República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para La Educación Universitaria

I.U.P. “Santiago Mariño” – Extensión Porlamar

Prolongación de La Av. 4 de Mayo - Porlamar

Realizado Por:

Dervic Marcano, C.I:20.111.134

Julio Marte, C.I.: 20.113.000

Prof. Yulitza Mujica

Ing. Civil “A”

27 de Octubre de 2010

INTRODUCCION

Los sismos constituyen una de las catástrofes naturales más devastadoras y más aterradoras que existen. La Tierra, fuente y símbolo de lo constante, firme e imperecedero, es súbitamente sacudida y rota, atemorizando al hombre que encara el fenómeno con su condición de mortal y su impotencia ante las fuerzas enormes de la naturaleza.

En unos cuantos momentos, miles de personas pueden perder bienes, salud, seres queridos y, tal vez, la vida. Algunos terremotos han llegado a causar cientos de miles de muertes y graves daños en áreas de miles de kilómetros cuadrados, y se recuerdan como fechas dolorosas de la historia de la humanidad.

Desde tiempos históricos se guarda la memoria de un gran número de terremotos destructivos; sin embargo, la ciencia que se dedica al estudio sistemático de éstos es bastante reciente.

La ingeniería sismorresistente se desprende de la ingeniería civil, esta es la encargada de diseñar métodos de comprobación de la estabilidad de estructuras ante la presencia de sismos, esto es realizado con el fin de salvaguardar la integridad física de las personas que se encuentran dentro de la edificación cuando ocurre el sismo. En ningún caso de los criterios de construcción la edificación colapsara totalmente, haciendo posible el rescate del los ocupantes.

MOVIMIENTOS DE LOS CONTINENTES

La teoría del movimiento de los continentes, cuyas primeras ideas fueron esbozadas por el alemán Alfred Wegener en 1912, quien aseguraba que hace 200 millones de años los continentes estaban juntos, formando una gran masa o supercontinente llamado Pangea, fracturado y dispersado después por grandes movimientos horizontales.

Se analizaron mapas geológicos donde se demostraba la existencia de tipos de roca muy similares entre Norteamérica y Europa, y Suramérica y África. Datos aportados por paleontólogos y climatólogos contribuyeron a darle fuerza a su teoría; sin embargo, en ese entonces, nadie creyó en su propuesta sobre el movimiento de los continentes. Hacia 1960, nuevos datos permitieron reactivar las ideas de Wegener, donde se demostraba que los continentes sí se movían, pero como parte de un movimiento mayor, cuya clave estaba en las profundidades del mar.

La Tierra, hace 200 millones de años. La Tierra en la Actualidad

Estudios sobre el fondo del océano Atlántico arrojaron una serie de descubrimientos importantes: la existencia de cordilleras submarinas que pasan por todos los mares y cuya extensión acumulada es de unos 80.000 km, que en su parte central dichas cordilleras se dividen en dos mitades y en el centro hay muchos volcanes activos; así mismo, se descubrió que en todos los mares hay trincheras o fosas muy profundas, de 8.000 m o más, mientras que la profundidad promedio de los océanos es de unos 4.000 m y lo más impactante es que las rocas del fondo del mar no pasan de los 200 millones de años.

Para sorpresa de los investigadores también se constató que la capa de sedimentos era bastante delgada, de 500 a 1.000 m de espesor, a pesar de que por millones de años se ha sedimentado una cantidad inimaginable de toneladas de lodo y restos de seres vivos. La relación que existe entre el fondo del océano y el movimiento de los continentes es que la corteza marina es la sección del planeta

más cercana al manto, que es donde se desencadenan las fuerzas que dan origen al desplazamiento de los continentes y por ende a los terremotos.

Harry Hess y Robert Dietz, propusieron, en 1961, teorías similares que explicaban los datos obtenidos de los fondos marinos. Señalaban que en las hendiduras centrales de las cordilleras oceánicas se forma constantemente roca nueva, que sube fundida desde la astenósfera y que se enfría y acumula originando las estructuras montañosas; es decir, constantemente se está formando corteza oceánica.

Esta corteza formada en las cordilleras submarinas se mueve lateralmente de manera lenta por el fondo del mar y, eventualmente, choca con la corteza continental, formada por rocas que son más livianas que las que constituyen la corteza oceánica. Cuando las dos chocan, esta última se hunde originando las conocidas fosas y regresando de esta manera al manto.

Los continentes se localizan sobre las placas tectónicas y son arrastrados por el movimiento que generan las mismas.

TECTÓNICA DE PLACAS

Según esta teoría, la litosfera está seccionada en placas que se encuentran sobre el segundo nivel del manto o astenósfera, que es más plástico o pastoso. Dichas placas, separadas por cadenas montañosas o fosas, se mueven lentamente, chocando o rozándose unas con otras. Por el centro de estas cadenas montañosas,

sube constantemente material fundido del manto y por las fosas baja roca de la corteza oceánica hacia el manto.

Las placas se mueven relativamente entre ellas y en los bordes o zonas de interacción pueden producirse algunos de los siguientes fenómenos:

1) Formación de nueva corteza: El desplazamiento del magma, fundido y muy caliente, que escapa hacia el exterior provoca volcanes y terremotos de magnitud variable. Como ejemplo están los volcanes del centro del océano Atlántico.

2) Roce entre placas: Al pasar una al lado de la otra se crean esfuerzos, los cuales se liberan violentamente cuando las rocas llegan a su punto de fractura. Esta situación produce terremotos que pueden llegar a ser de naturaleza variable. Un caso como este es lo que ocurre mayormente al norte de Venezuela.

