de energía (amortiguación de coulomb) como el de suprimir las amplificaciones resonantes . [26]

Amortiguador de masa afinado

Amortiguador de masa sintonizado en Taipei 101 , el tercer rascacielos más alto del mundo

Normalmente, los amortiguadores de masa sintonizados son enormes bloques de hormigón montados en rascacielos u otras estructuras y se mueven en oposición a las oscilaciones de frecuencia de resonancia de las estructuras por medio de algún tipo de mecanismo de resorte.

El rascacielos Taipei 101 debe resistir vientos de tifón y temblores de terremotos comunes en esta área de Asia / Pacífico. Para ello, se diseñó e instaló encima de la estructura un péndulo de acero con un peso de 660 toneladas métricas que sirve como amortiguador de masa sintonizado. Suspendido desde el piso 92 al 88, el péndulo se balancea para disminuir las amplificaciones resonantes de los desplazamientos laterales en el edificio causados ​​por terremotos y fuertes ráfagas .

Amortiguadores histeréticos

Un amortiguador histerético está destinado a proporcionar un rendimiento sísmico mejor y más confiable que el de una estructura convencional al aumentar la disipación de la energía sísmica de entrada . [27] Hay cinco grupos principales de amortiguadores histeréticos utilizados para este propósito, a saber:

  • Amortiguadores de fluidos viscosos (FVD)

Los amortiguadores viscosos tienen la ventaja de ser un sistema de amortiguación complementario. Tienen un bucle histerético ovalado y la amortiguación depende de la velocidad. Si bien es posible que se requiera un mantenimiento menor, los amortiguadores viscosos generalmente no necesitan ser reemplazados después de un terremoto. Aunque son más caras que otras tecnologías de amortiguación, pueden utilizarse tanto para cargas sísmicas como de viento y son los amortiguadores histeréticos más utilizados. [28]

  • Amortiguadores de fricción (FD)

Los amortiguadores de fricción tienden a estar disponibles en dos tipos principales, lineales y rotacionales y disipan energía por calor. El amortiguador funciona según el principio de amortiguador de coulomb . Dependiendo del diseño, los amortiguadores de fricción pueden experimentar el fenómeno de pegado-deslizamiento y soldadura en frío . La principal desventaja es que las superficies de fricción pueden desgastarse con el tiempo y por esta razón no se recomiendan para disipar cargas de viento. Cuando se usa en aplicaciones sísmicas, el desgaste no es un problema y no requiere mantenimiento. Tienen un bucle histerético rectangular y, siempre que el edificio sea lo suficientemente elástico, tienden a volver a sus posiciones originales después de un terremoto.

  • Amortiguadores de fluencia metálicos (MYD)

Los amortiguadores de fluencia metálica, como su nombre lo indica, ceden para absorber la energía del terremoto. Este tipo de amortiguador absorbe una gran cantidad de energía, sin embargo, deben ser reemplazados después de un terremoto y pueden evitar que el edificio vuelva a asentarse en su posición original.

  • Amortiguadores viscoelásticos (VED)

Los amortiguadores viscoelásticos son útiles porque pueden usarse tanto para aplicaciones eólicas como sísmicas, generalmente se limitan a pequeños desplazamientos. Existe cierta preocupación en cuanto a la confiabilidad de la tecnología, ya que se ha prohibido el uso de algunas marcas en edificios en los Estados Unidos.

  • Amortiguadores de péndulo a horcajadas (swing)

Aislamiento de la base

El aislamiento de la base busca evitar que la energía cinética del terremoto se transfiera a energía elástica en el edificio. Estas tecnologías lo hacen aislando la estructura del suelo, lo que les permite moverse de forma algo independiente. El grado en que la energía se transfiere a la estructura y la forma en que se disipa variará según la tecnología utilizada.

