COMPORTAMIENTO DE
LAS EDIFICACIONES
CONTENIDO
1. Introducción
2. Sismos, sismicidad y movimiento del terreno
a.
Regionalización sísmica, clasificación de los sitios de acuerdo a su sismicidad
b.
Escala de Intensidad y Magnitud
3. ¿Cómo se miden los movimientos del terreno y de las edificaciones?
4. ¿Cómo están constituidas las edificaciones?
5. Fuerzas generadas por el sismo es las edificaciones; ¿Por qué se mueven las
edificaciones?
a.
Fuerzas que mueven a los edificios durante un sismo
b.
¿Qué tan grandes pueden ser las fuerzas sísmicas?
c.
Factores que afectan al movimiento de un edificio durante un sismo
6. ¿Por qué se dañan las edificaciones?
a.
Definición de daño dúctil y daño frágil
b.
¿Cómo identificar el nivel de daño que tenga un elemento estructural?
7. Estudios del comportamiento de las edificaciones sujetas al efecto de sismos
8. Reducción del daño en las edificaciones, ¿Cómo impacta el avance del conocimiento
en la reducción del riesgo ante la incidencia de sismo?
9. Conclusión
10. Que hacer antes, durante y después de un sismo estando dentro de una edificación
11. Glosario
1. Introducción
Los sismos son uno de los fenómenos naturales que con mayor frecuencia afecta al territorio nacional, particularmente por la actividad que se genera en la región costera entre Jalisco y Chiapas, debido a la interacción de las Placas de Cocos, Rivera y la de Norte América. Las características de los sismos y su incidencia en la República Mexicana se describen en el Fascículo 2, “Sismos”, editado por el CENAPRED.
Los principales daños que ocasionan los sismos son los que se derivan de las fallas de los edificios que son sacudidos por el movimiento del terreno. Al respecto, basta recordar lo ocurrido durante el terremoto del 19 de septiembre de 1985, que ha sido el más desastroso en la historia del país. Tomando en cuenta lo anterior es importante contestar las preguntas:
¿Por qué se mueven las edificaciones durante un sismo?
¿Cuáles son los factores que determinan el comportamiento de un edificio durante un sismo? ¿Qué características debe de tener un edificio para soportar los sismos sin daño, o con daños menores?
El presente fascículo tiene como objetivo principal presentar algunos aspectos básicos del comportamiento de los edificios sometidos a movimientos originados por un sismo. Se comienza, sin entrar en detalle, por la descripción de los sismos y las consecuencias que éstos pueden generar. Se hace una breve descripción de las características de las edificaciones y de sus propiedades ante la incidencia de un sismo, de las cuales dependerá su buen o mal comportamiento. También se hace mención a la clasificación del terreno y su relación con el nivel de peligro esperado. Por último se hace una descripción sencilla sobre los diferentes tipos de estudios del comportamiento de las estructuras de las edificaciones sujetas a los efectos de sismos, finalizando con una reseña de los Reglamentos de Construcción, que son los documentos que guían y regulan el diseño sismorresistente y permiten que el profesional de la ingeniería estructural logre que las edificaciones presenten comportamientos adecuados ante la incidencia de movimientos del terreno.
2. Sismos, sismicidad y movimiento del terreno
La República Mexicana se encuentra localizada en una zona altamente sísmica, por lo que estamos expuestos a la ocurrencia de estos fenómenos naturales y debemos estar preparados para minimizar sus consecuencias. Ante eso resulta indispensable la comprensión de estos fenómenos, estudiando, tanto los registrados instrumentalmente en la época actual, como aquellos ocurridos hace varios siglos o de los que se tiene únicamente un reporte textual.
Existen diversas fuentes bibliográficas de sismos y los daños que éstos han provocado. Con estos datos se puede tener una idea de la periodicidad de los eventos, las magnitudes (parámetro relacionado con la energía liberada por el sismo), las intensidades (parámetro relacionado con los daños causados en las construcciones), así como las zonas que han sido afectadas por estos movimientos. Actualmente se tienen identificadas las zonas de alta sismicidad y los estados de la República que pudieran sufrir o han sufrido daños debido a un evento de esta naturaleza, ya sea por la cercanía a la zona epicentral (donde se genera el sismo) o por el tipo de suelo.
Con el propósito de tener conocimiento sobre la historia de la sismicidad en el país, se presentan extractos de citas históricas de algunos de los sismos más importantes a partir de 1455 (García Acosta, V. et al., 1992).
1455, República Mexicana, Valle de México.
“En este año y los dos previos, hubo heladas y faltó maíz. En 1455, hubo también terremoto y la tierra se agrietó y las chinampas se derrumbaron; y la gente se alquilaba a otra a causa del hambre. En el año que siguió a éste continuaron las calamidades pues hubo sequía; fue hasta el siguiente que empezó a llover.”
Anales de Tlatelolco.
1578, Avalos, Zacoalco, Cocula, Jalisco.
“Veintisiete de diciembre de mil quinientos setenta y ocho fue un día memorable en este suelo, porque se sintió en su zona un terremoto tremendo que a desastrosas desgracias dio origen con sus efectos. Abrióse por muchas partes en barrancos de terreno dando paso a emanaciones plutónicas que en el viento alzaron grandes columnas de un humo de olor infecto y tragándose las aguas de los distintos veneros que atravesaban el valle para surtir a los pueblos. Con furia se estremecieron escuchándose en el fondo el más pavoroso estruendo cual si de un cíclope fuera el aterrador acento. En muchas partes las casas se derribaron al suelo dejando no más montones de escombros y sobre de ellos en confusión espantosa muchos heridos y muertos. Produjo grandes estragos tan grande sacudimiento que todos horrorizados el fin del mundo creyeron cercano, misericordia imploraban de los cielos de Ávalos. En la provincia, el cataclismo tremendo se hizo sentir con más fuerza causando males sin cuento en el pueblo de Tzacoalco sesenta indios perecieron y de las hermosas huertas apenas quedaron rastros. En Cocula también hubo graves acontecimientos a empuje del terremoto varias casas cayeron. Sucedió que fray Esteban de Fuenteovejuna habiendo ido a fundar aquel pueblo el franciscano convento le sucedió lo que al fraile de Tzacoalco, vino al suelo el edificio cristiano y lo aplastó con el techo. Causó, con justo motivo consternación todo aquello tanto en los naturales como entre los extranjeros. De la justicia divida hablaron los frailes luego comentando el terremoto como un castigo del cielo, enviado a que
los torpes marchaban por el sendero del error y de los vicios; lo cual fue un recurso bueno, pues que multitud de indios al punto se convirtieron.”