3) Choques entre placas: Aquí se pueden dar 3 situaciones:

Choque de dos placas continentales. Debido a su poca densidad ninguna se hunde, pero el choque hace que se arruguen formando una cadena montañosa, como la de los Himalayas y los Alpes, por ejemplo. Este tipo de choque también produce frecuentes terremotos

Choque entre una placa oceánica y una placa continental. Como la corteza oceánica es más densa, la placa subduce, regresa al manto y forma las grandes fosas que se han encontrado en los bordes de los océanos. Como consecuencia del choque se arruga la corteza y se forma una cadena montañosa. El choque de las dos placas y el descenso de la placa con corteza oceánica hacia las profundidades del planeta, también produce tensiones entre las rocas, que pueden llegar a

provocar terremotos. Uno de los mejores ejemplos es la cordillera andina, desde Colombia hasta Chile

Choque de dos placas oceánicas. Aquí se hunde la más delgada o más densa de las dos. También ocurren terremotos y volcanes y se pueden originar islas volcánicas, como ocurre en las Antillas.

Los investigadores tienen argumentos para justificar el movimiento de las placas tectónicas: que la salida del magma caliente empuja a las placas y las aleja unas de otras, que la subducción en las fosas oceánicas arrastra al resto de la placa y la hace moverse, que estas placas se mueven debido a que en el manto se forman corrientes de convección.

Esta última hipótesis es la más aceptada y significa que la roca del manto cercano al núcleo terrestre se calienta y, por lo tanto, se hace menos densa y sube. Al subir desplaza hacia abajo la roca más fría, que a su vez se calienta y sube. Se establece así un movimiento en circuito cerrado de la masa rocosa. Este movimiento empuja entonces a las placas de arriba produciendo su desplazamiento

Placas tectónicas

SISMO

Un sismo es un movimiento súbito e impredecible de una parte de la corteza terrestre, ocasionado por fuerzas que tienen su origen en el interior de la Tierra.

LOS SISMOS PUEDEN SER DE ORIGEN:

Tectónico, producidos por el desplazamiento de bloques de la litosfera. Volcánico, producido por la extrusión de magma hacia la superficie.

En ambos casos hay una liberación de energía acumulada que se transmite en forma de ondas elásticas, causando vibraciones y oscilaciones a su paso a través de las rocas sólidas del manto y la litosfera hasta “arribar” a la superficie terrestre.

Los terremotos pueden ser superficiales, intermedios o profundos, dependiendo de su localización. En relación a este punto hay diferentes criterios, sin embargo Bruce Bolt localiza los sismos superficiales en la franja que va desde 0-70 km, los intermedios entre 70-300 km, y los profundos entre 300-700 km.

En el caso de Venezuela, casi todos los sismos destructores han sido de origen superficial, ejemplos lo constituyen el de Cariaco (09 de Julio de 1997) y el de Caracas (29 de Julio de 1967).

Sismo Volcánico

Sismo Tectónico

ONDAS SÍSMICAS

Son oscilaciones que se propagan desde una fuente (foco o hipocentro) a través de un medio material elástico (sólido y líquido) transportando energía mecánica. Se clasifican en Corpóreas y Superficiales. Las Corpóreas viajan por el interior de la Tierra y se clasifican en Primarias (P) y Secundarias (S). Las Superficiales, como su nombre lo indica, se desplazan por la superficie del planeta y se dividen en Ondas Love (L), llamadas así en honor al investigador que las descubrió, y Ondas Rayleigh (R), por la misma circunstancia.

TIPOS DE ONDAS

Ondas Primarias (P):

Son las primeras en alcanzar la superficie terrestre. Viajan a través de rocas sólidas y materiales líquidos, siendo sus vibraciones longitudinales. Su efecto es similar a una estampida sónica que retumba y hace vibrar las ventanas.

Ondas Secundarias (S):

Viajan más lento que las ondas P, por lo que arriban con posterioridad a la superficie terrestre. Producen movimientos de las partículas sólidas en dirección perpendicular al sentido de propagación. No se propagan a través de las partes líquidas de la tierra. Su movimiento es de arriba abajo y de lado a lado, sacudiendo la superficie del suelo vertical y horizontalmente. Este es el movimiento responsable del daño a las estructuras.

Ondas Love (L)

Su movimiento es el mismo que el de las Ondas S, sólo que restringido a los intervalos de interacción entre las diferentes capas de la superficie terrestre. Viajan más rápido que las Ondas Rayleigh.

Ondas Rayleigh (R)

Tienen una trayectoria elíptica en el plano vertical orientado en la dirección en que viajan las ondas.

MAGNITUD DE LA ESCALA DE RICHTER

 El gran mérito del Dr. Charles F. Richter (del California Institute for Technology, 1935) consiste en asociar la magnitud del Terremoto con la "amplitud" de la onda sísmica, lo que redunda en propagación del movimiento en un área determinada. El análisis de esta onda (llamada "S") en un tiempo de 20 segundos en un registro sismográfico, sirvió como referencia de "calibración" de la escala. Teóricamente en esta escala pueden darse sismos de magnitud negativa, lo que corresponderá a leves movimientos de baja liberación de energía.

Esta escala representa la energía sísmica liberada en cada terremoto y se basa en el registro sismográfico. Es una escala que crece en forma potencial o semilogarítmica, de manera que cada punto de aumento puede  significar un aumento diez o más veces mayor de la magnitud de las ondas (vibración de la tierra), pero la energía liberada aumenta 32 veces. Una magnitud 4 no es el doble de 2, sino que 100 veces mayor, lo que aumenta 100 veces sería la amplitud de las ondas y no la energía. La energía aumentaría un factor 33 cada grado de magnitud, con lo cual sería 1000 veces cada dos unidades.

