comportamiento sismico en estructuras

JAIME SUAREZ DIAZ

erosion.com.co

Comportamiento sísmico de las estructuras

Visto por un ingeniero geotecnista

San francisco 1906

Históricamente las estructuras han fallado por efecto de las fuerzas sísmicas

Stanford University 1906

Kanto Japon 1923 (M7.9)

Fallas relacionadas con la licuefacción del suelo

Colapso del puente Nakazuno Niigata Japón 1948

Niigata 1964

Se repitieron fallas similares a las de 1948

Alaska 1964 La licuefacción puede activar deslizamientos

San Francisco 1989

Los movimientos del terreno y particularmente los movimientos horizontales son los que causan la mayor parte del daño en un sismo. .

Las ondas de corte (S) y las superficiales ( R y L ) causan el mayor daño a las estructuras debido a su alto potencial de generar aceleraciones horizontales. Las estructuras deben diseñarse para resistir la aceleración máxima horizontal (Cortante en la base de la estructura). Esta aceleración se expresa como un porcentaje de la aceleración de la gravedad (g).

Los mayores daños se producen cuando la aceleración horizontal es mayor de 0.3g

Ondas de cuerpo

Ondas superficiales

Los daños se producen de acuerdo a las características de las estructuras , del suelo de cimentación y de las ondas sísmicas

Ejemplo : Kobe (Sismo de campo cercano)

Los sismos no matan a las personas … Las estructuras sí………

El diseño estructural y la normatividad sísmica juegan un papel determinanre en los daños y fatalidades relacionadas con los los movimientos sísmicos.

“Los que matan son los diseños inadecuados”

Una estructura bién diseñada puede resistir un sismo de gran magnitud

Las grandes catástrofes sísmicas han ocurrido donde las construcciones no fueron construídas para resistir sismos.

Z Chile

Cuando no hay suficiente refuerzo al cortante se puede producir el colapso de la estructura

Ejemplo Haiti - 2010

Número de muertos Haití: Más de 200 000 Chile: Más de 795 Número de edificaciones destruidas Haití: 280 000 Chile: 500 000

Por qué si el número de edificaciones destruídas fue mayor en Chile, hubo mas muertos en Haití………

Después

Haití

Deformaciones laterales : Marina District, San Francisco (1989). deformation.

Construcciones en madera y en mampostería (sin refuerzo estructural)

Kobe, Japón (1995).

En las construcciones de madera los códigos exigen que la estructura esté anclada a la cimentación y que se coloquen travesaños diagonales para asumir las fuerzas horizontales

Los techos muy pesados facilitan el colapso Kobe

Nueva Zelandia

6 Oct 1997

9 Oct 1997

Los materiales tradicionales no-reforzados son muy vulnerables a la acción de las fuerzas sísmicas

Italia

En las construcciones de mampostería los códigos exigen columnetas en concretro armado y amarre estructural de toda la estructura.

FALLAS POR

FUERZAS DE

CORTANTE

Falta de rigidez y/o refuerzo o confinamiento estructural

Corte horizontal de estructuras

Despues

Kobe, Japon 1995

En las zonas de cambio de modulación estructural se concentran los esfuerzos de cortante Northridge, CA 1994.

Cambios de rigidez de la estructura (Incluyendo la mampostería)

Story collapse of an apartment building in Kobe, Japan, 1995. A veces el efecto es de una construcción vecina

Cuando los primeros pisos poseen muy poca rigidez estructural

La rigidez baja en los primeros pisos, utilizados como zonas comerciales, parqueaderos etc.

Zonas comerciales libres en los primeros pisos

Popayán

Falta de rigidez estructural en una determinada dirección .

Falta de rigidez en una dirección

Z Chile

urre Los edificios se diseñan

para una determinada frecuencia natural de vibración .

La resonancia ocurre cuando la estructura se bambolea en acorde con las oscilaciones de la onda sísmica.