Acal; Martínez, 1890; Sánchez Arellano.
1696, Oaxaca, Oax.
“Se sintió en Oaxaca y pueblos del estado un fortísimo y espantoso terremoto que causó grandes estragos en las casas y edificios de todos ellos. Aquí en Oaxaca quedaron en ruina completa los de S. Pablo, S. Francisco, La Merced, y otros más. El suntuoso edificio de Santo Domingo sufrió en esta vez grandes averías y lo mismo el Carmen Alto. Fue tal el sacudimiento y tanto el terror de que se poseyeron los vecinos de la ciudad, que desampararon sus casas y buscaron seguridad en plazas y campos. Muchos se reunieron en el Lago de Guadalupe, en donde pasaron durmiendo muchas noches bajo de tiendas de campaña y enramadas, hasta que el señor obispo Sarimaña los volvió a sus hogares, persuadiéndolos de que no volvería a templar ya la tierra, como en verdad sucedió”. Gay; Martínez, 1890, Taracena.
1837, 19 de octubre. Acapulco, Guerrero.
“Ministerio de lo Interior. Desde esta hora hasta las diez de la misma noche se contaron más de doscientas repeticiones [del temblor] con más o menos fuerza, y siguiendo hasta el 19, pero como después de media noche, a las 32 horas del primero, se sintió uno más fuerte que precedió a otro más terrible. Éste acabó de destrozar las fincas, echó abajo el tercero y el último cuerpo de la torre, inutilizó la fachada de la parroquia, despedazó las paredes del campo santo, resintió las bóvedas de la fortaleza, y puso a la ciudad, que tantas pérdidas ha sufrido otras veces con la misma calamidad, en la mayor consternación. Desde este momento deplorable, las casas se abandonaron enteramente, y los vecinos pasaron el resto de la noche en las calles y plazas, temiendo la continuación de tan lamentable acontecimiento, y al amanecer del día 20 se dejó percibir a todos que el estrago había sido horroroso, principalmente en las casas del Sr. Virmant, la de D. Blas Vidal, difunto, y la mía, enciándolas hasta el caso de tener que echarlas abajo por no poder estar dentro de ellas sin peligro de perecer. Sírvase V.S. poner esta inesperada ocurrencia en conocimiento del Exmo. Sr. Presidente de la República, y al verificarlo llamar la atención a S.E. a favor de los habitantes en aquella plaza. Dios y Libertad. México. Octubre 31 de 1837. Luis Gonzaga Vieyra”.
1887, 3 de mayo. Bavispe. Cumpas, Guasabas, Sonora; Chihuahua.
“Fuerte temblor de tierra en los estados de Chihuahua y Sonora, ocasionando desgracias. El pueblo de Bavispe es enteramente destruido, no quedando ni un solo edificio; en Cumpas derribó la sacudida el templo y varias casas; en Guasabas casi todo el pueblo es destruido, y otras poblaciones sufren mucho.”
Galván; Muñoz, 1935.
Por último, se debe mencionar los temblores que en este siglo han afectado seriamente al Distrito Federal, el centro urbano con mayor concentración y densidad de población, y que son los eventos del 15 de abril de 1907, 7 de junio de 1911, 15 de abril de 1941, 28 de julio de 1957, 14 de marzo de 1979 y el 19 de septiembre de 1985, con magnitudes Ms de 7.7, 7.7, 7.7, 7.5, 7.6 y 8.1, respectivamente.
a) Regionalización sísmica, clasificación de los sitios de acuerdo a su sismicidad
Con base en la historia de la actividad sísmica, también definida como sismicidad, así como en el conocimiento de las fallas activas de las diferentes regiones, se ha llegado a clasificar a la República Mexicana de acuerdo al nivel de peligro sísmico a que estarían sujetas las construcciones. La clasificación o regionalización sísmica indica la magnitud de las fuerzas que generaría un sismo en las construcciones ubicadas en las diferentes zonas del territorio nacional. Existen zonas o regiones de alta y baja sismicidad, en ambas se pueden construir edificaciones, la diferencia será el tamaño y robustez que requerirán las mismas para soportar, sin dañarse, el movimiento generado por un sismo. La Comisión Federal de Electricidad, para los fines de diseño de las obras de infraestructura de su competencia, emitió una regionalización de la República Mexicana en función de su sismicidad (CFE, 1993). En la regionalización de la República Mexicana se han establecido cuatro zonas, llamadas A, B, C y D (Fig.1), que representan zonas de menor a mayor peligro sísmico y que se han definido en función de la sismicidad propia de cada región.
Figura 1. Regionalización sísmica de la República Mexicana (CFE, 1993)
Algunos de los reglamentos de construcción dentro del país consideran como base a esta regionalización para fijar los requisitos que deben observar las construcciones para que tengan una seguridad adecuada ante los efectos de los sismos. Un parámetro indicativo de este requisito es el valor de la resistencia que deberán tener las estructuras ante las fuerzas laterales que le genera el sismo. Como ejemplo, la resistencia ante fuerzas laterales del tipo sísmico que deberán tener las estructuras a construir en la zona D es, en promedio, cuatro veces superior a la que se requiere para las edificaciones ubicadas en la zona A (CFE, 1993).
