Arquitectura Sismo-resistente • • Tecnología Constructiva Avanzada
TECNOLOGÍA CONSTRUCTIVA AVANZADA ESTRUCTURA Y CONSTRUCCION SISMO-RESISTENTE
TECNOLOGÍA CONSTRUCTIVA AVANZADA
-CONCEPTOS ESTRUCTURALES -PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS -AISLADORES SISMICOS
profesor: Carlos Vicenco
ESTRUCTURA Y CONSTRUCCION SISMO-RESISTENTE
por Jorge del Corral García
00 ÍNDICE Causa de los sismos Las causas que originan los sismos son explicadas por diversas teorías donde la más confiable es la denominada teoría de las placas tectónicas. Según ésta la Tierra está cubierta por varias capas de placas duras denominadas litosfera apoyadas sobre una relativamente suave denominada astenosfera, donde el terremoto o sismo es causado por la abrupta liberación de la deformación acumulada en las placas durante un periodo de tiempo dado, debido a que las placas se mueven como cuerpos rígidos sobre una capa más suave. En los límites de las placas se encuentran: cordilleras donde nuevo material aflora, zonas orogénicas en el cual las placas penetran al interior y fallas; en estas dos últimas es donde con mayor frecuencia se originan los sismos. (Ambrose y Vergun, 2000; Bazán y Meli, 2001; Wakabayashi y Martinez, 1988). Los límites de las placas o bordes se clasifican según el tipo de desplazamiento relativo en:
Borde divergente; son cuando las placas se separan y corresponde a las dorsales o zonas de expansión que generalmente están en el fondo del oceano, donde se crea nuevo material cortical a lo largo de un rift o depresión central en el caso de las cordilleras centrooceánicas (véase Figura 1a).
Borde convergente, relacionado con placas que se encuentran, puede ser de dos tipos: a. De subducción cuando una placa oceánica está bajo otra placa, sea esta continental u oceánica, en las cuales se consume y destruye nuevamente el material de la corteza (véase Figura 1a). b. Las zonas de colisión frontal entre placas continentales cuando el desplazamiento relativo ha cesado producto de la colisión (véase Figura 1b). Borde transcurrente, corresponde a las fallas donde el desplazamiento relativo es lateral, paralelo al límite común entre placas adyacentes; en ellas no se crea ni se destruye material cortical (véase Figura 1c).
ESTRUCTURAS 1 SISMOS por Carlos Vicenco INDICE 1.
2.
3.
Nociones generales sobre sismología 1.1. Definición 1.2. Estructura interna del globo terrestre 1.3. Definicion de un sismo 1.4. Propagación de las ondas sísmicas 1.5. Medicion de la mecánica sísmica 1.6. Factor que modifica el efecto sísmico 1.7. Efectos de los sismos sobre las estructuras de los edificios Asismicidad 2.1. El péndulo simple invertido 2.2. El movimiento armonico simple 2.3. El amortiguamiento 2.4. Movimiento de la base de la varilla 2.5. Espectro de aceleraciones 2.6. Realidad estructural del péndulo invertido simple 2.7. Pendulo invertido de varias masas 2.8. Sistema de análisis antisísmicos 2.9. Espectro sísmico de la norma chilena 2.10. Esfuerzo de corte basal 2.11. Distribucion de las fuerzas en vertical 2.12. Distribucion en planta de las fuerzas en cada piso 2.13. Rigidez simetric y asimertica 2.14. Traslacion de un piso 2.15. Traslacion y rotación de un piso 2.16. Edificios sin diafragma rigido 2.17. Edificios compuestos de varios cuerpos o de planta irregular 2.18. Elementos que no forman parte inetgrante de la estructura del edificios y estructuras menores ligadas a ella 2.19. Reparaciones 2.20. Instrumento Edificios en altura 3.1. Tipos de estructura 3.1.1. Marcos rigidos 3.1.2. Muros arrisotramiento 3.2. Estructura esquelética 3.2.1. Marcos rigidos 3.2.2. Diafragma 3.2.3. Cargas verticales en marcos rigidos 3.2.4. Cargas horizontales en marcos rigidos 3.2.5. Efectos de la temperatura 3.2.6. Predimensionado de una Estructura Esqueletica 3.2.7. Ejemplo numérico de predimensionamiento 3.2.8. Consideraciones sobre Instalaciones 3.2.9. Cajas de ascensores, escalas y shafts 3.2.10. Tabiquerías 3.3. Estructura en cajón 3.3.1. Columnas y vigas 3.3.2. Muros 3.3.3. Diseño de una estructura en cajón 3.3.4. Consideraciones especiales 3.3.5. Estructuras con nucleo central
UNAB
Tecnología constructiva avanzada
Jorge del Corral
Resumen Conceptos
1) Sismología: Definición del sismo. Clasificación. Detección y medición de los sismos. Magnitud. Intensidad. Conceptos sobre Tectónica de Placas. Fallas geológicas. Descripción de un sismograma. Ondas Sísmicas. (Fig: 1-10) 2) Diseño Sismorresistente: Elementos y características que definen la estructura antisísmica de un edificio. Configuración del edificio. Escala. Simetría. Altura. Tamaño horizontal. Distribución y concentración de masas. Densidad de estructura en planta. Rigidez. Piso flexible. Esquinas. Resistencia Perimetral. Redundancia. Centro de Masas. Centro de Rigideces. Torsión. Oscilación. Ductilidad. Amortiguamiento. Sistemas resistentes.