  • Cojinete de caucho de plomo
LRB se está probando en las instalaciones de UCSD Caltrans-SRMD

El rodamiento de caucho de plomo o LRB es un tipo de aislamiento de base que emplea una gran amortiguación . Fue inventado por Bill Robinson , un neozelandés. [29]

El mecanismo de amortiguación pesado incorporado en las tecnologías de control de vibraciones y, en particular, en los dispositivos de aislamiento de la base, a menudo se considera una fuente valiosa de supresión de vibraciones, lo que mejora el rendimiento sísmico de un edificio. Sin embargo, para los sistemas bastante flexibles, como las estructuras de base aislada, con una rigidez de apoyo relativamente baja pero con una alta amortiguación, la denominada "fuerza de amortiguación" puede resultar la principal fuerza de empuje en un fuerte terremoto. El video [30] muestra un rodamiento de caucho de plomo que se está probando en la UCSD.Instalación de Caltrans-SRMD. El rodamiento está hecho de caucho con núcleo de plomo. Fue una prueba uniaxial en la que el rodamiento también estaba bajo una carga de estructura completa. Muchos edificios y puentes, tanto en Nueva Zelanda como en otros lugares, están protegidos con amortiguadores de plomo y cojinetes de plomo y caucho. Te Papa Tongarewa , el museo nacional de Nueva Zelanda y los edificios del parlamento de Nueva Zelanda han sido equipados con cojinetes. Ambos están en Wellington, que se encuentra en una falla activa . [29]

  • Aislador de base de resortes con amortiguador
Primer plano de resortes con amortiguador

En la foto tomada antes de la exposición al terremoto de Northridge de 1994 se muestra un aislador de base con resortes con amortiguador instalado debajo de una casa adosada de tres pisos, Santa Mónica , California . Es un dispositivo de aislamiento de base conceptualmente similar al cojinete de caucho de plomo .

Una de las dos casas adosadas de tres pisos como esta, que estaba bien instrumentada para registrar las aceleraciones verticales y horizontales en sus pisos y el suelo, ha sobrevivido a una fuerte sacudida durante el terremoto de Northridge y ha dejado valiosa información grabada para un estudio adicional.

  • Rodamiento de rodillos simple

El cojinete de rodillos simple es un dispositivo de aislamiento de la base que está diseñado para proteger varias estructuras de edificios y no edificios contra impactos laterales potencialmente dañinos de fuertes terremotos.

Este soporte de rodamiento metálico puede adaptarse, con ciertas precauciones, como aislante sísmico a rascacielos y edificios en suelo blando. Recientemente, se ha empleado con el nombre de rodamiento de rodillos metálicos para un complejo de viviendas (17 pisos) en Tokio, Japón . [31]

  • Rodamiento de péndulo de fricción

El cojinete de péndulo de fricción (FPB) es otro nombre de sistema de péndulo de fricción (FPS). Se basa en tres pilares: [32]

  • deslizador de fricción articulado;
  • superficie deslizante cóncava esférica;
  • Cilindro envolvente para restricción de desplazamiento lateral.

A la derecha se presenta una instantánea con el enlace al videoclip de una prueba de mesa vibratoria del sistema FPB que soporta un modelo de construcción rígido.

Diseño sísmico

El diseño sísmico se basa en procedimientos, principios y criterios de ingeniería autorizados destinados a diseñar o modernizar estructuras sujetas a exposición a terremotos. [19] Esos criterios solo son consistentes con el estado actual del conocimiento sobre estructuras de ingeniería sísmica . [33] Por lo tanto, el diseño de un edificio que sigue exactamente las regulaciones del código sísmico no garantiza la seguridad contra derrumbes o daños graves. [34]

El precio de un diseño sísmico deficiente puede ser enorme. Sin embargo, el diseño sísmico siempre ha sido un proceso de prueba y error , ya sea que se base en leyes físicas o en el conocimiento empírico del comportamiento estructural de diferentes formas y materiales.

Ayuntamiento de San Francisco destruido por el terremoto y el incendio de 1906 .
San Francisco después del terremoto e incendio de 1906

Para practicar el diseño sísmico , el análisis sísmico o la evaluación sísmica de proyectos de ingeniería civil nuevos y existentes, un ingeniero debería, normalmente, aprobar el examen de los Principios sísmicos [35] que, en el estado de California, incluyen:

  • Datos sísmicos y criterios de diseño sísmico
  • Características sísmicas de los sistemas de ingeniería
  • Fuerzas sísmicas
  • Procedimientos de análisis sísmico
  • Detalle sísmico y control de calidad de la construcción

Para construir sistemas estructurales complejos, [36] el diseño sísmico utiliza en gran medida el mismo número relativamente pequeño de elementos estructurales básicos (por no hablar de los dispositivos de control de vibraciones) que cualquier proyecto de diseño no sísmico.