Los efectos sísmicos en distintos sitios de una misma zona son influidos en forma importante por las características del suelo local. En términos generales los efectos son mayores en sitios donde el suelo es blando, comparativamente con aquellos donde se tiene suelo firme o roca. Los reglamentos de construcciones toman en cuenta este factor. Este último aspecto es de particular importancia en la ciudad de México; a raíz del sismo de 1985 se han magnificado los esfuerzos para entender mejor el comportamiento de los suelos de esta gran metrópoli y así mejorar la seguridad sísmica de las edificaciones. Una de las acciones que han permitido mejorar estos conocimientos ha sido la instalación de la Red Acelerográfica de la Ciudad de México (RACM), que actualmente consta de más de 110 instrumentos de registro y la operan tres instituciones diferentes: el Instituto de Ingeniería de la UNAM, el Centro de Instrumentación y Registro Sísmico de la Fundación Javier Barros Sierra y el Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED).
Los registros obtenidos por esta red de instrumentación han permitido afinar una microzonificación sísmica del Valle de México, en donde el objetivo principal es, al igual que a nivel nacional con la regionalización elaborada por la CFE, proporcionar los valores necesarios de resistencia que deben tener las estructuras para su diseño ante sismo, con lo cual se pretende asegurar un buen comportamiento. La microzonificación de este Valle incluye, grosso modo, la zona I (terreno duro o de Lomas), zona II (terreno de transición) y zona III (terreno de Lago), para identificarlas se presenta la Figura 2.
Figura 2. Microzonificación Sísmica del Distrito Federal
De lo indicado en los párrafos anteriores y el la figura 2 se desprende el siguiente comentario: la microzonificación y los valores de diseño que de ésta surgen, son a nivel local y no deben ser extrapolados a otras entidades para su aplicación en el análisis y diseño de edificios. Se debe hacer lo propio para tener los valores de diseño en cada entidad ya que éstos dependen de las condiciones particulares de cada sitio.
b) Escala de Intensidad y Magnitud
Para clasificar a los sismos generalmente se usan los criterios de Intensidad y Magnitud, ambos representados por medio de escalas. La intensidad, o bien la escala de intensidades, es cualitativa, representa, entre otros aspectos, el nivel de daño observable en las edificaciones; siendo la de Mercalli la escala de intensidades más conocida y usada en el mundo. Cabe la mención de que al ser cualitativa, la evaluación de la intensidad para un sitio dado ante la incidencia de un sismo determinado puede diferir dependiendo de la persona que la defina; aunque generalmente el valor de la intensidad disminuirá a medida que la persona se aleja del epicentro, por lo que para un sismo se pueden tener más de un valor de intensidades.
Por otro lado, la magnitud es un parámetro que representa la cantidad de energía liberada en el epicentro producto del movimiento relativo entre las masas de la corteza terrestre. Es un índice cuantitativo y único para cada sismo. La escala más conocida para determinar la magnitud de los sismos es la de Richter. En el fascículo “Sismos”, del mismo CENAPRED, se presentan descripciones más detalladas de los dos tipos de escalas.
3. ¿Cómo se miden los movimientos del terreno y de las edificaciones?
Existen diferentes instrumentos y dispositivos para poder medir cualquiera de los parámetros representativos del movimiento tanto del terreno, como de cualquier punto de la estructura, pero desde el punto de vista de la ingeniería estructural existen tres parámetros básicos que se deben no solo medir, sino tener registrado el conjunto de sus valores en el tiempo, esos son la aceleración, la velocidad y el desplazamiento que registre cualquier parte de la estructura, incluyendo la superficie del terreno donde se desplanta. Con base en los valores de los tres parámetros anteriores, el profesional de la ingeniería estructural (generalmente definido como “el estructurista”) puede llegar a determinar el valor de las fuerzas que el sismo genera en la edificación, la cantidad de energía que el sismo genera en la estructura y el nivel de daño esperado.
El instrumento que permite llegar a determinar las aceleraciones, y a partir de ello se calculan las velocidades y desplazamientos que un sismo genera en algunos puntos de la estructura se denomina acelerómetro (Figura 3), dispositivo que, como su nombre lo indica, permite tener los valores de las aceleraciones que se registraron en el punto donde se ubica el equipo durante la incidencia de un sismo. Una vez conocidas las aceleraciones, por relaciones de la física entre aceleración, velocidad y desplazamiento, a partir de la aceleración medida se pueden determinar el conjunto de valores de velocidad y desplazamiento que sufrió el punto donde se encuentra el acelerómetro dentro de la edificación ante la incidencia de un sismo.
Figura 3. Acelerómetro con capacidad de medir en tres direcciones, dos horizontales y una vertical (las medidas del dispositivo de la figura son aproximadamente 4 x 5 cm y 4.5 cm de altura)
4. Como están constituidas las edificaciones
Las edificaciones en general tiene el propósito primario de solventar una necesidad social de proporcionar un espacio seguro de vida para un grupo de seres humanos, dicha necesidad se cubrió inicialmente con cuevas y chozas de materiales naturales; actualmente se tiene una gama importante de materiales que pueden usarse para construir las edificaciones para vivienda. Además, las propiedades de los materiales para construcción actuales han permitido que se tengan edificios de más de un nivel, llegando incluso a tener rascacielos como edificios de para vivienda.