Magnitud en Escala Richter

Efectos del Terremoto

Menos de 3.5      Generalmente no se siente, pero es registrado

3.5 - 5.4      A menudo se siente, pero sólo causa daños menores

5.5 - 6.0      Ocasiona daños ligeros a edificios

6.1 - 6.9      Puede ocasionar daños severos en áreas muy pobladas. 

7.0 - 7.9      Terremoto mayor. Causa graves daños

8  o mayor      Gran terremoto. Destrucción total a comunidades  cercanas.

INTENSIDAD EN LA ESCALA DE MERCALLI

Creada en 1902 por el sismólogo italiano Giusseppe Mercalli (modificada en 1931 por Harry O. Wood y Frank Neuman), no se basa en los registros sismográficos sino en el efecto o daño producido en las estructuras y en la sensación percibida por la gente. Para establecer la Intensidad se recurre a la revisión de registros históricos, entrevistas a la gente, noticias de los diarios públicos y personales, etc. La Intensidad puede ser diferente en los diferentes sitios reportados para un mismo terremoto (la Magnitud Richter, en cambio, es una sola) y dependerá de:

a) La energía del terremoto.

b) La distancia de la falla donde se produjo el terremoto.

c) La forma como las ondas llegan al sitio en que se registra (oblícua, perpendicular, etc,).

d) Las características geológicas del material subyacente del sitio donde se registra la Intensidad y, lo más importante.

e) Cómo la población sintió o dejó registros del terremoto.

Los grados no son equivalentes con la escala de Richter. Se expresa en números romanos y es proporcional, de modo que una Intensidad IV es el doble de II, por ejemplo.

 Grado  ISacudida sentida por muy pocas personas en condiciones especialmente favorables. 

Grado II Sacudida sentida sólo por pocas personas en reposo, especialmente en los pisos altos de los edificios. Los objetos suspendidos pueden oscilar.

Grado III   Sacudida sentida claramente en los interiores, especialmente en los pisos altos de los edificios, muchas personas no lo asocian con un temblor. Los

vehículos de motor estacionados pueden moverse ligeramente. Vibración como la originada por el paso de un carro pesado. Duración estimable

Grado IV

 Sacudida sentida durante el día por muchas personas en los interiores, por pocas en el exterior. Por la noche algunas despiertan. Vibración de vajillas, vidrios de ventanas y puertas; los muros crujen. Sensación como de un carro pesado chocando contra un edificio, los vehículos de motor estacionados se balancean claramente. 

Grado V

Sacudida sentida casi por todo el mundo; muchos despiertan. Algunas piezas de vajilla, vidrios de ventanas, etcétera, se rompen; pocos casos de agrietamiento de aplanados; caen objetos inestables . Se observan perturbaciones en  los árboles, postes y otros objetos altos. Se detienen de relojes de péndulo.

Grado VI

Sacudida sentida por todo mundo; muchas personas atemorizadas huyen hacia afuera. Algunos muebles pesados cambian de sitio; pocos ejemplos de caída de aplanados o daño en chimeneas. Daños ligeros. 

Grado VII

Advertido por todos. La gente huye al exterior. Daños sin importancia en edificios de buen diseño y construcción. Daños ligeros en estructuras ordinarias bien construidas; daños considerables en las débiles o mal planeadas; rotura de algunas chimeneas. Estimado por las personas conduciendo vehículos en movimiento.

Grado VIII Daños ligeros en estructuras de diseño especialmente bueno; considerable en edificios ordinarios con derrumbe parcial; grande en estructuras débilmente construidas. Los muros salen de sus armaduras. Caída de chimeneas, pilas de productos en los almacenes de las fábricas, columnas, monumentos y muros. Los muebles pesados se vuelcan. Arena y lodo proyectados en pequeñas cantidades. Cambio en el nivel del agua

de los pozos. Pérdida de control en la personas que guían vehículos motorizados.

Grado IX

Daño considerable en las estructuras de diseño bueno; las armaduras de las estructuras bien planeadas se desploman; grandes daños en los edificios sólidos, con derrumbe parcial. Los edificios salen de sus cimientos. El terreno se agrieta notablemente. Las tuberías subterráneas se rompen.

Grado X

Destrucción de algunas estructuras de madera bien construidas; la mayor parte de las estructuras de mampostería y armaduras se destruyen con todo y cimientos; agrietamiento considerable del terreno. Las vías del ferrocarril se tuercen. Considerables deslizamientos en las márgenes de los ríos y pendientes fuertes. Invasión del agua de los ríos sobre sus márgenes.

Grado XI

Casi ninguna estructura de mampostería queda en pie. Puentes destruidos. Anchas grietas en el terreno. Las tuberías subterráneas quedan fuera de servicio. Hundimientos y derrumbes en terreno suave. Gran torsión de vías férreas. 

Grado XIIDestrucción total. Ondas visibles sobre el terreno. Perturbaciones de las cotas de nivel (ríos, lagos y mares). Objetos lanzados en el aire hacia arriba.

SISMOLOGÍA

El término sismología proviene de dos palabras griegas seismos, agitación o movimiento rápido, y logos, ciencia o tratado. El fenómeno de los terremotos se designaba en griego por o seismos tes ges, que se tradujo al latín por terrae motus, de donde se deriva la palabra española. Sismología significa, por lo tanto, la ciencia de la agitación, sobrentendiéndose de la tierra o ciencia de los terremotos.

El término mismo de sismología se empezó a utilizar hacia mediados del siglo XIX y ha pasado a todas las lenguas. Anteriormente, se usaban otras expresiones tales como tratado o estudios de los terremotos.