Normalmente, de acuerdo con los códigos de construcción, las estructuras están diseñadas para "resistir" el terremoto más grande de cierta probabilidad que pueda ocurrir en su ubicación. Esto significa que la pérdida de vidas debe minimizarse evitando el colapso de los edificios.

El diseño sísmico se lleva a cabo entendiendo los posibles modos de falla de una estructura y proporcionando a la estructura la resistencia , rigidez , ductilidad y configuración adecuadas [37] para garantizar que esos modos no puedan ocurrir.

Requisitos de diseño sísmico

Los requisitos de diseño sísmico dependen del tipo de estructura, la localidad del proyecto y sus autoridades que estipulan los códigos y criterios de diseño sísmico aplicables. [7] Por ejemplo, los requisitos del Departamento de Transporte de California denominados Criterios de Diseño Sísmico (SDC) y destinados al diseño de nuevos puentes en California [38] incorporan un enfoque innovador basado en el rendimiento sísmico.

La planta de energía nuclear de Metsamor se cerró después del terremoto de Armenia de 1988 [39]

La característica más significativa de la filosofía de diseño de la COSUDE es un cambio de una evaluación de la demanda sísmica basada en la fuerza a una evaluación de la demanda y la capacidad basada en el desplazamiento . Por lo tanto, el enfoque de desplazamiento recientemente adoptado se basa en comparar la demanda de desplazamiento elástico con la capacidad de desplazamiento inelástico de los componentes estructurales primarios mientras se asegura un nivel mínimo de capacidad inelástica en todas las ubicaciones potenciales de las bisagras plásticas.

Además de la estructura diseñada en sí, los requisitos de diseño sísmico pueden incluir una estabilización del suelo debajo de la estructura: a veces, el suelo muy sacudido se rompe, lo que lleva al colapso de la estructura que se asienta sobre él. [40] Los siguientes temas deberían ser de interés primordial: licuefacción; presiones de tierra laterales dinámicas en muros de contención; estabilidad sísmica de taludes; asentamiento inducido por terremotos. [41]

Las instalaciones nucleares no deben poner en peligro su seguridad en caso de terremotos u otros eventos externos hostiles. Por tanto, su diseño sísmico se basa en criterios mucho más estrictos que los que se aplican a las instalaciones no nucleares. [42] El Fukushima I accidentes nucleares y daños a otras instalaciones nucleares que siguieron al 2011 terremoto de Tohoku y el tsunami atención Sin embargo, han atraído a la preocupación existente sobre las normas de diseño sísmico nuclear japonesa y causó muchos otros gobiernos a reevaluar sus programas nucleares . También se han expresado dudas sobre la evaluación sísmica y el diseño de algunas otras plantas, incluida laCentral nuclear de Fessenheim en Francia.

Modos de falla

El modo de falla es la manera en que se observa una falla inducida por un terremoto. Generalmente, describe la forma en que ocurre la falla. Aunque es costoso y requiere mucho tiempo, aprender de cada falla real de un terremoto sigue siendo una receta de rutina para el avance en los métodos de diseño sísmico . A continuación, se presentan algunos modos típicos de fallas generadas por terremotos.

Daño típico a edificios de mampostería no reforzada en terremotos

La falta de refuerzo junto con un mortero deficiente y lazos inadecuados de techo a pared pueden resultar en daños sustanciales a un edificio de mampostería no reforzada . Las paredes severamente agrietadas o inclinadas son algunos de los daños más comunes por terremotos. También es peligroso el daño que puede ocurrir entre las paredes y los diafragmas del techo o del piso. La separación entre la estructura y las paredes puede poner en peligro el soporte vertical de los sistemas de techo y piso.

Colapso de piso suave debido a resistencia al corte inadecuada a nivel del suelo, terremoto de Loma Prieta

Efecto de historia suave . La ausencia de rigidez adecuada a nivel del suelo provocó daños en esta estructura. Un examen detenido de la imagen revela que el revestimiento de tablero en bruto, una vez cubierto por una chapa de ladrillo , se ha desmantelado por completo del montante. Solo la rigidez del piso superior combinada con el apoyo en los dos lados ocultos por muros continuos, no penetrados con puertas grandes como en los lados de la calle, está evitando el colapso total de la estructura.