De manera similar al cuerpo humano, para poder mantenerse en pie las edificaciones requieren de un esqueleto, que en este caso está constituido por los denominados elementos estructurales. Los elementos estructurales se dividen en verticales y horizontales, dentro de los verticales se puede mencionar a las columnas y los muros; para los horizontales se tienen a las trabes o vigas y las losas. Además, de la misma manera que los humanos, que mientras mejor se tengan los pies en la tierra, mejor será el comportamiento ante la vida, en el caso de las edificaciones, estas no pueden estar en el aire, necesitan apoyarse en el suelo; así, todo el peso de la edificación, el peso del mobiliario y los usuarios de la misma, de igual manera que las fuerzas que provoque la incidencia de un sismo o vientos fuertes en ella, tienen que ser transmitidas y, por lo tanto, resistidas adecuadamente por el suelo. Para tal efecto se debe tener conocimiento de las características de comportamiento del suelo, por ejemplo cuanto resiste y cuanto se espera que se deforme ante las cargas que se le aplicarán; con base en esos parámetros se elegirá y diseñará una cimentación suficientemente resistente, la que junto con el suelo y la estructura conformarán finalmente a la edificación.
Existen diferentes propuestas de configuración de las estructuras para edificación, entre las que se pueden mencionar y ejemplificar gráficamente a las siguientes:
Edificaciones a base de marcos con columnas, trabes y losas (Figura 4) Edificaciones a base de marcos, muros y losas (Figura 5)
Edificaciones a base de muros y losas (Figura 6)
Figura 4. Estructura a base de marcos con columnas, trabes y losas
Figura 5. Estructura a base de marcos, muros y losas
Las soluciones estructurales anteriores se pueden encontrar principalmente con materiales como el concreto reforzado, el acero estructural y la mampostería confinada, ya sea de manera independiente, o con alguna combinación de ellos.
Una descripción simple de los tres materiales de construcción mencionados anteriormente se hace en los siguientes párrafos:
El concreto reforzado es la combinación del concreto simple y del acero de refuerzo (Fig. 7). El concreto simple resulta de la mezcla de agua, cemento, arena y grava principalmente, el acero de refuerzo es lo que se conoce como varilla o barra de acero. Con este material, el concreto reforzado, se pueden hacer, principalmente, columnas, muros, trabes, losas y, desde luego, zapatas, pilotes y pilas de cimentación.
Lo que se define como acero estructural son elementos obtenidos de un proceso de fabricación y laminación metalúrgica controlado, del cual se pueden lograr placas simples y elementos de configuración más compleja, un ejemplo tanto de las placas, como de los diferentes tipos de configuraciones que se obtienen de un proceso de laminación se muestran en la Figura 8. Con este material se pueden hacer, principalmente, columnas, trabes y, en algunas ocasiones losas y muros.
Figura 7. Detalle del material concreto reforzado
La mampostería confinada probablemente es el material más conocido en nuestro país, está constituida por la combinación de tabiques y elementos de concreto reforzado que los contiene o confina. Estos elementos de concreto, a diferencia de las estructuras formales de concreto reforzado, son de dimensiones pequeñas (determinado principalmente por las dimensiones de los tabiques) y tienen pocas varillas de acero de refuerzo de diámetro pequeño. Un detalle de este tipo de material se muestra en la figura 9.
Figura 9. Detalle de estructura de mampostería confinada
¿Qué es la losa y cuál es su función dentro de la edificación?
La losa es un elemento en el cual una de sus dimensiones (espesor) es considerablemente menor que las otras dos dimensiones (lados), y resulta de gran utilidad para proporcionar grandes espacios libres dentro de las edificaciones. Las losas generalmente son elementos horizontales, aunque en algunos casos, cuando se tiene techos a “dos aguas”, pueden tener cierto grado de inclinación. Por su característica de elemento horizontal, deberán soportar, además de su peso propio, las cargas producto del mobiliario, equipos y usuarios que estén dentro de las edificaciones, transmitir esas cargas a las trabes, para que éstas, a su vez la transmitan a las columnas y muros, elementos que finalmente transmitirán las cargas y fuerzas generadas por sismo a la cimentación y al suelo. Por las dimensiones de los diferentes elementos estructurales que componen una edificación (columnas, muros, trabes y losas), se puede decir que la mayor parte del peso de la estructura se concentra en lo que se denomina “sistema de piso”, el cual está constituido por trabes y losas.
También las losas tienen la función de mantener unidos a los demás elementos estructurales de la edificación, permitiendo que mientras mejor unidos estén, el comportamiento de la edificación ante cualquier tipo de carga o fuerza externa será mejor.
5. Fuerzas generadas por el sismo es las edificaciones; ¿Por qué se mueven las edificaciones?
a) Fuerzas que mueven a los edificios durante un sismo
La mayor parte del tiempo un edificio está sometido a fuerzas cuya intensidad (su tamaño) no cambia. Un ejemplo de este tipo de fuerzas es el peso propio del edificio, ya que el peso de los diferentes elementos que forman parte del mismo (columnas, trabes, losas, muros, etc.) permanece constante con el paso del tiempo. A este tipo de fuerzas se les denomina fuerzas estáticas permanentes.
El tamaño de las fuerzas estáticas, como el peso propio del edificio, o el peso de sus contenidos, se puede cuantificar fácilmente ya que se conoce el tamaño de cada elemento y se conoce el peso del material del que está hecho. De manera similar el peso del contenido de un edificio también se puede estimar; por ejemplo, si en una escalera caben veinte personas y se sabe el peso promedio de un adulto, se puede estimar el peso total que puede llegar a actuar sobre una escalera.
Un edificio, durante un temblor, además de resistir su peso propio, el peso de sus ocupantes y de sus contenidos, debe resistir las fuerzas que le genera el movimiento del terreno durante un sismo. Este tipo de fuerzas que experimenta un edificio durante un temblor son semejantes a las que experimenta una persona que está parada sobre un tapete el cual es jalado repentinamente. Si bien nadie empuja a dicha persona, ésta siente como si la estuvieran empujando en dirección opuesta a la dirección en que se jala el tapete. Los edificios ciertamente no se encuentran sobre un tapete, sin embargo, durante un sismo el suelo sobre el que se apoyan se mueve, lo que produce fuerzas invisibles que parece empujan al edificio (ver figura 10). Estas fuerzas actúan en los edificios en una forma semejante al ejemplo de la persona sobre el tapete, pero son aún más complejas porque se trata de fuerzas de tipo dinámico, cuya intensidad varía en el tiempo, o sea que pueden tener un tamaño diferente en cada fracción de segundo.