El gran terremoto de Lisboa del 1 de noviembre de 1755 que causó la destrucción de esta ciudad, produjo un gran maremoto o tsunami y fue sentido a grandes distancias, constituye el punto de partida de la sismología moderna. J. Michell, en 1760, es el primero en asociar la agitación de los terremotos con la propagación de ondas elásticas en la tierra. Esta idea fue desarrollada por T. Young en 1807 y J. Milne en 1841. Las descripciones de los daños causados por grandes terremotos y la recopilación de catálogos de terremotos se remontan a la antigüedad. Entre los primeros catálogos de terremotos de todo el mundo están los compuestos por J. Zahn en 1696 y J.J. Moreira de Mendonça en 1758. Los catálogos modernos se inician hacia 1850 con los trabajos de R. Mallet y A. Perrey. R. Mallet con su estudio del terremoto de Nápoles de 1857 puso las bases de la sismología moderna. Desarrolló la teoría del foco sísmico a partir del cual se propagan las ondas en todas las direcciones y relacionó la ocurrencia de los terremotos con la ruptura del material de la corteza terrestre. Geólogos como C. Lyell y E. Suess relacionaron los terremotos con las fallas y, a principios de este siglo, F. Montessus de Ballore y A. Siebeerg asignaron la causa de los terremotos a los procesos tectónicos y contribuyeron a muchos aspectos de la sismología. A partir de esta época comienzan los primeros estudios de la propagación de ondas símicas en el interior de la tierra, debidos a R. D. Oldham, K. Zöppritz y E. Wiechert y los primeros modelos de su interior, basado en datos sísmicos propuestos por B. Gutenberg, en 1914, H. Jeffreys y K. Bullen, en 1930, y J. Macelwane, en 1939. Los primeros instrumentos de observación de las ondas sísmicas, basados en la oscilación de un péndulo se empiezan a utilizar hacia mediados del siglo XIX y, a finales, los primeros sismógrafos con registro continuo. Entre los primeros nombres asociados al desarrollo de la instrumentación sísmica están J. Milne y F. Omori con el péndulo inclinado, E. Wiechert con el péndulo invertido, B.B. Galitzin con el sismógrafo electromagnético y H. Benioff con el de reluctancia variable.

SISMICIDAD HISTÓRICA

La sismicidad histórica es una rama de la Sismología cuyos inicios en Venezuela se remontan al año de 1940, cuando Melchor Centeno Graü, arquitecto, ingeniero y doctor en ciencias Físicas y Matemáticas, egresado de la UCV, hizo uno de los primeros catálogos sobre los sismos que habían asolado al país hasta ese momento. En el trabajo “Estudios Sismológicos”, Centeno Graü publica un “catálogo general de sismos débiles, fuertes, ruinosos y desastrosos habidos en Venezuela en 409 años desde 1530 hasta 1939”, producto de un largo y arduo trabajo tras la búsqueda de datos en libros, folletos, periódicos, en relaciones escritas halladas en los archivos de particulares y el testimonio oral, transmitido de

generación en generación, lo que permitió caracterizar lo que había sido la sismicidad en Venezuela y asentar las bases de lo que sería su proyección futura.

SISMORRESISTENCIA

Es una propiedad o atributo del que se dota a una edificación, mediante la aplicación de técnicas de diseño acordes con su configuración geométrica, y la incorporación en su constitución física de componentes estructurales que la capacitan para resistir las fuerzas que se presentan durante un movimiento sísmico, lo que se traduce en protección de la vida de los ocupantes y de la integridad del edificio mismo.

La sismorresistencia de una edificación dependerá, en gran medida, tanto del tipo de materiales y componentes que la constituyan, como de la correcta relación entre ellos, es decir, no basta con dotar a la edificación de unos componentes resistentes, es necesario relacionarlos correctamente entre si para que toda la edificación se comporte de manera homogénea ante la presencia de fuerzas provenientes del sismo.

Aspectos fundamentales para garantizar la sismorresistencia, a partir de las condiciones de relación entre los componentes de la edificación.

La uniformidad: Debe ser una característica de una edificación sismorresistente y se logra cuidando que no se presente diversidad en los materiales que constituyen los componentes que desempeñan trabajos similares.

Por ejemplo, si los muros de carga son de ladrillo, no deben combinarse con otros vaciados en concreto o de otro material; si la estructura de soporte es en concreto reforzado, no deben aparecer algunos elementos de soporte en madera, metal o ladrillo; si la cubierta está constituida principalmente en madera se debe evitar combinarla con elementos metálicos para realizar el papel de vigas.

La continuidad de la construcción sismorresistente se da en dos sentidos:

a. Todos los ejes de los muros o pórticos que conforman los diferentes espacios deben estar, hasta donde sea posible, alineados.

b. Debe conservarse la continuidad entre juntas y la unión horizontal de los elementos de mampostería a las vigas, así como la verticalidad de los muros y/o pórticos.

INGENIERIA SISMORESISTENTE

La ingeniería sismorresistente floreció en Venezuela después del terremoto de Caracas en 1967, donde, por fallas estructurales, edificios de reciente construcción para la época se derrumbaron. Hoy se puede hablar de un desarrollo sostenido de la actividad, siendo cada día más importante el aporte que recibe el sector de la construcción de esta disciplina, sobre la cual descansa la responsabilidad de establecer los parámetros que se deben seguir para el levantamiento de una construcción, sea cuál sea la naturaleza y uso de la misma, así como la proporción correcta de los materiales a utilizar.

El avance tecnológico también se ha hecho presente en el terreno de la ingeniería sismorresistente, la cual desechó el Coeficiente de Mayoración de Cargas como el único elemento a considerar a la hora de diseñar una estructura por otro concepto donde, además de estar presente este Coeficiente, se toma en cuenta la forma de la estructura con sus diferentes líneas de resistencia y otros elementos que la ayudan a que se comporte mejor.