Efectos de la licuefacción del suelo durante el terremoto de Niigata de 1964

Licuefacción del suelo . En los casos en que el suelo consiste en materiales depositados granulares sueltos con tendencia a desarrollar una presión de agua de poro hidrostática excesiva de magnitud suficiente y compacta, la licuefacción de esos depósitos saturados sueltos puede resultar en asentamientos no uniformese inclinación de las estructuras. Esto causó daños importantes a miles de edificios en Niigata, Japón, durante el terremoto de 1964 . [43]

Coche aplastado por deslizamiento de tierra , terremoto de Sichuan de 2008

Deslizamiento de rocas . Un deslizamiento de tierra es un fenómeno geológico que incluye una amplia gama de movimientos del suelo, incluidos los desprendimientos de rocas . Por lo general, la acción de la gravedad es la principal fuerza impulsora para que ocurra un deslizamiento de tierra, aunque en este caso hubo otro factor que afectó la estabilidad original de la pendiente : el deslizamiento de tierra requirió un disparador de terremoto antes de ser liberado.

Efectos de los golpes contra el edificio adyacente, Loma Prieta

Golpeando contra el edificio adyacente . Esta es una fotografía de la torre derrumbada de cinco pisos, el Seminario de San José, Los Altos, California, que resultó en una muerte. Durante el terremoto de Loma Prieta , la torre golpeó contra el edificio adyacente que vibraba de forma independiente detrás. La posibilidad de golpes depende de los desplazamientos laterales de ambos edificios, que deben estimarse y contabilizarse con precisión.

Efectos de las juntas completamente rotas del marco de hormigón, Northridge

En el terremoto de Northridge , el edificio de oficinas con estructura de concreto de Kaiser Permanente tenía las juntas completamente rotas, revelando un acero de confinamiento inadecuado , lo que resultó en el colapso del segundo piso. En la dirección transversal, los muros de corte de extremo compuesto, que consisten en dos wythes de ladrillo y una capa de hormigón proyectado que soporta la carga lateral, se despegaron debido a uniones pasantes inadecuadas y fallaron.

  • Sitio de construcción inadecuado en una colina .
  • Detalle deficiente del refuerzo (falta de confinamiento de hormigón en las columnas y en las juntas viga-columna, longitud de empalme inadecuada).
  • Piso suave sísmicamente débil en el primer piso.
  • Voladizos largos con carga muerta pesada .
cambiando de fundación, Whittier

Efecto de desprendimiento de cimientos de una estructura de edificio residencial relativamente rígida durante el terremoto de Whittier Narrows en 1987 . El terremoto de magnitud 5,9 golpeó el edificio de apartamentos Garvey West en Monterey Park, California y desplazó su superestructura unas 10 pulgadas hacia el este en sus cimientos.

Daños por terremoto en Pichilemu

Si una superestructura no está montada en un sistema de aislamiento de base , se debe evitar su desplazamiento al sótano.

El refuerzo de cizallamiento insuficiente permite que las varillas principales se pandeen , Northridge

La columna de hormigón armado estalló en el terremoto de Northridge debido a un modo de refuerzo de cortante insuficiente que permite que el refuerzo principal se pandee hacia afuera. La plataforma se desprendió de la bisagra y se cortó. Como resultado, la sección del paso subterráneo La Cienega-Venecia de la Autopista 10 colapsó.

Columnas de soporte y falla del piso superior, terremoto de Loma Prieta

Terremoto de Loma Prieta : vista lateral de la falla de las columnas de soporte de concreto reforzado que provocó el colapso del piso superior sobre el piso inferior del viaducto Cypress de dos niveles de la autopista interestatal 880, Oakland, CA.

Fallo del muro de contención por movimiento del suelo, Loma Prieta

Falla del muro de contención en el terremoto de Loma Prieta en el área de las montañas de Santa Cruz: grietas extensionales prominentes con tendencia al noroeste de hasta 12 cm (4,7 pulgadas) de ancho en el aliviadero de hormigón a la presa austriaca, el estribo norte .

