UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja
ÁREA TÉCNICA
TITULACIÓN DE INGENIERA EN GEOLOGÍA Y MINAS
“Comportamiento dinámico de los edificios en el área urbana de la ciudad
de Loja (Ecuador) a partir de medidas de ruido ambiental”
TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
AUTOR:
Briceño Sarmiento, Tamara Cristina
DIRECTOR:
Navarro Bernal, Manuel, Ph.D.
CODIRECTOR:
Soto Luzuriaga, Jhon Egverto, M.Sc.
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APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
Doctor.
Manuel Navarro Bernal
DOCENTE DE LA TITULACIÓN
De mi consideración:
El presente trabajo de fin de titulación: “Comportamiento dinámico de los edificios en el área urbana de la ciudad de Loja (Ecuador) a partir de medidas de ruido ambiental” realizado por Briceño Sarmiento Tamara Cristina, ha sido orientado y revisado durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.
Loja, noviembre de 2013
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DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
“Yo Briceño Sarmiento Tamara Cristina declaro ser autora del presente trabajo de fin de titulación: “Comportamiento dinámico de los edificios en el área urbana de la ciudad de Loja (Ecuador) a partir de medidas de ruido ambiental”, de la Titulación de Ingeniera en Geología y Minas siendo el Doctor Manuel Navarro Bernal director del presente trabajo; y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales. Además certifico que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: “Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”
f. ...
Autor: Briceño Sarmiento Tamara Cristina
Cédula: 1105025660
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DEDICATORIA
El presente trabajo de tesis quiero dedicárselo primeramente a Dios, quien me ha llenado de bendiciones durante mi vida, y es quien me provee la fortaleza necesaria para luchar por lo que quiero.
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AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios primeramente por regalarme la vida y porque en ella he podido llegar a conocer su maravillosa creación a través de la Geología.
Agradezco a mis padres quienes siempre están junto a mí con sus palabras de aliento, por enseñarme que para llegar a la meta, primero hay que trabajar duro para luego disfrutar de la recompensa que todo esfuerzo da como fruto.
También agradezco a mis hermanas Johana, Verónica y Talía; a mi cuñado Christian, quienes forman parte de mi vida, y con quien estoy segura que puedo contar incondicionalmente.
A mi sobrino Christian Josué quien con su ternura, sonrisa y locuras, llena de alegría mi vida; quien borra todo mal cuando me abraza y quien me ilumina la existencia con un pequeño beso.
Agradezco a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus docentes, especialmente a quienes integran la Titulación de Geología y Minas, quienes con sus enseñanzas me han mostrado lo hermoso y apasionado que es el mundo de las ciencias de la Tierra y quienes me han encaminado para ser una gran profesional. Mi agradecimiento especial al ingeniero Jhon Soto e ingeniero Arturo Guartán, con quienes durante estos cinco años de carrera he podido contar para guiarme de mejor manera en mi vida profesional.
Agradezco al Dr. Manuel Navarro Bernal quien ha guiado de la mejor forma el presente trabajo de tesis, quién ha compartido sus vastos conocimientos principalmente en física y sísmica para que yo pueda realizar esta investigación de pregrado, quien ha alimentado mis ganas de adentrarme en una rama tan interesante como es la sísmica.
A mi compañera de trabajo, Krupskaya Rivera, con quien compartí el trabajo de campo para la tesis, quien me apoyó y acompañó en cada momento hasta la culminación de la misma.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN ... ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ... iii
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTO ... v
ÍNDICE DE CONTENIDOS ... vi
RESUMEN EJECUTIVO ... 1
ABSTRACT ... 2
INTRODUCCIÓN ... 3
CAPÍTULO 1: CONTEXTO GEOLÓGICO Y SISMOLÓGICO ... 5
1.1 Introducción ... 6
1.2 Contexto geológico de la cuenca de Loja ... 6
1.3 Riesgo sísmico a escala regional, local y urbana ... 8
1.4 Zonificación sísmica según la Norma Ecuatoriana de la Construcción 2011. ... 13
CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES ... 16
2.1 Introducción ... 17
2.2 Estudios recientes ... 18
2.2.1. Análisis de comportamiento de edificios de hormigón armado (RC) en la ciudad de Adra, España. ... 20
2.2.2. Estimación empírica de los parámetros dinámicos de un amplio conjunto de edificios en Europa. ... 21
2.2.3. Análisis de comportamiento dinámico de edificios de hormigón armado (RC) en la ciudad de Lorca (España). ... 22
CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA ... 24
3.1 Introducción ... 25
3.2 Fuentes de excitación. ... 26
3.2.1. Vibración Forzada. ... 26
vii
3.2.3. Medidas de ruido ambiental. ... 27
3.3. Características dinámicas de una estructura. ... 27
3.3.1. Identificación del período natural. ... 27
3.3.2. Métodos para la identificación del Factor de Amortiguamiento. ... 28
3.3.2.1. Decaimiento de la vibración libre. ... 28
3.3.2.2. Ancho de banda de la potencia media. ... 29
3.3.2.3. Energía perdida por ciclo. ... 29
3.3.2.4. Decremento Aleatorio. ... 29
CAPÍTULO 4: ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 31
4.1 Introducción. ... 32
4.2 Selección de los edificios a analizar. ... 33
4.3 Equipamiento ... 35
4.4 Medidas de ruido ambiental en los edificios ... 37
4.5 Cálculo del período fundamental ... 38
4.6 Cálculo del factor de amortiguamiento ... 39
4.7 Análisis de los resultados ... 40
4.7.1. Determinación empírica de la relación T(N) ... 40
4.7.2. Determinación empírica del factor de amortiguamiento ... 43
CONCLUSIONES ... 47
RECOMENDACIONES ... 48
BIBLIOGRAFÍA ... 49
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RESUMEN EJECUTIVO
En el presente trabajo se realiza una investigación del comportamiento dinámico de una muestra de edificios existentes en el área urbana de la ciudad de Loja, para determinar el período natural y el factor de amortiguamiento mediante registros de ruido ambiental.
Se han analizado 29 edificios de hormigón armado con un número de plantas entre 2 y 8. Se han realizado medidas de ruido ambiental en la última planta de cada edificación durante cinco minutos, con una frecuencia de muestreo de 100 muestras por segundo. La aplicación de la transformada rápida de Fourier (FFT) y la técnica de Decaimiento Aleatorio (Randomdec) han permitido calcular el período natural y el factor de amortiguamiento respectivamente para las componentes longitudinal y transversal de cada edificio.
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ABSTRACT
This word presents an investigation of the dynamic behavior of a sample of building in the urban area of the Loja city, to determinate the natural period and damping ratio based on ambient noise.
We analyzed 29 of reinforced concrete buildings with a number of storeys between 2 and 8. Ambient noise measurements were carried out on the top floor of each building for five minutes, sampled at a rate of 100 samples per sec. The application of Fast Fourier Transform (FFT) and Random Decrement Technique (Randomdec) has allowed calculate the natural period and the damping factor, respectively, for the longitudinal and transverse components of each building.
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INTRODUCCIÓN
La evaluación de riesgo sísmico a escala urbana exige conocer la relación entre el comportamiento dinámico del suelo, las características dinámicas de los edificios y el potencial daño sísmico esperado en futuros terremoto, para calibrar el tipo de daño que tendrán las diferentes tipologías constructivas existentes ante cada valor de intensidad sísmica y/o aceleración
Los parámetros esenciales en el análisis del comportamiento dinámico de los edificios ante un terremoto son el período natural de vibración y el coeficiente de amortiguamiento. En esta tesis se ha utilizado registros de ruido ambiental para medir dichos parámetros. El método de ruido ambiental se basa en el principio de que el ruido ambiental se propaga por la estructura del edificio y es amplificado a períodos que están en resonancia con el período natural del edificio. Este método ha sido ampliamente probado, y se muestra como un método rápido, eficiente y económico para la determinación del período natural de un edificio (p.e. Sánchez et al, 2002; Navarro et al, 2002, 2004, 2007; Navarro y Oliveira, 2006; Oliveira y Navarro 2010; Gallipoli et al, 2010; Vidal et al, 2013). La Técnica del Decremento Aleatorio (Cole 1968) permite determinar el factor de amortiguamiento de sistemas dinámicos sujetos a excitaciones aleatorias (p.e. ruido ambiental) y ha sido aplicada tanto en la detección de fallos en estructuras como en la determinación del factor de amortiguamiento del suelo. El análisis requiere sólo la medida de la respuesta dinámica de la estructura y no de la excitación externa. Esta técnica novedosa ha sido aplicada en esta tesis y recientemente ha sido aplicada en la determinación del factor de amortiguamiento de edificios de hormigón armado en otros lugares (p.e. Satake et al, 2003; Navarro et al, 2002, 2004, 2005, 2006; Dunand et al, 2002; Navarro y Oliveira, 2006; Oliveira y Navarro, 2010; Vidal et al, 2013).