NORMA SISMORRESISTENTE DE VENEZUELA

En la Norma Provisional de 1967 se incorporó como novedad el mapa de zonificación sísmica elaborado por Fiedler en 1959, a partir de la interpretación de los registros provenientes del Observatorio Cagigal. “Tal zonificación contrastaba con las Normas MOP de 1947 y 1955, pues incorporaba aspectos sismotectónicos de nuestro territorio mal conocidos y hasta ignorados por los ingenieros hasta ese momento”. Dicha norma se ha ido enriqueciendo en la medida en que han sucedido otros eventos, a instancia de las autoridades con dominio sobre la materia o porque se ha avanzado en el conocimiento del tema. “Lo que se ha ido aprendiendo sobre sismos venezolanos, se ha sintetizado en mapas de zonificación sísmica con arreglo a tres metodologías y objetivos diferentes: delimitaciones de zonas sísmicas basadas en los efectos conocidos de sismos pasados; mapas en los cuales, además de los efectos de sismos pasados, se incorpora información tectónica y de registros sismográficos; y zonificaciones fundamentadas en modelos sismotectónicos evaluados en términos probabilísticos. Además de incorporar nuevos aspectos, técnicos y constructivos que se han ido conociendo sobre el comportamiento de las estructuras ante los sismos y que mejoran su desempeño, con la finalidad de disminuir daños en las edificaciones”.

Los estudios de amenaza sísmica han contribuido en gran manera para su aplicación directa en el diseño ingenieril de infraestructuras con cualidades sismorresistentes. El producto más reciente de tales estudios es la publicación de la nueva norma Covenin (1756-98), con carácter de aplicación obligatoria, Edificaciones sismorresistentes, cuya vigencia es de enero de 1999 y la cual revisa y actualiza la norma anterior Covenin 1756-82, al incorporar todos los resultados de estudios generados desde inicios de la década de los 80. Dicha norma que ha dado lugar al mapa de zonificación sísmica, volvió a ser revisada a principios del año 2001, a los fines de incorporar todas las observaciones realizadas en el proceso establecido para tal fin.

Mapa de zonificación sísmica Norma Covenin 1756-98

FALLAS EN VENEZUELA

Falla de Boconó, a la altura de Mucubají, Edo. Mérida.

Afloramiento en el Flanco Surandino, Puente Páez. Edo. Portuguesa

Falla de El Pilar, Edo. Sucre.

Mapa de Fallas Activas de la Zona Nor-central de Venezuela.

Mapa de Fallas Activas del Nor-oriente de Venezuela.

Mapa de Movimiento de Placas en Venezuela.

ESPECTRO DE RESPUESTA

El daño estructural sufrido por un edificio durante un sismo se deriva de la respuesta de la estructura al movimiento telúrico impuesto en la base. Las fuerzas dinámicas producidas, se deben a la inercia de los diferentes elementos componentes de la estructura, que vibran durante un sismo.

Las características de un sismo quedan perfectamente definidas cuando se conocen en todos los puntos, las componentes dadas por los acelerogramas con el registro de las variaciones de las aceleraciones con respecto al tiempo.

La magnitud de las máximas aceleraciones debidas a la vibración del suelo, afectan directamente el valor de las fuerzas dinámicas producidas en una estructura. Los acelerogramas del sismo de loma prieta (California), registrados a distancias variables entre 5 y 20 km del foco.

La respuesta de la estructura excede a la excitación producida por el suelo, y esta magnificación dinámica depende de la duración y frecuencia de la vibración, de las características del suelo, de la distancia al epicentro y de las propiedades dinámicas de la estructura.

Acelerogramas del Sismo de Loma Prieta, California.

En general en el diseño de estructuras se emplea el espectro de aceleración por ser el más exacto, ya que los demás se obtienen por derivación.

La respuesta espectral promedio en 4 tipos diferentes de suelos, para los sistemas de un grado de libertad y amortiguamiento.

Es interesante comparar la densidad espectral de aceleración correspondiente a sismos, con la correspondiente a las turbulencias del viento según el siguiente gráfico las frecuencias relativas al viento son menores que las vibraciones sísmicas.

Densidades Espectrales Para la Velocidad del Viento y la Aceleración y la Aceleración de Sismos

Si bien tanto las cargas de viento y de sismo tienen carácter especialmente dinámico, existen diferencia básicas entre ellas.

Las cargas del viento son exteriores al sistema y resultan proporcionales al área expuesta del edificio mientras que las cargas de sismos resultan proporcionales al área expuesta del edificio, mientras que las cargas de sismo resultan esencialmente cargas inerciales y dependen tanto de la distorsión del suelo producida por el movimiento telúrico, como de la resistencia inercial de la estructura, y su capacidad de disipar energía.

La magnitud de las cargas debidas al sismo resulta siempre función de la masa de la estructura y no de la superficie expuesta. Además estas fuerzas se transmiten al edificio a través de las fundaciones.

El comportamiento de los sistemas estructurales solicitados por cargas sísmicas y no de la superficie expuesta. La respuesta de un edificio a una determinada excitación resulta siempre un problema dinámico, es posible analizar los sistemas estructurales solicitados, mediante criterios de cargas estáticas equivalentes, tomando en consideración el modo fundamental de vibración.

Efecto de las ondas sísmicas sobre la base de un edificio.

VIBRACIONES LIBRES NO AMORTIGUADAS EN SISTEMAS DE UN GRADO DE LIBERTAD

Un pórtico simple de un solo nivel, puede analizarse con la masa concentrada en el tope infinitamente rígido. Si desprecia la deformación axial de las columnas, el sistema resulta de un grado de libertad.