01 PRINCIPIOS ESTRUCTURALES .Elementos y características que definen la estructura sismor-resistente de un edificio.
La estructura de un edificio ubicado en un área sísmica difiere solo que en su análisis considera la acción de las cargas que genera el sismo. Por ello es necesario erradicar el concepto erróneo que un edificio es sostenido por una estructura destinada a resistir las cargas gravitatorias a la que se le agrega otra destinada a resistir las cargas sísmicas. La estructura de un edificio, sometida a la acción de un sismo sufre deformaciones, se haya previsto la estructura para resistir un sismo o no. Los movimientos del terreno provocan arrastran al edificio, que se mueve como un péndulo invertido. Los movimientos del edificio son complejos, dependen del tamaño, las cargas o pesos en cada piso, características del terreno de fundación, geometría del edificio, materiales estructurales y no estructurales usados, etc. Por estos motivos el diseño de una estructura sismo resistente debe arrancar desde el instante en que nace el proyecto, acompañando la evolución del proyecto, integrarse en el edificio como los nervios y tendones de un organismo vivo. Desde una megaestructura hasta una vivienda social se cuenta con elementos estructurales, que necesarios para la estabilidad a cargas gravitatorias, pueden ser usados para asegurar la capacidad resistente a cargas sísmicas. Toda construcción tiene elementos verticales y horizontales, lineales o planos, que pueden ser integrados en la estructura y que serán capaces de absorber cargas sísmicas, y son: o
Estructura esquelética Marcos rigidos Diafragma Cargas verticales en marcos rigidos Cargas horizontales en marcos rigidos Efectos de la temperatura Consideraciones sobre Instalaciones Cajas de ascensores, escalas y shafts Tabiquerías
o
Estructura en cajón Columnas y vigas Muros Diseño de una estructura en cajón Consideraciones especiales Estructuras con nucleo central
01 PRINCIPIOS ESTRUCTURALES:
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2. Diseño sismo-resistente En el diseño de una estructura destinada a vivienda, edificio de departamentos, oficinas, hoteles, edificios públicos, etc. -
es importante que el arquitecto considere los factores que influyen en el comportamiento de la estructura cuando está solicitada por cargas sísmicas.
Los factores que determinan la respuesta de una estructura a un sismo, son, entre otros: configuración y modulación del edificio, masa, periódo fundamental de oscilación, ductilidad, rigidéz de los elementos sismo resistentes, El arquitecto, al iniciar un proyecto debe ser consciente que el producto final, el edificio, en caso de un terremoto debe tener un comportamiento que no sufra daños en casos de sismos de poca intensidad, y que no se produzcan daños graves en caso de sismos severos.
Por ello, una cualidad deseable en todo proyecto es tener una distribución uniforme de la masa del edificio, tanto en planta como en altura. Deben evitarse zonas de gran concentración de masas, como ocurre al ubicar grandes depósitos para reserva de agua en el último nivel; o variaciones bruscas de masa entre pisos contiguos, creadas al proyectar plantas que cubren en forma parcial el área delimitada por la planta del edificio.
A la uniformidad de la distribución de masas la debe acompañar una ubicación equilibrada de los elementos resistentes al sismo. Buscando que a lo largo de la altura del edificio, las rigideces acompañen la variación de las solicitaciones sísmicas.
El periódo fundamental de oscilación del edificio depende principalmente de la altura del mismo. Su valor es importante, por cuanto mas cercano esté al posible periódo dominante del sismo, existe el peligro de un incremento de las cargas sísmicas por resonacia. Se puede influir en cierta medida en el periódo modificando la rigidéz de
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DISEÑO SISMO-RESISTENTE los elementos resistentes al sismo, modificando el nivel de fundación, usando materiales con diferentes grados de ductilidad.