El objetivo de esta tesis es determinar el comportamiento dinámico de una muestra de edificios de hormigón armado en el área urbana de la ciudad de Loja (Ecuador) a partir de medidas de ruido ambiental, realizadas en la azotea de los mismos y determinar el período natural de vibración y el factor de amortiguamiento. Esto permitirá obtener una relación Período-Número de plantas y Período-Factor de amortiguamiento para el área de estudio.
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valiosa del comportamiento de edificios ante una acción sísmica y permite desarrollar medidas de prevención y mitigación del riesgo que se puede esperar ante la ocurrencia de un sismo.
Además, dentro de la constitución del Ecuador aprobada en 2008, en el artículo 389 se contempla la realización de investigaciones que aporten conocimientos sobre la prevención, mitigación y control de riesgos en cualquier ámbito, estableciendo esto textualmente de la siguiente manera: Art 389.- “El Estado protegerá a las personas, las colectividades y la naturaleza frente a los efectos negativos de los desastres de origen natural o antrópico
mediante la prevención ante el riesgo, la mitigación de desastres, la recuperación y
mejoramiento de las condiciones sociales, económicas y ambientales, con el objetivo de
minimizar la condición de vulnerabilidad.”
Mediante el presente proyecto de investigación de tesis se generará información sobre el período natural y factor de amortiguamiento de una muestra de edificios de hormigón armado de la ciudad, así como su correlación con el número de plantas, lo que permitirá analizar posibles fenómenos de resonancia entre los edificios y el comportamiento dinámico del suelo de la ciudad, aportando información de utilidad al Gobierno Autónomo Municipal de Loja o a cualquier institución competente para el desarrollo de planes de mitigación, control y prevención del riesgo frente a un sismo.
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1.1 Introducción
El presente estudio del comportamiento dinámico de los edificios, se realizó en la ciudad de Loja, perteneciente a la provincia del mismo nombre, en el extremo sur del Ecuador, limitando con el Perú.
La ciudad de Loja, está ubicada en el extremo sur del país, en las coordenadas 3°59’0”S y 79°12’0”O. Se trata de una cuenca inter-montañosa depositada entre los ramales en que se divide la cordillera de los Andes al llegar a la deflexión de Huancabamba. Tiene una altura promedio de 2200 msnm.
Loja es una urbe de aproximadamente 200 mil habitantes según el censo poblacional del Ecuador de 2010. Se encuentra asentada sobre una cuenca sedimentaria de edad Miocénica, con una gran potencia de sedimentos que son atravesados por el curso de dos ríos denominados Malacatos y Zamora, los cuales forman un delta antes de su unión, donde se localiza la parte céntrica de la ciudad.
1.2 Contexto geológico de la cuenca de Loja
La cuenca de Loja muestra una simetría y disposición muy singular desde el punto de vista geológico, pues como se puede observar en la figura 1.1, se encuentra dividida de Norte a Sur por una aparente falla que transcurre por el eje del río Malacatos, separando la cuenca en dos flancos (Este y Oeste) en los cuales se puede observar la depositación de diferentes formaciones en cada uno de ellos; teniendo en común únicamente el remate de cuenca que es la Formación Quillollaco, compuesta por conglomerados de muy buena resistencia. Los depósitos de sedimentos se encuentran yaciendo discordantemente sobre un basamento metamórfico (esquistos) de edad paleozoica, denominado como Unidad Chiguinda.
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Figura 1.1. Columna estratigráfica de las formaciones del Mioceno medio a tardío pertenecientes a la cuenca de Loja (Hungerbühler, 1997).
Fuente: Neogene stratigraphy and Andean geodynamics of southern Ecuador (Hungerbühler et al. 2001).
Al Oeste de la cuenca, tenemos la presencia de tres formaciones de diferentes edades. Comenzando la secuencia deposicional, la Formación Trigal, que descansa discordantemente sobre la Unidad Chiguinda, compuesta por areniscas gruesas intercaladas con finas capas de conglomerados y limolitas menores. Esta formación se caracteriza de las demás por contener principalmente clastos de origen volcánico. Es una formación de tipo fluvial formada por la depositación de los sedimentos sobre una cama de carga del sistema fluvial. Seguidamente está la Formación La Banda que data del Mioceno medio a tardío, en la cual se observa la presencia de capas de calizas blancas con repeticiones rítmicas de finas capas de calizas y lutitas margosas, además de delgadas capas de cherts y areniscas amarillas de grano fino. Finalmente en las secuencias
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estratigráficas anteriores a la Formación Quillollaco de la cuenca sedimentaria de Loja aflora la Formación Belén en la cual se pueden identificar capas gruesas de areniscas de color marrón granuladas, que contienen lentes de conglomerados de clastos de rocas metamórficas, otras areniscas con estratificación cruzadas y depósitos de desfase. (Hungerbühler, 1997).
1.3 Riesgo sísmico a escala regional, local y urbana
El riesgo sísmico es concebido como la probabilidad que tiene un lugar específico de presentar daños debido a un movimiento sísmico dentro o cerca de dicha locación. Este parámetro se encuentra expresado en función de cuatro factores principales como son: la peligrosidad sísmica (probabilidad de ocurrencia de un terremoto), por la vulnerabilidad de las estructuras (grado de resistencia al impacto de un sismo), la exposición (elementos de la comunidad que son amenazados), y por último, el coste (valor en pérdidas econímicas producidas por los terremotos).
El cinturón Circumpacífico es una estructura transcontinental en la cual la actividad constante de las placas tectónicas produce que los países que se encuentran en su entorno sufran eventos sísmicos con mayor frecuencia que otros puntos de la Tierra. La costa Oeste del continente americano forma parte de esta estructura y por tanto el Ecuador también se ve afectado por este fenómeno.
En el borde de costa del Ecuador, el proceso de subducción que se produce entre la placa oceánica de Nazca y la placa continental Sudamericana, debido a su continuo movimiento e interacción, son los causantes principales de los terremotos que se producen en el país. Debido al ángulo en que se subduce la placa oceánica bajo la continental, en la costa ecuatoriana, los terremotos tienen un hipocentro superficial y en la región oriental los eventos sísmicos asociados con la subducción pueden tener profundidades focales mayores a 200 Km.
Además de los sismos ocasionados por la actividad tectónica, existen sismos que se generan por la activación de fallas geológicas locales.
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las últimas dos décadas se han suscitado dos terremotos con una magnitud momento (Mw) de 7 grados, los cuales causaron gran destrucción en las ciudades cercanas al epicentro del sismo.
[image:16.612.148.522.229.688.2]En el Ecuador se ubican dos nidos sísmicos, uno ubicado en la parte continental del país, denominado Nido del Puyo, en la parte del oriente ecuatoriano; y otro ubicado en las Islas Galápagos.
Figura 1.2. Mapa de la sismicidad histórica del Ecuador desde 1541 hasta 1990
Son por estas razones que el Ecuador es catalogado como un país de alta sismicidad, pues tanto los procesos que se dan dentro del territorio o cerca de él, como los registros que se tienen desde la época de la colonia española evidencian claramente la tendencia que tiene el Ecuador de sufrir eventos sísmicos de diversas intensidades y magnitudes.
Las provincias pertenecientes al sur del Ecuador también se han visto afectadas por eventos telúricos a lo largo de los años. En el caso específico de la sismicidad de la provincia de Loja se han podido registrar en diversas fuentes terremotos con intensidades de hasta VIII grados en la escala de modificada Mercalli; además de verse afectada por sismos ocurridos en el Perú (Guartán, 2010).
En los últimos 20 años se han registrado siete eventos sísmicos con intensidad VI o superior, que han afectado diversos cantones de la provincia como Catamayo, Loja y Saraguro.
El Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional tiene en sus registros de sismicidad histórica para la zona cercana a la ciudad de Loja un total de 43 sismos de magnitudes comprendidas entre 4.0 y 6.9 en la escala de Richter en este periodo de tiempo.
[image:17.612.113.518.410.682.2]
Magnitudes (Tamaño) Profundidad en Kilómetros
Figura 1.3. Mapa de sismicidad histórica de Loja entre 1956 hasta 2008.
Fuente: Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional
Magnitud Número de
Eventos
4.0 - 4.9 29
5.0 - 5.9 13
6.0 - 6.9 1
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[image:18.612.110.528.222.476.2]La figura 1.4 muestra la distribución temporal, de los eventos sísmicos cercanos a la ciudad de Loja. Se evidencia que en su mayoría se producen movimientos sísmicos con magnitudes de 4.5 a 5.5 en la escala de Richter; aumentando el número de eventos entre 1980 y 1985. También muestra el acontecimiento de un sismo de magnitud aproximada de 6.0, siendo esta magnitud relevante para que se produzcan daños en las cercanías al epicentro.
Figura 1.4. Histogramas de eventos sísmicos producidos cerca de la zona de estudio.
Fuente: Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional
A parte de los sismos que se registran en el territorio ecuatoriano, la proximidad con el Perú hace que la ciudad y toda la provincia de Loja también se vean afectados por los terremotos que se producen en el norte del país vecino, el cual, al igual que el Ecuador, presenta una gran actividad sísmica.
En la siguiente figura 1.5 se muestra los últimos sismos registrados en el norte peruano, evidenciando dos terremotos muy superficiales de magnitudes entre 7.0 y 7.9.
Magnitud Número de Eventos
4.0 - 4.9 71
5.0 - 5.9 12
6.0 - 6.9 1
7.0 - 7.9 2
Total 86
del riesgo, el crecimiento y la disposición urbanística que tiene la zona de estudio que en este caso viene a ser la ciudad de Loja, concretamente su parte urbana.
La ciudad de Loja, como ya se ha descrito en el apartado 1.1 de este escrito, se encuentra asentada en una cuenta sedimentaria de edad miocénica, la cual se encuentra atravesada por el curso de dos ríos denominados Malacatos y Zamora, ambos con el cauce en sentido Sur-Norte. La parte central y el casco colonial de la ciudad, se encuentran localizados entre estos dos ríos, donde se formó un delta por la gran acumulación de sedimentos; por lo que el lugar donde se asienta gran parte de las edificaciones de la zona urbana de la ciudad, está cimentada sobre aluviales procedentes de dichos ríos, aumentando así el riesgo sísmico que conllevaría un movimiento sísmico, debido fenómeno de amplificación que se da en los materiales sueltos o sedimentarios.
[image:19.612.113.517.324.593.2]
Magnitudes (Tamaño) Profundidad en Kilómetros
Figura 1.5. Mapa de sismicidad histórica del norte del Perú, limitante con Loja; entre 1912 hasta 2009
Fuente: Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional.
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de terremotos destructores donde la geología superficial de un área urbana ha influido de manera notable en el nivel de la sacudida sísmica, amplificando ciertos rangos de frecuencias (p.e. Towhaka y Roteix, 1988; Field, 1996, Navarro et al, 2013; Alguacil et al, 2013). Como consecuencia, la distribución de los daños ocasionados por un terremoto está fuertemente influenciada por las características dinámicas del suelo, sobre todo en el rango de períodos que coincide con el período de vibración de las estructuras dañadas. Este fenómeno se ha presentado en algunos casos como por ejemplo: Ciudad de México, 1985 (Kobayashi et al, 1986); Caracas, 1967 (Enomoto et al, 2000); Mula, España 1999 (Navarro et al, 2000); Adra, España 1993 (Navarro et al, 2007); Colima, México, 2003 (Navarro et al, 2008); y Lorca, España 2011 (Navarro et al, 2013a). Por tanto, conocer la relación entre el comportamiento sísmico del suelo, las características de las estructuras y el daño sísmico es importante para calibrar la cuantía y tipo de daños que tienen diferentes tipologías constructivas existentes en nuestro país ante cada valor de intensidad sísmica, y permite predecir los daños que van a producir en las construcciones terremotos futuros.
Desde aproximadamente los años 70’s y 80’s, la urbe lojana comenzó a tener un gran crecimiento, con excepción de las edificaciones correspondientes al área urbana colonial y la parte limitada por los ríos Malacatos y Zamora, la mayoría de las construcciones fuera de estos límites y situadas en las partes altas de la ciudad, corresponden a construcciones modernas de no más de 30 años. Esto evidencia que en el caso de un terremoto actual, la ciudad no va a tener el mismo grado de respuesta como en los acontecimientos anteriores.
1.4 Zonificación sísmica según la Norma Ecuatoriana de la Construcción 2011.
La Norma Ecuatoriana de la Construcción, actualizada en el año 2011 contempla una gran cantidad de especificaciones mínimas y básicas para la construcción adecuada de estructuras sismo-resistentes (NEC-11).
Para poder establecer diversos parámetros en las normas sísmicas de seguridad constructiva, se realizaron estudios con los cuales, al igual que en la mayoría de países donde se propone un desarrollo ordenado, se establecieron zonas sísmicas, y a cada una de estas zonas es asignado un factor de zona Z.
Se puede evidenciar en la figura 1.6 que la mayoría del territorio ecuatoriano está catalogado como de alta amenaza sísmica, con excepción del nororiente que presenta una sismicidad intermedia, y en la parte cercana al borde de subducción en la costa ecuatoriana que se encuentra descrita como de muy alta sismicidad.
Se reconoce también que los resultados alcanzados hasta el momento en los estudios de amenaza sísmica tienen un carácter dinámico, ya que reflejan el estado actual del conocimiento en la sismología y neotectónica del Ecuador.
[image:21.612.140.496.245.591.2]
Figura 1.6. Mapa de zonas sísmicas para la construcción
Fuente: NEC-11
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Tabla 1.1. Principales poblaciones de la provincia de Loja y su factor Z.
POBLACIÓN PARROQUIA CANTÓN PROVINCIA Z (g)
Chaguarpamba Chaguarpamba Chaguarpamba Loja 0.30 Catacocha Catacocha Paltas Loja 0.30 Alamor Alamor Puyango Loja 0.40
Macará Macará Macará Loja 0.35 Celica Celica Celica Loja 0.35
Sozoranga Sozoranga Sozoranga Loja 0.35 Catamayo Catamayo Catamayo Loja 0.25
Amaluza Amaluza Espíndola Loja 0.25 Quilanga Quilanga Quilanga Loja 0.25
Cariamanga Cariamanga Calvas Loja 0.25
Loja Loja Loja Loja 0.25
Fuente: NEC-11
Con estos valores, y viendo la caracterización de la amenaza sísmica contemplada por la NEC-11 en la tabla 1.2, tenemos que la provincia de Loja general se encuentra calificada con una amenaza sísmica “Alta”.
Tabla 1.2. Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada.
Zona sísmica I II III IV V VI
Valor factor Z (g) 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥0.50
Caracterización de la amenaza
sísmica
Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy Alta
Fuente: NEC-11
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CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES
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2.1 Introducción
En las últimas décadas, la población mundial ha tenido un claro y significativo aumento, provocando una demanda masiva de servicios básicos, donde se incluye el acceso a vivienda. Así mismo de este incremento poblacional, la mayor parte del mismo se ha producido en las zonas urbanas de las ciudades; con lo cual la densidad de las edificaciones ha tenido una tendencia creciente. La demanda generada provoca que se construyan edificios de una manera rápida y en algunos casos poco seguro, desafiando cada vez más las características físicas y mecánicas de las diferentes tipologías constructivas que se practican alrededor del mundo.
Dado que los movimientos sísmicos son eventos naturales e inevitables por las características de nuestro planeta, es muy importante considerar la resistencia que cada material empleado para la construcción tiene frente a las vibraciones y energía liberada durante un sismo, que afecta notablemente a las construcciones antrópicas. La respuesta de la estructura a la carga sísmica depende de las características dinámicas del edificio y de la energía de entrada desde el suelo (Oliveira et al, 2010).