El modelo dinámico de la estructura consiste en una columna de rigidez flexional K que soporta una masa M, comportándose como un péndulo invertido. Si la masa de este oscilador simple se somete a un desplazamiento inicial y luego se suelta, sin fuerzas exteriores actuantes, se producen vibraciones libres alrededor de su posición estática inicial.

SISTEMAS CON MÚLTIPLES GRADOS DE LIBERTAD

El pórtico múltiple se puede idealizarse como formado por una única columna con las masas concentradas en los diagramas de los diferentes niveles. Para ello se debe aceptar la hipótesis de que los entrepisos son infinitamente rígidos en su plano y que las columnas del pórtico no sufren deformaciones axiales pero son lateralmente flexibles.

La respuesta dinámica del sistema se representa por el desplazamiento lateral de las masas concentradas, de acuerdo con el número de grados de libertad dinámica. La vibración resultante del sistema se obtiene por la superposición de las vibraciones de cada una de las masas.

Cada modo individual de vibración tiene su propio periodo y puede ser representado por un sistema de un grado de libertad que tenga igual periodo. Además, en cada modo se mantiene con deformaciones relativas invariables para cualquier amplitud del desplazamiento.

Un edificio de N pisos tendrá en consecuencia N modos diferentes de vibración y a cada uno de ellos le corresponde un periodo T diferente. EL Pórtico

mostrado en la figura anterior tiene 10 modos diferentes de vibración, y el de mayor periodo (o de menor frecuencia) se denomina modo fundamental. Los restantes modos, con periodos más cortos (o frecuencias superiores) se conocen por modos superiores de vibración, o armónicos.

Se puede utilizar el método del análisis modal para definir la respuesta dinámica de la estructura con múltiples grados de libertad. La respuesta máxima de los distintos modos independientes se logra considerando cada uno como un oscilador de un grado de libertad. Como los máximos valores no se pueden obtener todos simultáneamente, estos valores se combinan estadísticamente de manera de obtener la respuesta total. En general, la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados se acepta como respuesta suficientemente aproximada para los sistemas bidimensionales cuando la relación entre cualquier modo superior e inferior es menor a 0,75 y él factor de amortiguamiento no excede el 5%.

El análisis modal puede plantearse según:

Métodos Matriciales Métodos Numéricos Métodos Iterativos

CRITERIOS DE DISEÑO SISMORESISTENTE

Las fuerzas de sismo que actúan sobre una estructura consisten en fuerzas inerciales de masa que se originan por la excitación de sus fundaciones durante un movimiento telúrico.

El diseño sismorresistente de edificios se basa principalmente en el análisis de las fuerzas de inercia trasnacionales, cuyo efecto sobre una estructura es en general más notable que las componentes verticales o rotacionales.

Un sismo puede producir además otros efectos, como por ejemplo deslizamiento de taludes, activación de fallas existentes, ubicadas debajo de las construcciones, o licuefacción de suelos, como consecuencia de las vibraciones.

En zonas sísmicas, la intensidad de los temblores es generalmente inversamente proporcional a la frecuencia de ocurrencia de los mismos. Por ello, los terremotos fuertes son poco frecuentes, los moderados son más comunes, y los leves, relativamente frecuentes.

Si bien es posible diseñar estructuras que no sufran daño alguno aún durante los terremotos más severos, no es usual este tipo de diseño, pues no es justificable el exagerado costo que ello representa.

Por ellos, las estructuras se diseñan para que no sufran daños en sismos leves, pocos daños reparables en sismos de mediana magnitud, y si bien es posible que se deterioren durante un fuerte terremoto, deben permanecer de pie salvaguardando la vida de los ocupantes del edificio. El colapso terminal del mismo debe ser drásticamente evitado en todos los casos.

Para ellos se exige que toda la estructura posea la suficiente reserva de energía potencial para incursionar en rango inelástico. Sin embargo aún en situaciones extremas de inusuales solicitaciones sísmicas, debe mantenerse estable, con adecuada capacidad de metástasis.

Otro parámetro de importancia en el comportamiento dinámico de una estructura es el tipo de suelo en que apoya. Entre las características geosísmicas de mayor interés está el periodo dominante del suelo, el cual en general es complejo de determinar por la heterogeneidad propia de los diferentes estratos del subsuelo.

Cuando el periodo de vibración propio del terreno se aproxima al del edificio o coincide con él, se produce el fenómeno de resonancia o sincronización de los impulsos, que magnifica los efectos destructivos de un sismo y puede producir el colapso de un estructura , en especial cuando el amortiguamiento es limitado.

En general, sin embargo existen atenuantes naturales de la resonancia, que amortiguan las vibraciones evitando que se incrementen. Son los llamados factores de amortiguamiento que neutralizan en parte la amplificación de las oscilaciones debida a la resonancia.

En otros casos, se debe dotar a la estructura de amortiguamiento mecánico adicional, del tipo viscoso o de fricción.

La magnitud de las fuerzas de sismo son el resultado de la respuesta dinámica de la estructura a la excitación del suelo. Para poder estimar las cargas de sismo en una estructura se usan dos criterios admitidos en la mayoría de las normas antisísmicas.

Aproximación estática Análisis dinámico

El análisis estático es el más comúnmente usado y permite analizar los edificios regulares hasta 20 pisos o 60 m de altura, con suficiente aproximación cuando el modo fundamental de vibración es el primero. En este caso, la distribución de las fuerzas de sismo tiene una configuración con una fuerza de tope F´t adicional, que representa los modos superiores de vibración.

Sin embargo, cuando los elementos resistentes a las cargas laterales de sismos son muy irregulares, o la distribución de las masas es aleatoria en la altura del edificio como en construcciones con distribuciones internas variables entre los pisos o diseños arquitectónicos con huecos o entrantes asimétricos, se debe analizar la estructura con los criterios dinámicos.