Modo de dispersión lateral de falla a tierra, Loma Prieta

La sacudida del suelo desencadenó la licuefacción del suelo en una capa de arena subterránea , produciendo un movimiento lateral y vertical diferencial en un caparazón superpuesto de arena y limo no licuado . Este modo de falla del suelo , denominado propagación lateral , es una de las principales causas de los daños por terremotos relacionados con la licuefacción. [44]

Vigas y columnas de pilares agrietamiento diagonal, terremoto de Sichuan de 2008

Edificio severamente dañado del Banco de Desarrollo Agrícola de China después del terremoto de Sichuan de 2008 : la mayoría de las vigas y columnas del muelle están cortadas . Las grandes grietas diagonales en la mampostería y el enchapado se deben a cargas en el plano, mientras que el asentamiento abrupto del extremo derecho del edificio debe atribuirse a un vertedero que puede ser peligroso incluso sin terremoto. [45]

Tsunami golpea Ao Nang , [46]

Doble impacto de tsunami : presión hidráulica de las olas del mar e inundación . Así, el terremoto del Océano Índico del 26 de diciembre de 2004, con epicentro frente a la costa oeste de Sumatra , Indonesia, desencadenó una serie de devastadores tsunamis que mataron a más de 230.000 personas en once países al inundar las comunidades costeras circundantes con enormes olas de hasta 30 metros (100 pies) de altura. [47]

Construcción resistente a terremotos

La construcción de terremotos significa la implementación de un diseño sísmico para permitir que las estructuras de edificios y no edificios sobrevivan a la exposición anticipada al terremoto de acuerdo con las expectativas y de conformidad con los códigos de construcción aplicables .

Construcción del refuerzo en X de Pearl River Tower para resistir las fuerzas laterales de terremotos y vientos

El diseño y la construcción están íntimamente relacionados. Para lograr una buena mano de obra, el detalle de los miembros y sus conexiones debe ser lo más simple posible. Como cualquier construcción en general, la construcción sísmica es un proceso que consiste en la edificación, reacondicionamiento o montaje de infraestructura dados los materiales de construcción disponibles. [48]

La acción desestabilizadora de un terremoto sobre las construcciones puede ser directa (movimiento sísmico del suelo) o indirecta (deslizamientos de tierra inducidos por terremotos, licuefacción de suelos y olas de tsunami).

Una estructura puede tener todas las apariencias de estabilidad, pero ofrecer nada más que peligro cuando ocurre un terremoto. [49] El hecho crucial es que, para la seguridad, las técnicas de construcción resistentes a los terremotos son tan importantes como el control de calidad y el uso de materiales correctos. Contratista terremoto debe ser registrado en el estado / provincia / país de la ubicación del proyecto (dependiendo de las regulaciones locales), unido y asegurado [ cita requerida ] .

Para minimizar las posibles pérdidas , el proceso de construcción debe organizarse teniendo en cuenta que un terremoto puede ocurrir en cualquier momento antes del final de la construcción.

Cada proyecto de construcción requiere un equipo calificado de profesionales que comprendan las características básicas del desempeño sísmico de diferentes estructuras, así como la gestión de la construcción .

Estructuras de Adobe

Edificio de adobe parcialmente derrumbado en Westmorland, California

Alrededor del treinta por ciento de la población mundial vive o trabaja en construcciones hechas con tierra. [50] El tipo de adobe de adobe es uno de los materiales de construcción más antiguos y más utilizados. El uso de adobe es muy común en algunas de las regiones más propensas a peligros del mundo, tradicionalmente en América Latina, África, el subcontinente indio y otras partes de Asia, Oriente Medio y el sur de Europa.

Los edificios de adobe se consideran muy vulnerables ante fuertes terremotos. [51] Sin embargo, se encuentran disponibles múltiples formas de fortalecimiento sísmico de edificios de adobe nuevos y existentes. [52]

Los factores clave para el mejor desempeño sísmico de la construcción de adobe son:

  • Calidad de construcción.
  • Diseño compacto tipo caja.
  • Refuerzo sísmico. [53]

Estructuras de piedra caliza y arenisca

Edificio de la ciudad y el condado con base aislada, Salt Lake City , Utah

La piedra caliza es muy común en la arquitectura, especialmente en América del Norte y Europa. Muchos puntos de referencia en todo el mundo están hechos de piedra caliza. Muchas iglesias y castillos medievales en Europa están hechos de mampostería de piedra caliza y arenisca . Son materiales de larga duración, pero su peso bastante elevado no es beneficioso para un rendimiento sísmico adecuado.