El comportamiento dinámico de una estructura sometida a una fuerza impulsora externa está gobernado fundamentalmente por el período natural de vibración y el coeficiente de amortiguamiento mostrado para cada modo de vibración. Para medir dichos parámetros podemos usar diferentes fuentes de excitación, tales como excitación forzada, registros de terremotos o explosiones y/o ruido ambiental. La excitación forzada se aplica de forma particular a edificios singulares, y supone una técnica muy costosa. La determinación del comportamiento dinámico de los edificios mediante terremotos o explosiones requiere la instrumentación permanente de las edificaciones, lo que supone un costo elevado y poco práctico en zonas de sismicidad moderada. La aplicación de las medidas de ruido ambiental es un método ampliamente probado, rápido eficiente y económico (p.e., Kobayashi et al, 1986, 1987, 1996; Midorikawa, 1990; Caselles et al, 1998; Espinoza, 1999; Navarro et al, 2002, 2004, 2007; Galipolli et al, 2010; Oliveira & Navarro, 2010; Vidal et al, 2013) y está basado en el principio de que el ruido ambiental se propaga por la estructura del edificio y es amplificado a períodos que están en resonancia con el período natural del edificio.
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comportamiento dinámico de los edificios que se levantan en sus principales urbes (p.e. Kobayashi et al, 1996; Enomoto et al, 1999; Espinoza, 1999; Sanchez et al 2002; Navarro et al, 2002; Dunand et al, 2002; Oliveira, 2004; Gallipoli et al, 2010).
A pesar de que Ecuador es uno de los países con más riesgo sísmico del mundo al encontrarse en el cinturón de fuego del Pacífico, son muy pocos los estudios e investigaciones que se dan con la finalidad de prever lo que puede acontecer con las estructuras civiles al generarse un sismo. La normativa de construcción que se emplea en el país es basada casi en su totalidad a modelos que se implantan en los países desarrollados, sin tener en cuenta que la geología de cada país, sus técnicas de construcción y su topografía varían, y por tanto aunque las normas sean generales, no se puede garantizar que al aplicarlas dentro de la construcción en el Ecuador, vayan a tener el efecto preventivo deseado.
No se ha desarrollado hasta la actualidad ningún trabajo de investigación en el cual se trate el comportamiento dinámico de los edificios dentro del área urbana de la ciudad de Loja, por lo cual no hay una base comparativa de los resultados que se obtengan al final de la presente tesis; sin embargo, hay un estudio previo para la microzonificación sísmica de la urbe lojana (Guartán, 2010, 2013) que nos servirá para obtener información sobre los períodos predominantes del suelo que poseen las diferentes formaciones geológicas que conforman la cuenca sedimentaria de Loja.
2.2 Estudios recientes
Debido al costo que supone el análisis de edificios por métodos tradicionales como la vibración inducida a una estructura o mediante registros de terremotos, actualmente está en auge la utilización del ruido ambiental para la determinación de las características dinámicas de los edificios. El registro y análisis del ruido ambiental supone una mayor rapidez en la toma de medidas y también en su procesamiento debido a que sólo se requiere realizar la grabación del ruido durante un corto periodo de tiempo (Navarro et al. 2006; Prieto et al. 2010); lo que convierte a este método en una alternativa rápida, eficiente y menos costosa para realizar un estudio de comportamiento dinámico de una muestra de edificios.
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pueden ver a nivel internacional, se puede destacar los realizados en México, España, Portugal y Japón en las dos últimas décadas.
[image:26.612.105.541.314.555.2]Kobayashi et al. (1986) utilizó este método de ruido ambiental (microtremors), para determinar el período natural (T) y el factor de amortiguamiento (ξ) de los edificios no dañados en la ciudad de México, después del terremoto de 1985, obteniendo una relación entre el período y el número de plantas (N) de la forma T=0.105N para construcciones entre 5 y 30 plantas. Además pudieron observar que aquellos edificios con períodos comprendidos entre 0.5 a 2.0s y un factor de amortiguamiento ξ=0,05, sufrieron los daños más graves.
Tabla 2.1. Valores de períodos y factores de amortiguamiento de diferentes ciudades, obtenidos en estudios con ruido ambiental.
Autor Ciudad N° Edificios T(N) ξ(T)
Kobayashi et al. (1987) Mexico City (Mexico) 20 RC T =0.105N ξT=4.0%
Midorikawa (1990) Santiago de Chile (Chile) 107 RC T =0.049N ξT=0.8%
Midorikawa (1990) Villa del Mar (Chile) 21 RC T =0.049N ξT=1.2%
Lagomarsino (1993) 182 RC + SF ξ= 0.0073 + 0.007T
Kobayashi et al. (1996) Granada (Spain) 21 RC T=0.051N ξT=2.0%
Enomoto et al. (1999) Almeria (Spain) 34 RC T =0.05N ξT=0.8%
Espinoza (1999) Barcelona (Spain) 25 RC T =0.089N+0.032N
Enomoto et al. (2000) Caracas (Venezuela) 57 RC T =0.06N
Sánchez et al. Adra (Spain) 39 RC T =0.049N
Navarro et al. (2002) Granada (Spain) 89 RC T =0.049N ξT=2.1%
Messele and Tadese (2002) Addis Ababa (Ethiopia) 28 RC T =0.057N
Satake et al. (2003) (Japan) 205 RC + SF ξT=1.4%
Dunand et al. (2002) Grenoble (France) 26 RC ξ=0.7 ×T−0.25
Oliveira (2004) Lisbon (Portugal) 193 RC T =0.042N
Navarro and Oliveira (2004) Lisbon (Portugal) 37 RC T=0.045N ξT=1.1%
Gallipoli et al. (2009) Potenza, Senigallia (Italy) 65 RC
Fuente: Fundamental periods of vibration of RC buildings in Portugal from in-situ experimental and numerical techniques; Oliveira & Navarro (2010).
Otros estudios realizados han establecido relaciones T(N), como por ejemplo Enomoto et al. (2000) obtuvo la relación de T=0.06N para edificios de hormigón armado en la ciudad de Caracas (Venezuela). Otros estudios han dado resultados como T=0.051N para la ciudad de Granada (España) (Kobayashi et al. 1996); Enomoto et al. (2000) determinó la relación
20
2.2.1. Análisis de comportamiento de edificios de hormigón armado (RC) en la ciudad de Adra, España.
La ciudad de Adra está localizada al sur de la provincia de Almería (España). Esta ciudad de aproximadamente 26000 habitantes, fue azotada el 23 de diciembre de 1993 y el 4 de enero de 1994 por 2 terremotos principales con una magnitud de 5.0 y 4.9 respectivamente en la escala de Richter (VII grados de intensidad en la escala EMS), los cuales causaron daños localizados principalmente al sureste de la ciudad en edificios de hormigón armado de cuatro y cinco plantas (Navarro et al. 2007).
En este caso específico del estudio, se tomó una medida de ruido ambiental en un total de 39 edificios de hormigón armado con un número de plantas entre 2 y 9, construidos después de 1970. La duración de las muestras de ruido ambiental fue de tres minutos, con una frecuencia de muestreo de 100 muestras por segundo. A todos los registros se le aplicó la transformada rápida de Fourier (FFT) con el fin de calcular las características espectrales de la respuesta de desplazamiento en las dos componentes horizontales del edificio (longitudinal y transversal). Los resultados obtenidos en este estudio se pueden observar en la tabla 2.2.
Tabla 2.2. Períodos fundamentales y desviación estándar para los edificios de la ciudad de Adra, por número de plantas.
N° de Plantas N° de Edificios TL (s) TT (s)
2 3 0.16 ±0.02 0.18 ±0.04
3 14 0.17 ±0.04 0.18 ±0.04
4 5 0.22 ±0.02 0.21 ±0.03
5 5 0.19 ±0.04 0.22 ±0.06
6 3 0.26 ±0.04 0.29 ±0.01
7 2 0.30 ±0.09 0.28 ±0.12
8 5 0.42 ±0.04 0.41 ±0.04
9 1 0.42 ±0.03 0.41 ±0.01
Fuente: Analysis of the weightiness of site effects on reinforced concrete (RC) building seismic behaviour: The Adra town example (SE Spain); Navarro et al 2007.
21
contaminar la respuesta, y con regularidad en altura. Se obtuvo como resultado de la relación T(N) la expresión T=(0.049±0.001)N.