Resonancia

Las ondas de alta frecuencia predominan cerca a la zona de ruptura mientras las de baja frecuencia predominan lejos de la fuente del sismo. Sin embargo los suelos del sitio modifican los contenidos frecuenciales.

Las réplicas también producen daños importantes Kobe -1995.

Observe la localización de las réplicas a lo largo de la falla (zona de ruptura)

Kobe (Ciudad muy cercana a la zona de ruptura)

Las estructuras de baja altura tienen períodos naturales de vibracións cortos (0.05-0.1 seg) mientras las estructuras altas períodos de vibración mas largos. (1-2 seg).

Resonancia Ciudad de Mexico -1985

La amplificación de ondas de frecuencia media (1-2 s) causaron daño especialmente a las estructuras de altura de 10 a 14 pisos.

Ciudad de Mexico -1985

La falta de confinamiento hace que la columna pueda panderase y colapsar. Ejemplo: Viaductos en el terremoto de San Bernardino 1971.

Falta de refuerzo de confinamiento

Falta de confinamiento del concreto

Hanshin Expressway Kobe Japan

Kobe - 1995

Falla tipo Jaula de pájaros

Popayán

Falta de refuerzo de confinamiento

Loma Prieta

La colocación de mas refuerzo de confinamiento evita que las columnas se rompan.

Mezcla de columnas cortas y columnas largas

Algunas estructuras antiguas han resistido sismos gracias a su modulación Simetria y rigidez.

Vulnerabilidad de una estructura a los movimientos sísmicos.

La vulnerabilidad de una estructura a los movimientos sísmicos depende de muchos factores

Hundimiento de las cimentaciones

Los suelos granulares sueltos se pueden densificar por acción de la vibración sísmica y las deformaciones inducen problemas en las estructuras

Z Estos movimientos puedes estar relacionados con

la licuación, con la pérdida de resistencia y/o con la densificación

Z Fallas por disminución de la capacidad de soporte

Desplazamientos horizontales por acción de la fuerza sísmica y la falta de empotramiento.

Falta de empotramiento de la cimentación

DESPLAZAMIENTO DE LA FALLA GEOLOGICA EN LA SUPERFICIE DEL TERRENO

Fallas por cortante vertical

Kobe, Japon 1995

Aplastamiento de las columnas

Comportamiento de los puentes

Falta de elementos que impidan el desplazamiento de los apoyos

Ancho inadecuado de la silla de apoyo

Falta de anclaje entre la viga y el apoyo.

Desplazamiento lateral de las pilas

Movimiento lateral de las vigas

Falla de los elementos de fijación de los apoyos

Urakawa-oki Japón 1982

Falla al cortante o confinamiento de las columnas

Falla al cortante

LOMA PRIETA, I 80

Proceso de la falla

Despues

Falta de confinamiento

Las fallas al cortante han generado cambios en los criterios de diseño

Falla por fuerzas verticales

KGO-TV News ABC-7

Loma Prieta, CA 1989

3/29/2012

Falla a compresión

Asentamientos

Falla de pilas de acero

Comportamiento de otras obras de ingeniería

Imperial Valley County, California. 1979

CANALES

FALLA DE MUROS DE CONTENCIÓN

Incendios por redes de gas rotas y corto-circuitos

Efectos secundarios

In many earthquakes most of the damage is the result of uncontrolled fires, such as during the Kobe 1995 event.

Ruptured gas and water lines are a deadly combination for uncontrolled fires following major earthquake events. Flexible joints in pipes can substantially reduce joint failure of water mains and gas lines.

Fire entirely destroyed many sections of San Francisco during the 1906 earthquake.

INCENDIOS

KGO-TV News ABC-7

Loma Prieta, CA 1989

Personas sin hogar.