Usualmente en estos casos, es apropiado realizar el análisis modal, el cual se basa en la superposición modal donde las acciones sísmicas se relacionan a un espectro de diseño.

El valor de Ao proporcionado por el mapa de zonificación sísmica Norma Covenin 1756-98, se refiere al coeficiente de aceleración horizontal durante sismos con respecto a la aceleración de gravedad. Este dato es utilizado conjuntamente con el tipo de perfil del suelo, para determinar el valor del coeficiente sísmico C a usar en el diseño de los edificios. Los valores de Ao permiten así mismo hallar la forma espectral tipificada para cada perfil geotécnico. El coeficiente de aceleración vertical se adopta 0,7 Ao.

FORMAS ESPECTRALES TIPIFICADAS DE LOS TERRENOS DE FUNDACIÓN

Las ondas de vibración producidas por un movimiento sísmico, se propagan por el suelo donde apoyan los edificios en forma diferente, según el tipo de terreno de fundación. En efecto, las vibraciones suelen ser mas notables en suelos blandos que en aquellos duros o rocosos, debido a que la vibración se amplifica o atenúa en función del período fundamental del material que forma el suelo.

Para tomar en cuenta esta potencial amplificación. La norma toma en consideración diferentes tipos de suelos identificados de S1 a S4, y la velocidad promedio de las ondas de corte Vsp en m/seg en el perfil geotécnico en estudio.

A cada forma espectral tipificada (S1 a S4), de acuerdo con el valor de Vsp y la profundidad H, se asigna un factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal Ao. H es la profundidad a la cual se consigue material cuya velocidad de las ondas de corte Vs es mayor a 500 m/seg. Estos valores son mostrados a continuación.

En las normas de diseño sísmico, se tipifican los espectros de respuesta como formas espectrales normalizadas, de acuerdo a las condiciones del suelo de fundación. Basándose en la respuesta espectral promedio para los cuatro tipos diferentes de terrenos de fundación, se pueden obtener las formas espectrales tipificadas elásticas. Para ello se usaron, además de espectros reales, otros obtenidos de modelos empíricos o también a partir de modelos semiempiricos de respuestas dinámicas. Por ejemplo: En rocas duras compactas o fracturadas, se extrapolaron los resultados correspondientes a mediciones en rocas de composición similar. En las formas espectrales tipificadas, se deben tomar en cuenta ciertos parámetros tales como la distancia epicentral de las ondas sísmicas, las irregularidades estratográficas.

También se incluyen los valores del factor de corrección, para ajustar los valores del coeficiente de aceleración horizontal Ao, en aquellos suelos poco propensos a amplificar la aceleración máxima en la superficie del terreno, por ejemplo la presencia de estratos blandos en los suelos beneficia esta amplificación.

Formas espectrales tipificadas S1 a S4

Se ha comprobado así mismo que la presencia de estratos blandos intercalados con suelos más rígidos limita parcialmente la propagación de las ondas sísmicas que se desplazan por la corteza terrestre hasta la superficie del terreno.

En suelos no rocosos, las mediciones realizadas para obtener la magnitud de las velocidades promedio de ondas de corte correspondientes, deben completarse con perforaciones geotécnicas, determinando la resistencia a penetración standard y la resistencia a corte del material no drenado.

En aquellos casos en que la selección de la forma espectral según la tabla resulte ambigua, se usarán los valores que den por resultado la acción sísmica más refavorable. También se deben tomar en cuenta aquellos casos donde la acción sísmica puede degradar la resistencia del suelo.

METODO ESTATICO EQUIVALENTE

FUERZA CORTANTE BASAL:

La fuerza cortante basal Vo en cada dirección de análisis, se determina de acuerdo con la expresión:

Donde:

Ad = ordenada del espectro de diseño para el periodo T.W = Peso sismico total del edificio por encima del nivel de base. = El mayor de los valores de ecs.

Siendo:

N = el número de pisosT = El periodo fundamental

T* = El periodo del suelo, en seg.

PERIODO FUNDAMENTAL DE LA ESTRUCTURA.

En cada dirección de análisis el periodo fundamental del edificio puede calcularse con la conocida ecuación de Rayleingh:

Donde:

Wi es el peso sísmico del nivel iei, en son los desplazamientos laterales en los niveles i y n, en rango

elástico.Fi, Fn son las fuerzas sísmicas equivalentes, en los niveles i y nFt es la fuerza de tope adicional, en el último nivelG = 9.81 m/seg2 es la aceleración de gravedad.N es el número de pisos.

Sin embargo, los desplazamientos laterales de la estructura no se conocen hasta que esta ha sido analizada, por lo cual la ecuación de Rayleigh no puede ser usada inicialmente. Por ello, para comenzar el análisis se permite aplicar, como alternativa, las siguientes expresiones para el cálculo de Ta. El periodo fundamental T podrá tomarse igual a Ta en una primera etapa.

Para edificaciones Tipo I:

Donde:

Ct = 0.07 para edificios de concreto armado o mixtos de acero-concreto.Ct = 0.08 para edificios de aceroHn es la altura de la edificación medida desde el último nivel hasta el

primer nivel donde los desplazamientos estén restringidos total o parcialmente.

Para edificaciones tipo II, III y IV:

Con los valores de Ta se puede llevar a cabo el análisis de la estrúctura, y calcular los desplazamientos i.

En una segunda etapa, se aplica la ecuación de Rayleigh para reanalizar el sistema, sin embargo; el valor de T obtenido por Rayleigh no podrá exceder el de 1,4 Ta.