Este resultado tiene concordancia con las relaciones T(N) obtenidas para otras ciudades españolas como Almería (Enomoto et al, 2000) y Granada (Kobayashi et al, 1996; Navarro et al, 2004), y también con ciudades en Latinoamérica como es el caso Viña del Mar y Santiago de Chile (Midorikawa, 1990) y Caracas, Venezuela (Enomoto, 2000).
2.2.2. Estimación empírica de los parámetros dinámicos de un amplio conjunto de edificios en Europa.
Dentro del programa “Ciencia por la Paz” de la OTAN se realizaron medidas de ruido ambiental en un total de 244 edificaciones con un rango de plantas de 1 a 20 en cuatro países europeos. De este número de edificios 65 están localizados en Italia, 47 en Eslovenia, 62 en Croacia y 70 en la República de Macedonia.
En todos estos edificios se determinó el período fundamental en las dos componentes ortogonales, registrándose muestras de ruido ambiental de 10 minutos de duración con un muestreo de 128Hz.
Se investigó la relación empírica entre las dos variables, considerando tres típicas formulaciones generales usadas para abordar este problema:
(2.1)
El mejor resultado estadístico proporcionado por la fórmula 2.1, dio como relación:
. 6
En la figura 2.1 se muestra el período fundamental versus la altura para todos los edificios que fueron considerados.
Figura 2.1. Gráfico de la relación período-altura para los 244 edificios muestreados.
Fuente: Empirical estimates of dynamic parameters on a large set of European buildings, Mucciarelli et al, 2013.
2.2.3. Análisis de comportamiento dinámico de edificios de hormigón armado (RC) en la ciudad de Lorca (España).
Después del terremoto de Lorca de 11 de mayo 2011, los resultados obtenidos en los 34 edificios medidos muestran que el período natural de los edificios dañados (T*) aumenta con el número de plantas (N) y con el nivel de daño observado en la escala EMS (Navarro et al, 2012; Vidal et al, 2013). La relación empírica obtenida es T*= (0.075±0.002)N (Figura 2.2). Este incremento en el período natural revela una disminución de la rigidez de las estructuras dañadas.
Las variaciones relativas de los períodos naturales de los edificios se incrementaron a medida que aumenta el grado de daño (Figura 2.3), como se deduce al comparar los resultados obtenidos para los 23 edificios medidos en Lorca, antes y después del terremoto. Los resultados muestran que las variaciones del período normalizados en ambas direcciones principales son muy similares, mostrando una diferencia media de aproximadamente 9%, siendo el período longitudinal (TL) el que presenta un incremento
relativo mayor que la transversal (TT). La tendencia observada en el aumento promedio de
23
Figura 2.2 Relación entre el período natural (T) y el número de plantas (N) de los edificios medidos en Lorca antes del terremoto (línea roja) y después del terremoto (línea azul).
[image:30.612.127.512.422.632.2]Fuente: Análisis de comportamiento dinámico de edificios de hormigón armado (RC) en la ciudad de Lorca (España). (Vidal et al, 2013).
Figura 2.3. Incremento medio (en %) de los períodos naturales de los edificios (longitudinal TL, transversal TT y promedio T) en comparación con el grado de daño observado para 23
edificios medidos en Lorca antes y después del terremoto de Lorca de 2011.
24
25
3.1 Introducción
La respuesta de una estructura a la carga sísmica depende de sus características dinámica y del movimiento de entrada del suelo. Para bajas amplitudes de movimiento del terreno, los materiales se comportan linealmente. Sin embargo, para amplitudes mayores el comportamiento no lineal comienza a tomar lugar, alterando las propiedades dinámicas de la estructura (Oliveira et al, 2010).
Para estudiar el comportamiento dinámico de una construcción real, la estructura se esquematiza como un sistema discreto de masas interconectadas por los elementos de resistencia y conectados hacia el suelo donde los posibles movimientos que tengan las masas es el grado de libertar del sistema.
El sistema discreto descrito por una sola variable con un grado de libertad (SDOF), es el caso más simple y permite la evaluación del comportamiento dinámico de una estructura compleja con resultados que son dignos de atención. Sin embargo, un estudio más preciso del comportamiento dinámico de un edificio requiere que observemos a la estructura como un sistema con distribución continua de masas y un número finito (multi) de grados de libertar (MDOF).
El comportamiento lineal se mantiene solo para amplitudes bajas cuando todos los elementos están en un rango lineal. Siempre que el movimiento de entrada se incremente, los materiales y las partes de conexión de la estructura inician un régimen no lineal y la frecuencia tiene a decrecer mientras el amortiguamiento tiene a aumentar. Y la respuesta de la estructura variará a medida que la frecuencia varía de forma continua en el tiempo (Oliveira & Navarro, 2010).
El caso más general de un sistema amortiguado SDOF, es una estructura de masa m sujeta a una carga armónica forzada con una amplitud F0 y una frecuencia angular de excitación ω*.
La ecuación diferencial del movimiento bajo comportamiento linear se expresa por:
sin ∗ (3.1)
26
3.2 Fuentes de excitación.
La determinación del período natural de un edificio se puede obtener mediante métodos experimentales con observación in-situ del comportamiento dinámico de la estructura, o utilizando métodos analíticos (Oliveira & Navarrog, 2010).
Para poder analizar el comportamiento de un edificio ante una acción externa, se han utilizado diversas fuentes de excitación de la estructura; pudiendo ser estas generadas de manera natural como los terremotos, el viento y otras provocadas por la actividad humana; o por inducción mecánica de energía al edificio mediante equipos especializados. Cada una de estas fuentes son diferentes en cuanto a la amplitud del movimiento, al contenido frecuencial y a la localización de la aplicación dentro de la estructura (Navarro et al, 2005).
3.2.1. Vibración Forzada.
Esta técnica tiene como base la inducción de la energía simulada de un movimiento sísmico mediante una máquina que suministra una fuerza armónica controlada, la cual se coloca en la base del edificio, forzando de esta manera la vibración de la estructura. De esta manera se puede analizar el período natural del edificio y, en modo de prueba, determinar cuando la amplitud del movimiento supera el límite elástico.
Esta técnica no es recomendable ni muy aplicada debido al alto costo que representa realizar un estudio con uno o más edificios, debido al coste de tiempo y dinero. Conjuntamente con los contras antes mencionados, se puede incluir que los resultados que arrojan los estudios de comportamiento dinámico con éste método, son muy similares a los que se pueden obtener con técnicas e instrumentos mucho más baratos y versátiles.
3.2.2. Registro de Terremotos.
27
inversión en equipos. Tampoco es una técnica muy útil en zonas con una moderada sismicidad.
3.2.3. Medidas de ruido ambiental.
El ruido ambiental o microtremors son vibraciones del orden de algunos micrómetros, que son causados por fenómenos naturales (viento, una reacción geotermal o la marea) y/o fuentes artificiales (transito, actividades humanas, etc.). Los rangos de estas vibraciones se encuentran entre los períodos de 0.1 a 10 segundos.
En el año 1956, Kanai originalmente introdujo una interpretación teórica y práctica de los microtemblores o microtremors. Una de las aplicaciones que tiene la medición de estas pequeñas vibraciones, es la obtención del período natural y del factor de amortiguamiento del edificio (Navarro et al. 2005).
Con los diversos estudios que se han realizado con esta técnica se ha determinado que basta con los registros obtenidos con un solo sensor colocado en la parte superior de la construcción, donde el nivel de movimiento del edificio es mayor, para determinar los parámetros característicos del movimiento de las edificaciones (período natural y factor de amortiguamiento).
3.3. Características dinámicas de una estructura.
En base a los registros de movimiento de las edificaciones que proporcionados por las fuentes de excitación descritas en el apartado 3.2, se puede realizar una caracterización dinámica de los edificios a través de parámetros como el período natural y el factor de amortiguamiento.
3.3.1. Identificación del período natural.
28
todas sus partes y elementos que contribuyan a la masa del mismo (Navarro & Oliveira 2006; Oliveira & Navarro 2010).
Para la determinación del período de la edificación de forma empírica, basta con un solo sensor ubicado en la parte más alta del edificio para determinar con precisión el período fundamental. La aplicación de la transformada rápida de Fourier (FFT) permitirá obtener el espectro de la amplitud de Fourier, el cual mostrará un pico pronunciado centrado en el período/frecuencia fundamental del edificio. En los casos de edificios altos (períodos altos) dicho pico será más pronunciado que en el caso de edificios bajos (períodos cortos) en los cuales, a veces resulta más difícil su reconocimiento.