El amortiguamiento es la cualidad de las estructuras que las hace ineficientes para vibrar. El mayor o menor porcentaje de amortiguamiento en un edificio depende de las uniones o nudos, de los elementos estructurales y de los materiales usados en su construcción. Al proyectar la estructura se hacen hipótesis sobre su valor usando el estudio del funcionamiento de estructuras existentes. En general de adoptan valores entre el 2 % al 15 % del llamado amortiguamiento crítico, así este amortiguamiento es capaz de evitar la oscilación.
Los componentes estructurales de un edificio son: Vigas Columnas Tabiques antisísmicos ( Muros Sismo Resistentes ) Pórticos Arriostrados. Diafragma Arco
Los materiales estructurales usados son:
Hormigón Armado. Hormigón pretensado. Acero. Mampostería. Mampostería reforzada.
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La combinación de los elementos enumerados con el material estructural seleccionado, mas el tipo del terreno de fundación integran globalmente la estructura del edificio. Si bien el análisis se hace para el edificio en conjunto no debe descuidarse la verificación y construcción de cada componente estructural.
La resistencia y la rigidez son los dos aspectos más importantes del diseño sísmico. La resistencia es el parámetro de diseño donde se busca que las dimensiones de los elementos garanticen la integridad de la estructura sometida a todas las combinaciones de carga posibles y la rigidez relaciona la deformación de la estructura con las cargas aplicadas; este parámetro asegura que la estructura cumpla con las funciones impuestas.
Diseñar las uniones en los nudos y los detalles constructivos de un edificio antisísmico es tan importante como verificar el comportamiento dinámico de la estructura en su conjunto. Si la resistencia y ductilidad de las uniones no son adecuadas y los detalles no son los correctos, seguramente la estructura no funcionará ante un sismo como se proyectó.
Debemos conocer el comportamiento del material, definido por los límites de elasticidad(*), de fluencia(*) y de rotura(*). Saber si el material tiene comportamiento rígido o flexible bajo la acción de las fuerzas sísmicas, ya que bajo cargas estáticas los materiales tienen una respuesta diferente ante cargas dinámicas.
Otra característica relevante frente a cargas dinámicas es el comportamiento frágil o dúctil(*) del material. Se denominan frágiles a los materiales que no presenta deformaciones importantes antes de alcanzar la rotura.
La mayoría de los materiales presentan deformaciones plásticas(*) al ser sometidos a cargas elevadas, estas deformaciones se presentan más alla de la zona de comportamiento elástico del material. Su característica más destacada es que una vez alcanzada la fluencia no se recuperan las deformaciones sufridas. Esta particularidad se aprovecha para disipar la energía que el sismo trasmite a la estructura, por ello es muy importante ajustarse a las especificaciones de los códigos, ya que los coeficientes se han definido incluyendo el comportamiento elasto-plástico del material.
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(*)ELASTICIDAD: es la propiedad que todos los cuerpos poseen en mayor o menor grado, de recobrar su extensión y forma primitiva luego que cesa la fuerza exterior que los había deformado. El cociente entre la fuerza ejercida sobre un cuerpony el área sobre la que actúa se denomina esfuerzo.
(*)FLUENCIA Fenómeno en virtud del cual los materiales metálicos, sometidos a tensiones excesivas, sufren un alargamiento anormal, es decir, no proporcional a los esfuerzos aplicados. En el acero dulce se manifiesta con un alargamiento notable sin un incremento de la carga de tracción. Este concepto se extiende a materiales compuestos como el hormigón armado.
(*)PLASTICIDAD Propiedad que poseen algunos cuerpos sólidos que, sometidos a esfuerzos mecánicos elevados, experimentan deformaciones irreversibles, es decir, que persisten aun después de cesar los esfuerzos. La fase de plasticidad está precedida , hasta que la fuerza alcanza suficiente importancia ( cuyo valor es característico del material que constituye el cuerpo ), por la fase de elasticidad, es decir, aquella durante la cual las deformaciones experimentadas por el cuerpo desaparecen a cesar sus causas. El conocimiento del punto de paso de una fase a la otra es esencial para los problemas relativos al trabajo mecánico y a la construcción.