La aplicación de tecnología moderna al reacondicionamiento sísmico puede mejorar la capacidad de supervivencia de las estructuras de mampostería no reforzada. A modo de ejemplo, de 1973 a 1989, el edificio de Salt Lake City y el condado en Utah fue renovado y reparado exhaustivamente con un énfasis en preservar la precisión histórica en la apariencia. Esto se hizo en conjunto con una mejora sísmica que colocó la estructura de arenisca débil sobre la base de aislamiento para protegerla mejor de los daños causados ​​por el terremoto.

Estructuras de marcos de madera

Casa de Anne Hvide , Dinamarca (1560)

El entramado de madera se remonta a miles de años atrás y se ha utilizado en muchas partes del mundo durante varios períodos, como el antiguo Japón, Europa y la Inglaterra medieval, en localidades donde la madera era abundante y la piedra de construcción y las habilidades para trabajarla no.

El uso de entramado de madera en edificios proporciona su entramado esquelético completo que ofrece algunos beneficios estructurales ya que el entramado de madera, si está diseñado adecuadamente, se presta a una mejor capacidad de supervivencia sísmica . [54]

Estructuras de marco de luz

Un marco de madera de dos pisos para una estructura de edificio residencial

Las estructuras de marco ligero generalmente obtienen resistencia sísmica de las paredes de corte de madera contrachapada rígida y los diafragmas de paneles estructurales de madera . [55] Las disposiciones especiales para sistemas de resistencia a cargas sísmicas para todas las estructuras de madera de ingeniería requieren la consideración de relaciones de diafragma, cizallas de diafragma horizontales y verticales y valores de conector / sujetador . Además, se requieren colectores o puntales de arrastre para distribuir el corte a lo largo de la longitud del diafragma.

Estructuras de mampostería reforzada

Muro de mampostería hueca reforzada

Un sistema de construcción donde el refuerzo de acero se incrusta en las juntas de mortero de mampostería o se coloca en agujeros y luego se llena con concreto o lechada se llama mampostería reforzada . [56]

El devastador terremoto de Long Beach en 1933 reveló que la construcción de mampostería debería mejorarse de inmediato. Luego, el Código del Estado de California hizo obligatoria la mampostería reforzada.

Existen diversas prácticas y técnicas para lograr una mampostería reforzada. El tipo más común es la mampostería de unidad hueca reforzada. La eficacia del refuerzo tanto vertical como horizontal depende en gran medida del tipo y la calidad de la mampostería, es decir, las unidades de mampostería y el mortero .

Para lograr un comportamiento dúctil de la mampostería, es necesario que la resistencia al corte del muro sea mayor que la resistencia a la flexión . [57]

Estructuras de hormigón armado

Destacó el puente peatonal de cinta sobre el río Rogue, Grants Pass, Oregón
Puente atirantado de hormigón pretensado sobre el río Yangtze

El hormigón armado es aquel en el que se han incorporado barras de refuerzo de acero ( barras de refuerzo ) o fibras para reforzar un material que de otro modo sería frágil . Puede usarse para producir vigas , columnas , pisos o puentes.

El hormigón pretensado es un tipo de hormigón armado que se utiliza para superar la debilidad natural del hormigón en tensión. Se puede aplicar a vigas , pisos o puentes con una luz mayor que la práctica con el hormigón armado ordinario. Los tendones de pretensado (generalmente de cables o varillas de acero de alta resistencia) se utilizan para proporcionar una carga de sujeción que produce una tensión de compresión que compensa la tensión de tracción que , de lo contrario, el miembro de compresión de hormigón experimentaría debido a una carga de flexión.

Para evitar un colapso catastrófico en respuesta a un movimiento de tierra (en aras de la seguridad de la vida), un marco de hormigón armado tradicional debe tener juntas dúctiles . Dependiendo de los métodos usados ​​y las fuerzas sísmicas impuestas, tales edificios pueden ser utilizables inmediatamente, requerir reparaciones extensas o pueden tener que ser demolidos.