3.3.2. Métodos para la identificación del Factor de Amortiguamiento.
El factor de amortiguamiento es un parámetro no intrínseco del edificio, el cual es afectado por las características de la edificación, por las características del suelo y por la interacción del suelo-estructura; por lo que su determinación tanto teórica como empíricamente, es un proceso que conlleva una gran complejidad (Navarro et al, 2005).
Bajo la necesidad de estimar este factor, se han desarrollado diversos métodos, que emplean técnicas de vibración inducida, las cuales permiten determinar el factor de amortiguamiento basados en la respuesta de vibración libre, en la curva de frecuencia-respuesta o en la curva de amortiguamiento-energía pérdida. Otra técnica reciente es a partir de medidas de ruido ambiental.
3.3.2.1. Decaimiento de la vibración libre.
Este método se basa en el decaimiento de la vibración libre del edificio que es inducida por medio de máquinas o por registros de terremotos. El factor de amortiguamiento se determina a partir de dos amplitudes de desplazamiento medido en un intervalo de m ciclos por:
(3.2)
29
3.3.2.2. Ancho de banda de la potencia media.
A partir de la forma de la respuesta del edificio a una excitación externa, el factor de amortiguamiento ξ se determina a partir de las frecuencias para las que la energía de entrada es la mitad de la frecuencia de resonancia, y está dada por la expresión:
≅ (3.3)
Donde f1 y f2 son las frecuencias correspondientes a 1/√ veces el valor de la respuesta en resonancia.
3.3.2.3. Energía perdida por ciclo.
Si es posible el control de la fase entre la fuerza de entrada y el resultado de desplazamiento de la estructura, el factor de amortiguamiento puede determinarse a partir de la relación entre el factor de amortiguamiento y la energía perdida por ciclo (AD) considerando la energía de deformación almacenada en el desplazamiento máximo AS a partir de:
(3.4)
3.3.2.4. Decremento Aleatorio.
La Técnica de Decremento Aleatorio (Randomdec) propuesta por Cole (1968) está bien adaptada a la determinación del amortiguamiento de sistemas dinámicos sujetos a excitaciones aleatorias desconocidas, tales como ruido ambiental, y ha sido aplicada en la detección de fallos en estructuras (Yang y Dagalakis 1980) y en la determinación del factor de amortiguamiento del suelo (Yang et al, 1982) y de un edificio (Lin, 1981). El análisis requiere sólo la medida de la respuesta dinámica de la estructura y no de la excitación externa.
Recientemente, esta técnica ha sido aplicada en la determinación del factor de amortiguamiento de edificios de hormigón armado a partir de ruido ambiental con resultados similares a los obtenidos con técnicas convencionales de excitación controlada. (Tamura et al, 1993).
El análisis de Randomdec, permite obtener la respuesta libre del edificio sometido a una excitación aleatoria (Randomdec signature), representativo de la curva de decaimiento de la vibración libre de un sistema lineal.
30
desplazamiento inicial xD(t), la respuesta debida a la velocidad inicial xv(t), y finalmente la respuesta debida a la excitación externa xF(t).
(3.5)
El análisis del decremento aleatorio consiste en el promedio de N segmentos de longitud de la respuesta del sistema de la siguiente manera: el tiempo inicial j de cada segmento se selecciona de tal forma que xi(ti) = xs = constante y la pendiente es alternativamente positiva y negativa. Este proceso se puede expresar matemáticamente como:
∑ (3.6)
Dónde: xi(ti) = xs i= 1, 2, 3,...
ẋi(ti) ≥ 0 i= 1, 3, 5,...
ẋi(ti) ≤ 0 i= 2, 4, 6,...
La función δ(), se denomina señal del decremento aleatorio (Randomdec signature). Si las partes debidas a la velocidad inicial son promediadas juntas, la respuesta debida a la velocidad inicial se anula al estar distribuidas aleatoriamente. Además, si las partes debidas a la excitación externa son promediadas, también desaparecen, ya que, por definición, dicha excitación es aleatoria.
Finalmente, sólo resultan las partes debidas al desplazamiento inicial y su media es la señal de decremento aleatorio, la cual representa la curva de decaimiento de la oscilación libre del sistema debida a un desplazamiento inicial xs(t).
31
4.1 Introducción.
[image:39.612.136.502.221.661.2]Entre los diversos métodos que existen para la realización del estudio del comportamiento dinámico de una muestra de edificios en la ciudad de Loja, y determinar el período fundamental y el factor de amortiguamiento, en este estudio se ha implementado el método de registro de ruido ambiental como fuente de excitación de la estructura.
Figura 4.1. Distribución de los edificios seleccionados para el estudio en la ciudad de Loja.
33
Se han analizado 29 edificios de hormigón armado localizados en la urbe lojana (Figura 4.1). Se han realizado medidas de ruido ambiental en la azotea de los edificios usando sensores de velocidad, para posteriormente procesar los registros y obtener el espectro de amplitud de Fourier y la señal de amortiguamiento del edificio por la técnica de Decaimiento Aleatorio (Randomdec).
El análisis de los registros de ruido ambiental se realizó con software específico no comercial desarrollados en la Universidad de Almería, España.
4.2 Selección de los edificios a analizar.
Los edificios seleccionados son de hormigón armado y datan desde los años 60, con tabiquería de ladrillo sólido cocido. La selección se realizó considerando el número de plantas, la regularidad en planta y su aislamiento respecto a otras estructuras colindantes (Figura 4.2).
Figura 4.2. Edificio con altura de pisos regular y forma rectangular.
Fuente: Autor
Tabla 4.1. Número de edificios según el número de plantas.
N° de Plantas
N° de Edificios
2 3
3 4
4 4
5 5
6 5
7 6
8 2
Fuente: Autor.
La elección de los edificios de 3 y 5 plantas presenta el inconveniente de que estos se construyen sin junta de separación, sino más bien, en muchos de los casos las edificaciones son colindantes (Figura 4.3), es decir, comparten la pared y estructura medianera, afectando así la claridad de las gráficas de períodos fundamentales e incluso influenciando el valor del mismo.
Figura 4.3. Edificaciones aledañas sin una junta de separación.
[image:41.612.203.441.415.620.2]35
[image:42.612.199.438.172.374.2]Algunos de los edificios en los cuales se realizaron medidas de ruido ambiental poseen la primera planta con mayor altura que el resto de pisos (Figura 4.4), siendo por tanto más débil dicha planta baja.
Figura 4.4. Edificio D’Mar, cuya primera planta posee una altura mayor a las tres plantas superiores.
Fuente: Autor
Los edificios seleccionados corresponden a viviendas privadas, cuyas características en edad de construcción y dimensiones están mostradas en la tabla 4.2.
4.3 Equipamiento
36
Tabla 4.2. Características dimensionales y de edad de los edificios seleccionados.