Comparativamente hablando, el movimiento absoluto del terreno y de un edificio durante un sismo
no es realmente muy grande, aún durante la ocurrencia de un gran temblor. Es decir, las
edificaciones regularmente no presentarán desplazamientos grandes comparativamente con las
dimensiones propias de los edificios. No es únicamente el desplazamiento que presente el edificio
el que generará daño en el mismo; también juega un papel importante la fuerza abrupta que el
sismo hace incidir en la masa de la estructura. Volviendo al ejemplo de la persona sobre el tapete,
cuando el tapete es jalado rápidamente, independientemente de que el desplazamiento del tapete
y de la persona resulte pequeño (problema de gran aceleración y poco desplazamiento), el efecto
sobre la persona puede resultar en su caída. Por otro lado, si el tapete es jalado lentamente,
independientemente de que se recorran grandes distancias (problema de aceleración pequeña y
grandes desplazamientos), el efecto sobre la persona puede resultar no tan desafortunado como el
primer caso. Entonces, al estado actual del conocimiento el daño en un edificio estará determinado
principalmente por dos factores: la aceleración y el desplazamiento.
Es ampliamente reconocido que para estudiar el movimiento de los edificios cuando incide un
sismo en ellos, en muchas regiones de sismicidad importante en el mundo (en el caso de México,
sería la costa del Océano Pacífico) algunos edificios han sido instrumentados con acelereómetros.
El registro de las características del movimiento por medio del acelerómetro, se conoce como
acelerograma, en la figura 11 se muestra un par de acelerogramas registrados en la azotea y en la
base de un edificio en la colonia Roma de la ciudad de México durante un sismo de 1989. Resulta
claro que hay diferencias en las aceleraciones registradas en distintos sitios de la edificación, lo
cual se puede considerar producto de la mayor flexibilidad de las edificaciones comparativamente
con la gran masa del terreno donde se desplantan o apoyan; también, dependiendo de las
propiedades del suelo los desplazamientos en la edificación se verán afectado, aspecto que se
Figura 11. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 4 pisos en la colonia Roma
Figura 12. Representación gráfica del movimiento de edificaciones en diferentes tipos de suelo Suelo duro
Suelo blando
El fenómeno físico de la aceleración tiene una influencia importante en el movimiento de los
edificios y, por lo tanto, en la generación de daño en los mismos, debido a que al ser cuerpos con
un cierto peso, y por lo tanto, con una cierta masa, los edificios deberán obedecer la famosa
Segunda Ley de Newton de la Dinámica. La ecuación que representa de la manera más sencilla
dicha ley es F = Ma. La expresión anterior establece que la fuerza actuando sobre el edificio
(específicamente sobre la masa del mismo), definida como F, resulta directamente proporcional a
al producto de la masa, M, y la aceleración que incide en la misma masa, a. Por lo tanto, resulta
claro que las fuerzas que actúen sobre la estructura del edificio serán mayores a mayores valores
de masa y aceleración (ver figura 13).
Por supuesto, a mayor valor de la fuerza afectando al edificio, la densidad y nivel del daño
esperado podrá ser mayor; por lo anterior, tratar de reducir la fuerza F, actuante sobre los edificios
durante sismos, es una de las metas de mayor importancia en el diseño sismo-resistente. Cuando
se diseña un edificio nuevo, por ejemplo, es deseable hacerlo lo más ligero posible, lo cual
significa, por supuesto, que M, y por lo tanto, F se reduzcan. En otro sentido, existen también
desarrollos tecnológicos enfocados a la reducción de los valores de la aceleración en el edificio,
como es el sistema de aislamiento de base de las edificaciones.
Es importante notar que F es realmente lo que se conoce como fuerza de inercia, esto es, la fuerza
que es generada por la tendencia de un cuerpo, en este caso el edificio, a permanecer en reposo,
y en su posición original, aún cuando el suelo que está debajo de él esté en movimiento.
Figura 13 Aceleración del terreno y fuerzas de inercia sobre una edificación Movimiento del terreno Posición del edificio en
La fuerza inercial F, impone cierta deformación en los elementos estructurales componentes del
edificio. Si estas deformaciones resultan suficientemente grandes, los elementos estructurales del
edificio sufrirán diferentes tipos de daño.
Para ilustrar el proceso de generación de deformaciones en la estructura producto de las fuerzas
de inercia, se puede considerar el caso simple de una columna rígida de piedra o concreto simple
(ver figura 14). Durante un sismo, si la columna está simplemente apoyada sobre el terreno sin
ninguna clase de fijación, podrá moverse libremente y con una fuerza proporcional a la cantidad de
masa de la columna y a la aceleración que se le transmita.
En la misma columna, considerando ahora fija o empotrada en el terreno y sin libertad de
desplazarse libremente sobre el mismo, deberá absorber internamente, de alguna manera, las
fuerzas de inercia que le genera el movimiento del terreno. En la misma figura 14, se ilustra que
estas fuerzas internas generadas en la columna pueden resultar de un valor tal, que aparezcan
grietas en la base de la columna.