Estructuras pretensadas

La estructura pretensado es aquella cuya integridad , estabilidad y seguridad generales dependen, principalmente, de un pretensado . Pretensado significa la creación intencional de tensiones permanentes en una estructura con el fin de mejorar su desempeño en diversas condiciones de servicio. [58]

Muro exterior precomprimido naturalmente del Coliseo , Roma

Existen los siguientes tipos básicos de pretensado:

  • Precompresión (mayoritariamente, con el propio peso de una estructura)
  • Pretensado con tendones incrustados de alta resistencia
  • Postensado con tendones adheridos o no adheridos de alta resistencia

Hoy en día, el concepto de estructura pretensada está ampliamente involucrado en el diseño de edificios , estructuras subterráneas, torres de televisión, centrales eléctricas, almacenamiento flotante e instalaciones en alta mar, vasijas de reactores nucleares y numerosos tipos de sistemas de puentes . [59]

Una idea beneficiosa del pretensado era, aparentemente, familiar para los arquitectos de la antigua Roma; mire, por ejemplo, la alta pared del ático del Coliseo que funciona como un dispositivo estabilizador para los pilares de la pared debajo.

Estructuras de acero

Sección colapsada del puente San Francisco-Oakland Bay en respuesta al terremoto de Loma Prieta

Las estructuras de acero se consideran en su mayoría resistentes a los terremotos, pero se han producido algunas fallas. Un gran número de edificios de estructura de acero soldado con resistencia a momentos , que parecían a prueba de terremotos, experimentaron sorprendentemente un comportamiento frágil y fueron dañados peligrosamente en el terremoto de Northridge de 1994 . [60] Después de eso, la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA, por sus siglas en inglés) inició el desarrollo de técnicas de reparación y nuevos enfoques de diseño para minimizar el daño a los edificios con marcos de momento de acero en futuros terremotos. [61]

Para el diseño sísmico de acero estructural basado en el enfoque de diseño de factor de carga y resistencia (LRFD), es muy importante evaluar la capacidad de una estructura para desarrollar y mantener su resistencia de carga en el rango inelástico . Una medida de esta capacidad es la ductilidad , que puede observarse en un material en sí , en un elemento estructural o en una estructura completa .

Como consecuencia de la experiencia del terremoto de Northridge , el Instituto Estadounidense de Construcción de Acero ha introducido AISC 358 "Conexiones precalificadas para marcos de momentos de acero especiales e intermedios". Las disposiciones de diseño sísmico de AISC requieren que todos los marcos de acero resistentes al momento empleen conexiones contenidas en AISC 358 o el uso de conexiones que hayan sido sometidas a pruebas cíclicas de precalificación. [62]

Predicción de pérdidas por terremotos

La estimación de pérdidas por terremotos generalmente se define como un índice de daños ( DR ), que es un índice entre el costo de reparación de los daños causados ​​por el terremoto y el valor total de un edificio. [63] La Pérdida Máxima Probable ( PML ) es un término común utilizado para la estimación de pérdidas por terremotos, pero carece de una definición precisa. En 1999, se elaboró ​​ASTM E2026 'Guía estándar para la estimación de la dañabilidad de edificios en terremotos' con el fin de estandarizar la nomenclatura para la estimación de pérdidas sísmicas, así como establecer pautas en cuanto al proceso de revisión y las calificaciones del revisor. [64]

Las estimaciones de pérdidas por terremotos también se conocen como evaluaciones de riesgo sísmico . El proceso de evaluación de riesgos generalmente implica determinar la probabilidad de varios movimientos del suelo junto con la vulnerabilidad o daño del edificio bajo esos movimientos del suelo. Los resultados se definen como un porcentaje del valor de reemplazo del edificio. [sesenta y cinco]

Ver también

  • Placa de anclaje
  • Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica
  • Estructuras resistentes a terremotos
  • Gestión de emergencias
  • Fachada
  • Ingeniería geotécnica
  • Instituto Internacional de Ingeniería Sísmica y Sismología
  • Lista de coeficientes internacionales de aceleración de terremotos
  • Centro Nacional de Investigación en Ingeniería Sísmica
  • Evaluación probabilística de riesgos
  • Escalas de intensidad sísmica
  • Escalas de magnitud sísmica
  • Respuesta sísmica del relleno sanitario
  • Modernización sísmica
  • Respuesta del sitio sísmico
  • Interacción de la estructura del suelo
  • Aceleración espectral

Referencias

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Enlaces externos

  • Ingeniería sísmica en Curlie
  • Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica
  • Consorcio de Universidades para la Investigación en Ingeniería Sísmica (CUREE)
  • NHERI: una infraestructura de investigación de ingeniería de peligros naturales
  • Terremotos e ingeniería sísmica en la Biblioteca del Congreso
  • Proyecto de investigación de riesgos de infraestructura en la Universidad de Columbia Británica, Vancouver, Canadá