Efecto secundario

Ejemplo Chile 2010

Edificio Emerald

Pisos : 19

Aptos : 231

Observación: Edificio alto y muy angosto

Observaciones: Falla de los Muros estructurales a nivel de la parte superior del sótano. (Modulación paralela para facilitar el parqueo)

Edificio Emerald

Detalle de la falla de la estructura de los muros en el sótano. . La deformación principal es en dirección de l eje menor de las pantallas . (Ver lo delgados que son los muros)

Edificio Emerald

Detalle de rotura de los muros en el sótano. Se observa rotura de los estribos. Observe el ancho de los muros para un edificio de 19 pisos en zona de amenaza sísmica alta. Observe el recubrimiento de concreto sobre los hierros.

Edificio Emerald

Se observa un gran desplazamiento en dirección del eje menor de los muros.

El edificio tiene su eje mayor en la dirección del movimiento principal

Edificio Emerald

Edificio Don Tristan

El suelo no se hundió. Los muros fallaron en el primer piso

Muros fallados

Este es el tipo principal de falla. Observe la modulación paralela de los muros

Defectos principales: 1. En la mayoría de los edificios fallados se habían acondicionado los muros en los primeros niveles para la adecuación de parqueaderos (11 de 24 edificios fallados)

Este defecto se llama: Primer piso blando

2. Los ganchos de confinamiento del concreto se colocaron a 90 grados abrazando el concreto sin confinarlo, en contra de las recomendaciones del ACI .

3. Los flejes no se rompieron. Simplemente se soltaron.

Peter Yanev: En la última década, una arquitectura más imaginativa

y la presión de reducir costos resultaron en nuevos edificios con menos y más delgados muros de corte”

aAAAA “En Concepción (…) el 20% de los edificios de 15 o más pisos

(quedaron) dañados y sin arreglo. La mayoría de los edificios que fallaron eran nuevos; varios estaban aún a la venta.

Ganchos a 90 grados contra ganchos a 135 grados

Norma a la cual se le permiten excepciones

Ingeniero Chileno afirma: Si un revisor se pone quisquilloso y encuentra defectos por aquí y por allá, no lo vuelven a contratar.

Falta supervisión en el armado de los ganchos

En la mayoría de edicios fallados los estribos estaban doblados a 90 grados. En Chile se paga el doblado por kilo de hierro.

René Lagos señala que las especificaciones de la norma son un problema para las constructoras, porque se traducen “en un trabajo más lento que atenta contra las liquidaciones de fin de mes de los enfierradores”.

Edificio Rio Alto

12 pisos

El diseño era como una caja con estructura en muros delgados

Se observa la rotura de los muros. Aparentemente fallaron a tensión los refuerzos……

Los análisis revelan fallas graves en el estudio y diseño

Donde está el hierro de refuerzo de los muros delgados ?

A 20 metros de distancia se observa un edificio que no falló. Los dos edificios fueron diseñados para espectros diferentes de acuerdo a norma chilena (Suelos tipo II y tipo III respectivamente.

Las cuantías de hierro muy por debajo de lo normal en Chile

Algunos constructores prefieren al ingeniero que diseñe con menos hierro

Los códigos y el análisis se manipulan para bajar las cuantías de refuerzo

Edificio O HIGGINS

Maqueta del edificio de 20 pisos en Concepción

La arquitectura también influyó en las fallas

Construcción del edificio

Construcción avanzada

Edificio antes del terrremoto

Antes del terremoto

Observe la volumetría en la parte alta del edificio

Falla en la parte superior del edificio

Vista de la falla

Será que en los cambio de rigidez se concentran los esfuerzos y fallan la estructura……

No se observan daños importantes en los primeros pisos

aAAAA Falla en el nivel de cambio de rigidez

Tipo de falla similar al del edificio O HIGGINS

Detalle de la diapositiva anterior

Las construcciones antiguas son muy diferentes en Chile que en Haití

Entrepisos principalmente de madera

Y la falla de Puentes

Falla al cortante en los apoyos de las placas o vigas

Fallas por esparcimiento lateral del suelo en las pilas

Antes del sismo

El puente viejo de Concepción

Después del sismo

Gran cantidad de esparcimientos laterales, y fallas de terraplenes

Si hay estructuras que se comportaron excelentemente son los muros en tierra reforzada

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