Figura 14 Ejemplo de columna de concreto simple sujeta a fuerzas de inercia Columna simplemente
colocada
Columna fijada en la base
Por supuesto que las fuerzas sísmicas son difíciles de cuantificar porque su tamaño cambia en cada fracción de segundo y además su dirección también cambia constantemente. Al igual que un automóvil que se mueve con una determinada aceleración, el suelo, durante un sismo también se mueve con una determinada aceleración; sin embargo en el caso del sismo, el suelo se mueve en todas direcciones, no sólo en un plano horizontal, sino también se mueve en dirección vertical (de arriba a abajo) y también gira en todas direcciones.
b) ¿Qué tan grandes pueden ser las fuerzas sísmicas?
Como ya se comentó previamente, el tamaño de las fuerzas sísmicas que actúan en un edificio depende principalmente de dos factores (1) Qué tan pesado es el edificio y (2) Qué tan grandes son las aceleraciones que el sismo provoca en el edificio.
Entonces, si se tienen dos edificios del mismo peso, pero a uno se le somete a una aceleración del doble que al otro, las fuerzas sísmicas serán también del doble. De manera similar, si se tienen dos edificios en un sitio dado, donde las aceleraciones que el sismo generaría en el terreno son iguales, pero uno de los edificios es del doble de peso que el otro, también las fuerzas sísmicas que se generen en el edificio pesado resultarían del orden del doble de las fuerzas que se generasen en el edificio ligero. Esto implica, como ya se ha mencionado, que el tamaño de las fuerzas sísmicas depende del tamaño de la aceleración provocada por el sismo, y del peso mismo del edificio.
A partir de las aceleraciones que se midan en un edificio y conociendo su peso, es posible determinar el tamaño de las fuerzas sísmicas que actúan en él. En ocasiones las fuerzas sísmicas son tan grandes que pueden llegar a ser más de la mitad del peso del edificio. Eso quiere decir que si un edificio de 10 pisos pesa por ejemplo 9,000 toneladas (aproximadamente el peso de 10,000 coches compactos), el tamaño de las fuerzas sísmicas puede ser cercano o mayor a 5,000 toneladas. Es por eso que los edificios construidos en zonas de alta sismicidad deben ser especialmente resistentes ante fuerzas laterales.
Como se mencionó anteriormente, durante un sismo el suelo se mueve en todas direcciones, así el movimiento horizontal del suelo, produce fuerzas predominantemente horizontales o también llamadas laterales sobre los edificios (ver figura 15), mientras que el movimiento vertical del suelo produce fuerzas predominantemente verticales (ver figura 16). Deberá entenderse que no existen propiamente los “sismos oscilatorios”, o bien los “sismos trepidatorios”, en realidad durante la ocurrencia de un sismo siempre se presentan movimientos tanto laterales, como verticales, por lo que siempre habrá fuerzas sísmicas laterales y verticales. Desde luego que dependiendo de la localización geográfica del sitio de interés habrá sitios donde el movimiento predominante sea el
horizontal, y otros sitios donde el movimiento predominante resulte el vertical, pero en ambos casos siempre se presentará también el otro tipo de movimiento.
Figura 15. El movimiento o sacudida horizontal del suelo durante un sismo produce fuerzas predominantemente laterales en un edificio.
Figura 16. El movimiento o sacudida vertical del suelo durante un temblor produce fuerzas predominantemente verticales en un edificio.
c) Factores que afectan al movimiento de un edificio durante un sismo
Como ya se mencionó, el tamaño de las fuerzas sísmicas sobre un edificio depende del valor de la aceleración que el sismo le incida, por lo que es necesario conocer los principales factores que afectan el tamaño de la aceleración que incidirá en el edificio.
En términos generales, la aceleración máxima que experimenta un edificio durante un sismo depende de los siguientes factores: (1) la aceleración máxima del suelo; (2) el periodo dominante del movimiento del suelo; y (3) el periodo de vibración del edificio; factores que se explican en los siguientes párrafos.
(1) Aceleración máxima del terreno
La aceleración del suelo cambia de valor en cada fracción de segundo. Para ver qué tanto cambia, véase la figura 17 donde se muestra la historia de aceleraciones horizontales del suelo en la dirección norte-sur medida en el poblado de La Unión durante el sismo del 19 de septiembre de MOVIMIENTO HORIZONTAL
FUERZAS SÍSMICAS LATERALES
DEL SUELO
MOVIMIENTO VERTICAL DEL SUELO
FUERZAS SÍSMICAS VERTICALES
1985. Esta población está relativamente cercana al epicentro del sismo. En la figura puede verse que el movimiento intenso de terreno medido en este sitio tuvo una duración de poco más de un minuto. Así mismo puede observarse que durante los 10 primeros segundos las aceleraciones del suelo fueron muy pequeñas y que crecieron en tamaño entre los 10 y los 30 segundos del sismo y a partir de ese instante fueron disminuyendo poco a poco.
Figura 17. Historia de aceleraciones horizontales del terreno en la dirección norte-sur en el poblado de La Unión durante el sismo del 19 de septiembre de 1985.
Si a un edificio se le sacude con unas aceleraciones como las mostradas en la figura 17, la aceleración máxima en el edificio y, por tanto, la fuerza sísmica máxima en el edificio depende de la aceleración máxima del suelo. Para el movimiento mostrado en la figura, la aceleración máxima del suelo ocurre aproximadamente 23 segundos después de iniciado el movimiento, cuando alcanza un valor de aproximadamente 160 cm/s2, lo que equivale aproximadamente a una sexta parte de la aceleración de la gravedad.
(2) Periodo dominante del movimiento del suelo
La aceleración máxima en un edificio, y por lo tanto las fuerzas sísmicas máximas, no solo dependen de la aceleración máxima del suelo sino también de las características de movimiento del mismo, aspecto que se resume con el conocimiento de su periodo dominante de vibrar.