CÓD. DEL
EDIFICIO NOMBRE DEL EDIFICIO N° PLANTAS
AÑO DE
CONSTRUCCIÓN DL(m) DT (m)
LOJ1 Edificio "Suite del Río" 8 -- -- --
LOJ2 Clínica San José 7 -- 19.50 10.40
LOJ3 Edificio "D'Mar" 4 1978 19.20 18.00
LOJ4 Edificio "Amoblar" 4 2008 25.00 13.00
LOJ5 Edificio "IECE-Loja" 4 2003/2013 22.00 8.00
LOJ6 GAD Municipal de Loja 1 5 1968 29.00 17.00
LOJ7 GAD Municipal de Loja 2 5 1980 48.00 22.50
LOJ8 Edificio CreArte 5 1978/1991 18.00 16.50
LOJ9 Edificio VialSur 3 2005 22.00 12.00
LOJ10 Edificio Panorama 7 2008 18.00 17.00
LOJ11 Policia Judicial 5 1990 17.50 17.00
LOJ12 Hotel San Sebastián 6 2001 32.30 12.00
LOJ13 Hotel Loja 7 1995 20.00 17.00
LOJ14 Departamentos Grand Hotel Loja 5 2006 23.00 12.00
LOJ15 Hotel Howard Jonhson 2 6 2008 21.53 10.00
LOJ16 Hotel Howard Jonhson 3 7 2008 23.00 20.00
LOJ17 Edificio Terranova 7 2011 22.00 13.00
LOJ18 Edificio 4 UTPL 3 1974 35.00 10.00
LOJ19 Edificio 3 UTPL 3 1974 35.00 10.00
LOJ20 Edificio 5 UTPL 3 1974 30.00 10.00
LOJ21 Edificio Modalidad Abierta UTPL 4 1979 35.00 19.00
LOJ22 Edificio "Mirador del Valle" 7 2012 24.80 14.20
LOJ23 Casa Época 2 2000 14.50 --
LOJ24 Casa Argelia 2 2001 -- --
LOJ25 Casa calle Catacocha 2 1970 15.00 2.00
LOJ26 Edificio "Vista Real" 8 2007 30.00 15.00
LOJ27 Coordinación Zonal 7 - LOJA 1 6 1980 -- --
LOJ28 Coordinación Zonal 7 - LOJA 2 6 1980 -- --
LOJ29 Coordinación Zonal 7 - LOJA 3 6 1980 -- --
37
Figura 4.5. a) Equipo SPC-51 de registro de vibración ambiental; b) SPC-51 conectado a fuente de energía; c) Equipo completo de medición de ruido ambiental SPC-51 y sensores VSE-15D; d) Sensores de velocidad VSE-15D donde se puede observar dos en componente vertical y al extremo derecho, el sensor en componente vertical.
Fuente: Autor
4.4 Medidas de ruido ambiental en los edificios
En los edificios seleccionados para este estudio se procede a colocar los instrumentos en la última planta de la edificación para registrar de mejor manera el ruido ambiental que afectan a la estructura (Navarro & Oliveira, 2006; Oliveira & Navarro 2010; Vidal et al, 2013).
Los sensores en sus tres componentes direccionales (dos horizontales y una componente vertical) deben ser nivelados con la horizontal y ubicados de manera que un sensor horizontal esté orientando al lado más largo del edificio o componente longitudinal y el segundo sensor horizontal se orienta al lado menor del edificio o componente transversal.
ascensor, lavadora de ropa, extractores de olores, etc. La frecuencia de muestreo fue de 100Hz.
4.5 Cálculo del período fundamental
Todos los registros de ruido ambiental que se obtuvieron en los edificios son procesados computacionalmente por programas como Pwave32, MatLab y Origin para obtener un archivo en ASCII con el cual se pueda visualizar los resultados de la grabación.
Las características de los espectros de respuesta, en las componentes longitudinales y transversales han sido determinadas mediante la aplicación de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) a cada registro para obtener el espectro de amplitud, el cual muestra un pico pronunciado, centrado en el período del modo fundamental del movimiento del edificio.
Figura 4.6. Ejemplo en el que se puede observar a) el registro y b) el período fundamental del edificio LOJ1 que consta de 8 plantas con un período resultante de 0.37 en componente longitudinal y 0.40 en la componente transversal. Estos resultados se encuentran detallados en la tabla 4.3.
Fuente: Autor.
39
[image:46.612.120.518.172.375.2]edificios que van de 2 a 7 plantas. Se puede observar que los picos aparecen menos claros en la gráfica (a) perteneciente a un edificio de dos plantas, mientras que el caso de un edificio de siete plantas gráfica (f), los picos se identifican con mayor claridad.
Figura 4.7. Ejemplos de gráficas de períodos naturales pertenecientes a edificios con diferentes números de plantas. a) Edificio de 2 plantas, b) Edificio de 3 plantas, c) Edificio de 4 plantas, d) Edificio de 5 plantas, e) Edificio de 6 plantas y f) Edificio de 7 plantas.
Fuente: Autor.
4.6 Cálculo del factor de amortiguamiento
El factor de amortiguamiento no es un parámetro intrínseco de la estructura, por lo que su determinación constituye un problema extremadamente complicado, tanto teórica como empíricamente. La estimación precisa del coeficiente de amortiguamiento en la etapa de diseño y su comparación con los valores medidos en un gran número de edificios reales, permitirá reducir la incertidumbre en el comportamiento de los edificios ante una acción sísmica en la banda de valores de amortiguamiento estimados para ciertos tipos generales de estructuras.
Con las medidas de ruido ambiental que se obtuvieron en cada uno de los edificios seleccionados, se obtiene una señal que representa la respuesta de vibración libre de la estructura. Finalmente, con la gráfica de la respuesta de decaimiento libre de la estructura y la aplicación de la ecuación 3.6, calculamos directamente el valor de amortiguamiento del edificio en sus dos componentes horizontales.
Figura 4.8. Ejemplo del proceso seguido para la obtención del factor de amortiguamiento de un edificio, en el que se puede apreciar a) el registro de ruido ambiental, b) gráfica del período fundamental tanto en componente longitudinal igual a 0.33s como de la componente transversal equivalente a 0.34s, c) gráfica del movimiento amortiguado del edificio para la componente longitudinal (ξ=2.32), y d) gráfica del movimiento amortiguado del edificio para la componente transversal (ξ= 1.46).
Fuente: Autor.
4.7 Análisis de los resultados
4.7.1. Determinación empírica de la relación T(N)
41
[image:48.612.205.435.215.675.2]El período natural de los edificios en la ciudad de Loja fluctúa en un rango de 0.07 a 0.44s para edificios que van de 2 a 8 plantas respectivamente. En la tabla 4.3 se muestran los resultados obtenidos de período natural para cada uno de los edificios que fueron estudiados.
Tabla 4.3. Períodos naturales obtenidos de los edificios estudiados en la ciudad de Loja
CÓD. DEL EDIFICIO N° PLANTAS
TL TT
LOJ1 8 0.37 0.40
LOJ2 7 0.32 0.32
LOJ3 4 0.13 0.13
LOJ4 4 0.21 0.15
LOJ5 4 0.18 0.16
LOJ6 5 0.25 0.23
LOJ7 5 0.28 0.26
LOJ8 5 0.29 0.21
LOJ9 3 0.13 0.21
LOJ10 7 0.25 0.40
LOJ11 5 0.30 0.30
LOJ12 6 0.24 0.29
LOJ13 7 0.33 0.33
LOJ14 5 0.22 0.25
LOJ15 6 0.22 0.29
LOJ16 7 0.30 0.37
LOJ17 7 0.33 0.34
LOJ18 3 0.14 0.14
LOJ19 3 0.15 0.13
LOJ20 3 0.15 0.15
LOJ21 4 0.17 0.19
LOJ22 7 0.27 0.37
LOJ23 2 0.09 0.07
LOJ24 2 0.09 0.09
LOJ25 2 0.09 0.14
LOJ26 8 0.44 0.44
LOJ27 6 0.29 0.34
LOJ28 6 0.29 0.34
LOJ29 6 0.29 0.34
42
Con los períodos de cada uno de los edificios se obtuvo una relación para la componente longitudinal de T=(0.046±0.006)N y para la componente transversal de T=(0.050±0.009)N, con una relación general de T=(0.048±0.008)N, donde T es el período natural del edificio y N es el número de plantas que posee dicha estructura; con un coeficiente de correlación de R2=0.89.
En la tabla 4.4 podemos encontrar los resultados obtenidos para los edificios según su número de plantas en el cual se puede observar de mejor manera la relación T=αN que encontramos para el caso específico de Loja, que corresponde a T=0.048N.
Tabla 4.4. Períodos naturales obtenidos para los edificios según su número de plantas.
N° de Plantas
N° de Edificios
TL (s) TT (s)
2 3 0.09±0.01 0.10±0.04
3 4 0.14±0.01 0.16±0.04
4 4 0.17±0.03 0.16±0.03
5 5 0.27±0.03 0.25±0.03
6 5 0.27±0.03 0.32±0.03
7 6 0.30±0.03 0.36±0.03
8 2 0.41±0.05 0.42±0.03
Fuente: Autor.
La figura 4.9 muestra la representación gráfica de la relación entre el período nautral (T) y el número de plantas de los edificios, empleando los datos promedio de los período longitudinales (TL)y transversales (TT).
43
Figura 4.9. Relación entre período natural (T) y el número de plantas (N).
Fuente: Autor. Programa Origin.