DISTRIBUCION DE LAS FUERZAS Fi EN LOS DIFERENTES NIVELESLa fuerza de tope Ft se calcula:

Vo es el corte basal, el valor de Ft debe acortarse entre los siguientes límites:

En estructuras regulares, Ft toma en cuenta en el análisis la influencia de los modos superiores de vibración. Conocido Ft se obtienen los Valores Fi:

Siendo:

Wj el peso sismico del nivel jHj la altura medida desde la base hasta el nivel j de la edificación

Las fuerzas Fi y Ft se aplican en los centros de masas del respectivo nivel, y producen sólo efectos transnacionales en el sistema.

Las fuerzas Fi calculadas corresponden al primer modo de vibración, suponiendo una distribución lineal de aceleraciones, y despreciando los modos superiores. La distribución triangular resultante sólo se acepta en estructuras regulares con uniformidad de masa y rigideces.

Luego obtenidas las fuerzas de piso Ft y F1 se calculan los corrimientos laterales del sistema y el efecto P. Designando por deriva el desplazamiento relativo de un nivel con respecto al nivel inferior, en el efecto P se pueden conducir a incrementos en la magnitud de esas derivas estimadas en los centros de masas de cada nivel. La verificación de estas derivas debe realizarse en cada plano resistente vertical formado por pórticos o muros estructurales (pantallas).

La norma aconseja calcular las derivas, y luego el efecto PD, el cual puede incrementar el valor de las derivas. Esto se traduce en fuerzas cortantes equivalentes que luego se aplican en el método de la torsión estática equivalente.

ANALISIS DINÁMICO PLANO

En estructuras regulares, de más de 30 m de altura o 10 pisos, se acepta la aplicación del análisis dinámico de superposición modal con un grado de libertad por nivel. Para ello, la estructura deber ser modelada como un sistema de masas concentradas en cada nivel, teniendo cada una de ellas una grado de libertad correspondiente al desplazamiento lateral en la dirección considerada.

Cuando se aplica este método, debe complementarse el análisis con el método de la torsión estática equivalente.

El método de superposición modal consiste en transformar el sistema de ecuaciones diferenciales, del movimiento de los sistemas de múltiples grados de libertad, en un conjunto de ecuaciones diferenciales independientes, determinando la respuesta de los sistemas en términos de un cierto número de osciladores de un grado de libertad, cuya propiedades representen los distintos modos y el grado de excitación provocado por el movimiento sísmico, en forma desacoplada.

Combinando las respuestas de los modos individuales se obtienen las fuerzas exteriores equivalentes y los cortes en los diferentes pisos, con el corte basal, los cuales pueden usarse como en el método estático equivalente.

Sin embargo, el análisis modal ofrece la ventaja de poder determinar la distribución de las fuerzas laterales, partiendo de las masas y la distribución de las rigideces de la estructura, lo cual establece una apreciable diferencia de la distribución lineal simplificada que supone el método estático equivalente.

Adicionalmente, toma en cuenta la influencia de los modos superiores de vibración de la estructura, algunos de los cuales pueden contribuir significativamente en el comportamiento dinámico del conjunto.

Adicional al método de superposición modal con un grado de libertad por nivel con el método de la torsión estática equivalente, se obtiene un procedimiento hibrido, ya que en el primero las cortantes sísmica se determinan dinámicamente, mientras que los efectos de torsión se incorporan por métodos estáticos.

En cada dirección se debe tomar en consideración el número N de modos que se indica a continuación:

Para edificios con menos de 20 pisos:

Para edificios de 20 o más pisos:

Siendo T1 el periodo del modo fundamental (en seg). Los valores de N1 deben redondearse al número inmediato superior. Para estructuras con menos de 3 pisos, el número de modos a incorporar es igual al número de pisos.

El corte basal y la fuerza cortante en cada nivel se determinan por combinación de los respectivos valores modales. La combinación se lleva a cabo tomando la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los valores modales, para obtener los valores de diseño. Los valores modales que se combinan usualmente son los más utilizados en el diseño, tales como solicitaciones en los miembros (fuerzas axiales, de corte o momentos) en cada modo.

Una de las ventajas del análisis modal reside en el hecho de que en los edificios altos, solo es necesario determinar las respuestas debidas a algunos de los modos superiores de vibración, ya que en los modos cuyos periodos sean menores a 0,1 seg generalmente sólo tiene una contribución limitada en la respuesta.

CONCLUSION

En el análisis de estructuras sismorresistentes se tienen que tener en cuenta muchos criterios para la aproximación de la magnitud de vibración que sufrirá la estructura, pasando por la localización de la edificación de acuerdo al mapa de zonificación sísmica y a la probabilidad sismológica de ka zona, el coeficiente de aceleración horizontal de acuerdo al tipo de zona, y por medio del cual se deducirá la aceleración vertical que podría experimentar la estructura. Luego se deben conocer con exactitud los datos del suelo donde se va a construir como: su resistencia al corte, lo componentes de cada perfil, en caso que no contenga las propiedades adecuadas para resistir el sismo y mantenerse estable, proveerle un tratamiento que permita resistir esta acción.

En tercera instancia para la construcción de edificaciones sismorresistentes de debe tener en cuenta la forma de la edificación que sea simétrica en lo posible, o en su defecto que las cargas estén repartidas equitativamente por toda la estructura, la estructura no debe poseer formas rugosas o irregulares en su diseño.

Y por ultimo el análisis combinado de métodos estáticos y dinámicos para obtener su coeficiente de vibración y estabilidad.

BIBLIOGRAFIA

Consulta a Las Siguientes Páginas Web y Documentos Digitales:

Estructuras sismorresistentes – Fratelli, María Graciela, UCV http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/34/

html/sec_6.htm http://www.angelfire.com/ri/chterymercalli/ http://www.funvisis.gob.ve/