Para entender mejor este concepto, se deberá tomar en cuenta un registro o gráfica de las aceleraciones del suelo en un cierto tiempo, por ejemplo durante la ocurrencia de un sismo. El periodo dominante del suelo durante un sismo, lo podemos medir en forma aproximada contando el número de picos que tiene el registro del movimiento en un determinado lapso de tiempo, y dividiendo el lapso de tiempo empleado entre el número de picos. En la figura 17 puede verse que en dicho registro el movimiento del suelo tiene muchos picos en un cierto tiempo. En la figura 18 se
300 -300 -200 -100 0 100 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80
ACELERACION DEL SUELO [cm/s2]
TIEMPO [seg]
LA UNIÓN ACELERACIÓN MÁXIMA DEL SUELO
muestra un registro de aceleraciones del suelo medido en la colonia Roma de la ciudad de México durante el sismo del 25 de abril de 1989. En el detalle de esta figura se muestra un acercamiento de un segmento de 10 segundos de duración. Puede verse que en este caso el número de picos es tan solo de siete; es decir, pocos picos. Esto implica que el movimiento medido en La Unión tiene menor periodo (más picos en un lapso de tiempo dado) que el movimiento medido en la colonia Roma de la ciudad de México. Podríamos decir que el movimiento en la Unión, Zihuatanejo es el registrado en un suelo duro, mientras que el movimiento en la colonia Roma es característico de un suelo blando. -60 -40 -20 0 20 40 60 0 20 40 60 80 Aceleración [cm/s2] Tiempo [s]
Figura 18. Registro de aceleraciones horizontales del terreno en la colonia Roma durante el sismo del 25 de abril de 1989
Las características del movimiento de un suelo durante un sismo dependen principalmente de la dureza o suavidad del suelo. El movimiento sobre roca o sobre suelo muy firme, por lo general tiene configuración como el de la figura 17, o sea movimientos que los ingenieros llaman de periodos cortos que se caracterizan por tener muchos picos por unidad de tiempo. Mientras que el movimiento de un suelo blando por lo general tiene configuración como el de la figura 18, que los ingenieros llaman de periodos largos y se caracterizan por tener pocos picos por unidad de tiempo. (3) El periodo de vibración del edificio
La tercera característica importante que influye en el tamaño de las aceleraciones en un edificio durante un sismo, y por lo tanto en el tamaño de las fuerzas sísmicas que en él ocurran, depende del periodo de vibración del edificio.
Durante un sismo, un edificio vibra u oscila de un lado al otro. De modo similar al caso del suelo, el periodo de vibración de un edifico es el tiempo que le toma para completar un ciclo completo de oscilación. En la figura 19 se muestra una representación gráfica de la oscilación de un edificio. Los picos o montañas en la parte superior de la línea horizontal representan movimientos del
edificio hacia la derecha (según la figura), mientras que los picos o montañas invertidos por debajo de la línea horizontal representan movimientos del edificio hacia la izquierda.
Figura 19. Periodo de vibración de un edificio simple de un nivel (denominado sistema de un grado de libertad)
Sigamos un ciclo de oscilación mostrado la figura 19. En la posición marcada con 1, el edificio tiene un desplazamiento nulo, o sea no se está moviendo ni a la derecha ni a la izquierda. En ese instante se comienza a mover hacia la derecha, hasta que llega al máximo desplazamiento en la posición 2. A partir de este punto el desplazamiento hacia la derecha disminuye y regresa a su posición de desplazamiento lateral nulo en la posición 3, o sea nuevamente no tiene movimiento lateral ni a la derecha ni a la izquierda. Después el edificio continúa moviéndose ahora hacia la izquierda hasta alcanzar el máximo desplazamiento de ese lado en la posición 4. Después de este punto el edificio comienza de nuevo a desplazarse hacia la derecha hasta alcanzar nuevamente la posición de desplazamiento nulo en la posición 5. Un ciclo completo de movimiento o de vibración está dado por las posiciones 1-2-3-4-5. En la posición 5 el edificio está en una situación semejante a la de la posición 1, en la cual está listo para iniciar un nuevo ciclo de vibración.
Todo edificio tiene un tiempo característico que se tarda en completar ese ciclo de vibración. El tiempo que se tarda en completarlo es lo que se conoce como periodo de vibración. Por lo general los edificios completan un ciclo de vibración en un tiempo relativamente rápido. Por ejemplo, un edificio de 8 pisos tarda aproximadamente un segundo en completar dicho ciclo de vibración. Entre mayor sea el número de pisos de un edificio mayor es su periodo de vibración, o sea, se tarda más en completar un ciclo de vibración. Por ejemplo, un edificio de 4 pisos tiene un periodo de vibración de aproximadamente medio segundo, o sea que es capaz de completar dos ciclos de vibración en tan solo un segundo, mientras que un edificio de 12 pisos tiene un periodo de vibración de aproximadamente un segundo y medio. El periodo de vibración del edificio
proporciona una idea sobre el tipo de movimiento con el que presentará mayores aceleraciones y/o desplazamientos.
Para ejemplificar lo indicado en el párrafo anterior, en la figura 20 se muestra la historia de aceleraciones del suelo medida en la colonia Roma durante el sismo del 25 de abril de 1989 y la historia de aceleraciones en la azotea de un edificio de 4 niveles. En este caso el periodo dominante o característico del suelo es de aproximadamente un segundo y medio y el periodo de vibración característico del edificio es de medio segundo, o sea que el edificio recorre tres ciclos completos de vibración en el mismo tiempo en que el suelo completa un ciclo de vibración. Puede verse que cuando el suelo tiende a moverse más lentamente de lo que lo hace la estructura, la aceleración máxima que experimenta el edificio (el tamaño del pico más grande del movimiento en la azotea del edificio) es semejante a la aceleración máxima del suelo (el tamaño del pico más grande del movimiento en la base del edificio), no hay amplificación notable del movimiento.