(*)ROTURA Separación de un cuerpo en dos o más partes, producidas al generarse en el mismo tensiones capaces de vencer las atracciones internas y la cohesión de la materia. La rotura de un cuerpo solicitado por cargas exteriores se inicia en la parte del mismo que presenta las condiciones más desfavorables. Es necesario conocer que magnitud mecánica ( solicitación, deformación o trabajo de deformación ) determina el peligro de rotura, y, como la teoría no puede responder a esta pregunta de modo inequívoco, se ha tratado, a través de numerosos ensayos con diversos materiales, de correlacionar los datos útiles para el diseño estructural.
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(*)DUCTILIDAD Propiedad de algunos materiales metálicos que, sometidos a un esfuerzo de tracción, se deforman permanentemente hasta reducirse a hilos muy delgados. La ductilidad está unida a la maleabilidad, por cuanto los metales dúctiles son maleables; en cambio es independiente de la plasticidad. En el diseño de estructuras resistentes al sismo, decimos que una estructura es dúctil cuando es capaz de soportar grandes deformaciones bajo carga prácticamente constante.
o 2.A Estructura esquelética -
Marco rigido:
Cuando los elementos de un marco lineal están sujetos rígidamente, es decir, cuando las juntas son capaces de transferir flexión entre los miembros, es sistema asume un carácter particular. Si todas las juntas son rígidas, es imposible cargar algunos de los miembros transversalmente sin provocar la flexión de los demás. -
Los diafragmas de las edificaciones deben ser rígidos en su plano para igualar las deformaciones de los elementos verticales y evitar concentraciones de esfuerzos indeseables en las zonas de unión.
Diafragma rigido:
Son los elementos horizontales que actúan distribuyendo las fuerzas laterales entre elementos resistentes verticales (tabiques resistentes al cortante o pórticos). En la práctica están formados por los entrepisos, de losas de hormigón armado, macizas o aligeradas. El diafragma debe tener la capacidad de trasmitir las fuerzas horizontales sin deformarse, en los análisis teóricos y numéricos de la Teoría de las Estructuras se adopta como hipótesis que es indeformable, obligando a todos los elementos verticales a tener el mismo desplazamiento en cada piso. En este caso, se supone que el diafragma es infinitamente rígido. La flexibilidad del diafragma, relativa a los tabiques resistentes al cortante cuyas fuerzas está transmitiendo, también tiene una influencia importante sobre la naturaleza y magnitudes de estas fuerzas. Las vigas de los pórticos y las que unen columnas y tabiques actúan como colectores que conducen las fuerzas horizontales del entrepiso a los
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marco rigido
diafragma rigido
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elementos verticales. Cuando el entrepiso se mueve, los elementos verticales se oponen absorbiendo así las cargas sísmicas.
El diafragma rígido es una lámina que no se deforma axialmente ni se flexiona ante cargas contenidas en su plano. Edificaciones con diafragma rígido y continuo, es decir, edificaciones en los que las losas de piso, el techo y la cimentación, actúen como elementos que integran a los muros portantes y compatibilicen sus desplazamientos laterales. Los techos metálicos o de madera no constituyen diafragmas rígidos y tampoco arriostran horizontalmente a los muros, en ellos es indispensable el empleo de vigas soleras que amarren a todos los muros, diseñadas para absorber las acciones sísmicas perpendiculares al plano de la albañilería. Los diafragmas deben tener una conexión firme y permanente con todos los muros para asegurar que cumplan con la función de distribuir las fuerzas laterales en proporción a la rigidez de los muros y servirles, además, como arriostres horizontales. Los diafragmas deben distribuir la carga de gravedad sobre todos los muros que componen a la edificación, con los objetivos principales de incrementarles su ductilidad y su resistencia al corte, en consecuencia, es recomendable el uso de losas macizas o aligeradas armadas en dos direcciones.