La investigación conjunta realizada en cuatro países europeos, descrita en el apartado 2.5.2, obtiene una relación T=0.045N. Dicha relación no dista mucho de la relación obtenida en este estudio para la ciudad de Loja.
4.7.2. Determinación empírica del factor de amortiguamiento
El factor de amortiguamiento de los edificios fue determinado a partir de la técnica de Decremento Aleatorio. Los valores obtenidos para cada una de las estructuras estudiadas se encuentran dentro de un rango que va desde 1.00% a 15.62%, tomando en cuenta tanto la componente longitudinal como transversal con un valor promedio de 5.54% y una desviación estándar de 3.91%.
En la tabla 4.5 se puede apreciar los resultados obtenidos de factor de amortiguamiento para cada uno de los edificios estudiados. Los resultados obtenidos de factor de amortiguamiento para los edificios medidos según el número de plantas se presentan en la tabla 4.6.
44
Tabla 4.5. Amortiguamientos de cada uno de los edificios estudiados en la presente investigación.
CÓD. DEL EDIFICIO
N°
PLANTAS TL ξL (%) TT ξT (%)
LOJ1 8 0.37 1.68 0.40 1.66
LOJ2 7 0.32 2.67 0.32 2.11
LOJ3 4 0.13 -- 0.13 --
LOJ4 4 0.21 5.05 0.15 9.25
LOJ5 4 0.18 4.64 0.16 15.62
LOJ6 5 0.25 2.40 0.23 1.50
LOJ7 5 0.28 2.35 0.26 1.52
LOJ8 5 0.29 9.29 0.21 3.14
LOJ9 3 0.13 9.31 0.21 3.43
LOJ10 7 0.25 2.32 0.40 1.50
LOJ11 5 0.30 9.16 0.30 3.42
LOJ12 6 0.24 9.16 0.29 3.42
LOJ13 7 0.33 1.98 0.33 2.20
LOJ14 5 0.22 2.59 0.25 2.87
LOJ15 6 0.22 1.82 0.29 1.37
LOJ16 7 0.30 2.97 0.37 2.42
LOJ17 7 0.33 2.32 0.34 1.46
LOJ18 3 0.14 6.90 0.14 5.57
LOJ19 3 0.15 5.31 0.13 5.11
LOJ20 3 0.15 4.45 0.15 6.87
LOJ21 4 0.17 5.57 0.19 4.07
LOJ22 7 0.27 1.29 0.37 1.64
LOJ23 2 0.09 5.07 0.07 11.03
LOJ24 2 0.09 15.47 0.09 15.38
LOJ25 2 0.09 11.58 0.14 11.78
LOJ26 8 0.44 1.25 0.44 1.24
LOJ27 6 0.29 2.70 0.34 1.00
LOJ28 6 0.29 3.68 0.34 1.64
LOJ29 6 0.29 1.68 0.34 3.64
[image:51.612.169.471.112.483.2]Fuente: Autor.
Tabla 4.6. Factores de amortiguamiento para los edificios según el número de plantas.
N° de Plantas N° de Edificios ξL ξT
2 3 10.71±5.26 12.73±2.33
3 4 6.49±2.13 5.24±1.42
4 4 5.09±0.48 9.65±5.79
5 5 5.16±3.72 2.49±0.92
6 5 3.81±3.10 2.21±1.22
7 6 2.26±0.58 1.89±0.41
8 2 1.46±0.31 1.45±0.30
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Los resultados muestran que los valores medios del amortiguamiento decrecen con el número de plantas de las edificaciones. Estos valores medios del factor de amortiguamiento tienen una alta desviación estándar en comparación con los resultados obtenidos para el período natural, siendo en algunos casos del mismo orden de magnitud que el valor del factor de amortiguamiento. Esto pone de manifiesto la irregularidad de la distribución y la dificultad en la determinación empírica del factor de amortiguamiento de una estructura.
El valor medio del factor de amortiguamiento obtenido en este estudio es de 5.54±3.91% para los edificios de la ciudad de Loja. Este resultado es próximo al valor del 5% de amortiguamiento propuesto por la norma ecuatoriana de construcción NEC-2011 y utilizado en la mayoría de los programas de cálculo de diseño estructural.
[image:52.612.169.471.381.653.2]El factor de amortiguamiento de un edificio depende, entre otros factores, de su interacción con el suelo, siendo el valor ξT representativo de las condiciones superficiales del terreno. En función de dichas condiciones y considerando una misma tipología constructiva, el valor ξT toma valores entre 1% y 4% (Kobayashi 1973), creciendo este valor a medida que el terreno es más blando.
Figura 4.10. Relación del período natural del edificio y su factor de amortiguamiento.
46
En este estudio, el rango de valores ξT oscila entre 0.60% y 1.54%, siendo el valor medio ξT= 0.92±0.30%. Este resultado es similar al obtenido en la ciudad de Lorca (España) antes del terremoto de 2011 (ξT = 0.9±0.5%, Navarro et al, 2006) a partir de los edificios ubicados en terrenos caracterizados por depósitos aluviales del rio Guadalentín, los cuales presentan un valor medio de VS
30
de 388 m/s (Navarro et al, 2013). Este valor de velocidad es del mismo orden que el valor VS30=346 m/s obtenido en la ciudad de Loja (Guartan, 2010) a
partir de medidas de ruido ambiental. .La diferencia con el resultado obtenido en otros estudios (ver tabla 2.1) puede interpretarse en algunos casos debido a diferencias en la tipología del terreno.
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CONCLUSIONES
En este estudio se han realizado medidas de ruido ambiental a fin de evaluar las características dinámicas de una muestra de edificios de hormigón armado localizados en el área urbana de la ciudad de Loja (Ecuador). El período natural de los edificios (T) se ha relacionado con el número de plantas (N) y se ha obtenido la relación T= (0.048±0.008)N, para un número de plantas entre 2 y 8. Este resultado es acorde con otras relaciones empíricas obtenidas en otras ciudades del sur de España (Granada, Almería y Adra), Venezuela (Caracas) y Chile (Santiago de Chile y Viña del Mar), usando medidas de ruido ambiental, donde las características constructivas de los edificios de hormigón armado son parecidas.
Se ha determinado el factor de amortiguamiento a partir de la Técnica de Decremento Aleatorio y se ha determinado un valor medio para el movimiento horizontal ξ= 5.54±3.9%. Este valor es similar al valor medio obtenido en otros estudios recientes (p.e. Navarro et al, 2004) aplicando la misma técnica en estructuras similares.
Se ha determinado el valor ξT que caracteriza las condiciones generales del terreno y se ha obtenido una relación ξT = 0.92±0.30%. Este resultado es similar al obtenido en otros estudios (p.e. Navarro et al, 2006) con unas condiciones superficiales del terreno parecidas.
El rango de valores del período natural de los edificios de hormigón armado analizados en la ciudad de Loja es similar al rango de períodos predominantes del suelo medidos en la ciudad (Guartán 2010; Rivera 2013). Esto sugiere que durante un terremoto de magnitud moderada-alta próximo a la ciudad, algunos de los edificios allí localizados pueden tener un comportamiento dinámico con períodos naturales similares a los del terreno, lo que puede dar lugar a fenómenos de resonancia entre el suelo y la estructura, y por tanto a un aumento del grado de daños. Una experiencia en este sentido ha sido observada recientemente en el sur de España durante los terremotos de Adra de 1993 y 1994 (Navarro et al 2007) y en el terremoto de Mula de 1999 (Navarro et al, 2000), o por ejemplo en el terremoto de Colima (México) de 2003 (Navarro et al, 2008)
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RECOMENDACIONES
Con los resultados que se han obtenido en la realización del presente trabajo de tesis, se puede recomendar lo siguiente:
Obtener mapas de distribución de fenómenos de resonancia suelo-estructura esperables en futuros terremotos a partir de los resultados obtenidos del período natural de los edificios medidos en la ciudad de Loja con diferentes niveles de plantas y la distribución de los períodos predominantes y dominantes del suelo en el mismo sector.
Realizar un ordenamiento territorial en base a los períodos obtenidos, de manera que se realice una prevención de los daños y riesgos inducidos esperados que puedan ser producidos por la ocurrencia de un movimiento sísmico.
Realizar estudios de comportamiento dinámico de edificios con otras tipologías características en la ciudad de Loja, cuyos resultados puedan ser extendidas a otras regiones del país.