o 2.A Estructura en cajón: Es un tipo estructural realizado como una construcción monolítica de hormigón armado, en la que los tabiques, vigas, losas se ejecutan con vaciado in situ para obtener una estructura en la que todos los elementos están vinculados. Tienen buena resistencia a las cargas sísmicas, es muy buena solución para resistir fuerzas horizontales.Se las construye usando moldes deslizante metálicos y colado en el lugar. CELULA -
Vigas perimetrales Diafragma rifgido Muros arriostramiento Columna
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Muros:
Al diseñar y construir la vivienda, se deben colocar muros en las dos direcciones y perpendiculares entre si desde la cimentación, para que se comporten como riostras y resistan las fuerzas horizontales producidas por los sismos. Estos muros deberán ser confinados, es decir, contener vigas y columnas que los amarren, así garantizan la sismo resistencia. 1. Muros de carga: Cuando además de su propio peso, transmiten las cargas típicas que se dan en una vivienda como son: el peso de la losa de entrepiso, del techo o cubierta, de los otros muros. Cuando se trate de una vivienda de varios pisos, los muros de carga del segundo piso deben ser colineales con los del primer piso, es decir, coincidir verticalmente, de lo contrario la transmisión de cargas es peligrosa. 2. Muros divisorios o transversales: Son los que solo soportan su propio peso y sirven además para darle rigidez a los de carga. Para que no se volteen estos muros, deben estar adheridos a la estructura (losa, techo o muros cargueros),con mortero de pega en los bordes de contacto y deben tener un grueso mínimo de 10 cms.. Las longitudes totales de muros confinados deben ser aproximadamente iguales en las dos direcciones; estos muros se deben colocar preferiblemente en la periferia de la edificación para conformar el cajón. -
Diseño de una estructura en cajón: a) Disposicion de los muros en planta
Requerimiento de una rigidez simétrica (geométrica y analítica) con cierta tolerancia. b) Cantidad de ellos (en cada sentido) Longituda total de acuerdo al area en planta, calculo respecto al area c) Longitud y espesor de cada uno (en cada sentido) ¼ de la altura total del edificio ( hasta 3 pisos) 1/8 de la altura total del edificio (sobre 3 pisos) Espesor=20 cm.
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modelamiento de estructuras, dinámica estructural, sistemas de reducción de vibraciones, riesgo, cinemática y dinámica de mecanismos.
02 AISLADORES SISMICOS
El profesor Juan Carlos de la Llera es el autor del diseño del sistema de aislamiento sísmico del Nuevo Hospital Militar en La Reina, realizado entre los años 2001 y 2002, obra que ha estado a cargo de la Dirección de Arquitectura.
Hospital Militar de La Reina, Santiago
AISLADORES SISMICOS en el Hospital Militar
A grandes rasgos, la filosofía de la ingeniería sísmica trabaja con tres niveles: 1. los terremotos llamados “de servicio”, en que la estructura queda perfectamente operativa, sólo con pequeños daños superficiales, 2. los de “diseño”, cuando las estructuras pueden tener daños estructurales y no estructurales severos, aunque no presentar fallas importantes, y 3. los terremotos “máximos”, frente a los cuales se pretende que la estructura no colapse, con los consiguientes daños y pérdidas humanas y materiales.
¿Qué aplicaciones tendría en arquitectura pública, por ejemplo? Todas las que quieras. Para Elemental, los arquitectos de la Católica que ganaron un premio en la Bienal de Arquitectura por lo de Iquique www.bienaldearquitectura.cl, hicimos proyectos de vivienda localizados en Antofagasta, Copiapó, Valparaíso, Santiago, Concepción, Temuco, Valdivia. Si el costo de la unidad es del orden de 400 a 450 UF es posible incluir los aisladores símicos. Una vez que se masifica el uso del sistema, los costos se reducen notablemente. Ahora, como en muchas otras cosas, se requiere mucha voluntad para empezar. Se trata de una innovación muy importante en la vivienda social. Una buena ingeniería permitiría mejorar la estructura y por esa vía bajar los costos, planificar y hacer posible una experiencia masiva.
eL RESULTADO ES: • 8 a 10 veces menos
• 4 a 8 veces más seg
La vida útil de los elem
o antes si es necesario
constructiva relativame
diseño. Además se co cada aislador.
El sistema se ha proba
oeste de Estados Unid
Clínica San Carlos de A
en el Campus San Joa
construcción, y en el n
en la calle Vicuña Mac
Los aisladores instalad
altura, con una separa
un sismo de 40 cm. So
más grandes del mund
de esfuerzo sobre la estructura
guro
mentos está garantizada por 50 años, al cabo de los cuales,
o, pueden ser reemplazados mediante una operación
ente simple, la que está por supuesto considerada en el
ontempla protección especial contra el fuego, instalada en
ado exitosamente en violentos sismos reales en la costa
dos y en Japón. Se ha implementado en Chile también, en la
Apoquindo, en el edificio de San Agustín en el 2002, ubicado
aquín de la Universidad Católica, con cerca de 6.000 m 2 de
nuevo edificio de la Asociación Chilena de Seguridad ubicado
ckenna.
dos en el Hospital Militar tienen 90 cm. de diámetro y 30 de
ación (gap) de libre juego de movimiento del edificio ante
on los más grandes que se han usado en Chile y uno de los
do. Son completamente hechos y ensayados en el país.
ARQUITECTURA SISMO-RESISTENTE UNAB 2008