Por otro lado, en la figura 21 se muestra el mismo movimiento de suelo en la colonia Roma, pero ahora moviendo la base de un edificio de 12 pisos. En este caso el periodo de vibración característico del edificio es aproximadamente uno y medio segundos, o sea aproximadamente igual al ritmo del suelo. Cuando el periodo del edificio es igual o aproximadamente igual al del suelo, el movimiento del edificio resulta, en la mayoría de los casos, mucho mayor al del suelo, o sea que el edificio amplifica el movimiento del suelo y, por lo tanto, el tamaño de las fuerzas sísmicas se incrementa.
Figura 21. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 12 pisos en la colonia Roma
Por último, en la figura 22 se muestra el mismo movimiento de suelo, pero ahora moviendo la base de un edificio de 20 pisos. En este caso el periodo de vibración característico del edificio es aproximadamente dos y medio segundos mientras que el del suelo es de uno y medio segundos, o sea que el edificio se mueve más lento de lo que lo hace el suelo. Puede verse que en este caso el movimiento del edificio es aproximadamente igual, o puede resultar un poco menor al movimiento del suelo.
Figura 22. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 20 pisos en la colonia Roma
6. ¿Por qué se dañan las edificaciones?
De los párrafos anteriores sabemos que el comportamiento de las estructuras depende de varios factores (aceleraciones máximas del terreno, periodo dominante del movimiento del suelo y del periodo de vibrar característico o fundamental del edificio), pero ¿qué es lo que hace que los edificios sufran daños durante un sismo? La respuesta a esta pregunta se contestará muy brevemente de la siguiente forma.
Se entiende que con algún procedimiento se puede llegar a medir o determinar el valor de la aceleración máxima que puede incidir un sismo en el terreno de sustentación de una edificación. Por otro lado, a partir de esos valores de aceleraciones del terreno se puede llegar a determinar cuáles serían los valores esperados de aceleración en la masa de las edificaciones, lo cual permite determinar el valor de las fuerzas laterales de inercia a las que estaría sujeta la estructura durante la incidencia del movimiento generado por un sismo. Entonces, al conocer el valor de las acciones que estarían actuando en la estructura, y si por un principio de la física básica se sabe que ante cualquier acción afectando un cuerpo, por equilibrio, corresponderá una reacción de igual valor y de sentido contrario. En el caso de las edificaciones se puede decir que la reacción será la
resistencia de los diferentes elementos estructurales (muros, columnas, trabes, losas, elementos de cimentación, etc.), de modo que si se logra que las resistencias de los elementos sean mayores que las acciones, o fuerzas que provoca el sismo en ellos, no debería presentarse daño mayor y, desde luego, no se presentaría la falla total. Si esta resistencia resulta menor, será muy probable que la estructura sufra daño.
En este sentido los reglamentos de construcción cobran vital importancia, ¿por qué?, pues porque éstos son los documentos en los que se indican, entre muchas otras cosas, dos aspectos básicos: (1) Cual es el nivel de aceleración (fuerza) máxima que se puede esperar ocurra en un edificio provocada por las características de todos los sismos posibles de la región; y, (2) Se establecen los procedimientos para poder determinar las dimensiones y características de los elementos que componen la estructura de una edificación, de modo que pueda tener una resistencia mayor, o al menos igual, al valor de la fuerza que le provoque la incidencia del sismo, de manera que no se presente su falla total, se presente la menor cantidad de pérdidas materiales y definitivamente ninguna pérdida de vidas humanas.
Lo expresado en los párrafos anteriores se puede resumir en lo que se puede decir se conoce como la filosofía básica para el diseño de estructuras, de cualquier tipo, que consideran los profesionales de la construcción ante la incidencia de las fuerzas generadas por un agente externo, que en este caso se trata del sismo:
RESISTENCIA > ACCIÓN
Dentro de los mecanismos básicos que generan daño en las edificaciones, se mencionarán los dos más sencillos tratando de mostrar algún criterio para identificar cuando un daño se puede considerar de importancia desde el punto de vista de un posible comportamiento anómalo.
Cuando un cuerpo, en este caso los elementos que conforman una estructura, son sometidos a fuerzas externas, presentan principalmente dos tipos de comportamientos: (1) flexión; y, (2) cortante.
El comportamiento de flexión tiene la característica de que los efectos de compresión (aplastar o empujar) y tensión (alargar o jalar) en los materiales se presentan paralelamente dentro del elemento. Una representación gráfica del mecanismo se muestra en la figura 23. En la figura 24 de
Determinación de materiales adecuados y tamaños mínimos de los elementos estructurales para que resulten resistentes
Determinación de las acciones o fuerzas máximas probables que provocaría el sismo más
importante en la zona de interés Comparación
muestran algunas fotografías de elementos con manifestaciones de daño por el mecanismo de flexión. Este tipo de comportamiento generalmente no se manifiesta con fallas abruptas o súbitas, en la mayoría de los casos la falla se presentará después de que los elementos o la misma estructura haya presentado grandes desplazamientos y/o deformaciones; se puede decir que es un fenómeno “que avisa” la ocurrencia de la falla y se denomina dúctil.
El comportamiento de cortante tiene la característica de que los efectos de compresión y tensión en los materiales se presentan casi perpendicularmente uno del otro dentro del elemento. En la figura 25 se presenta una representación gráfica del mecanismo de cortante, y el la figura 26 se muestran fotografías de elementos con manifestaciones de daño por cortante. Contrariamente al fenómeno de flexión, el de cortante se puede manifestar con fallas súbitas y, por lo tanto, se constituye en un proceso de falla que “no avisa”, denominándose de tipo frágil.
Figura 23. Representación gráfica de daño por efectos de flexión (generalmente denominado como un fenómeno dúctil)
Figura 24 Algunos ejemplos de daños en elementos estructurales generados por el fenómeno de la flexión, todos son denominados como comportamientos dúctiles
Patrón de agrietamiento típico en losas de concreto Agrietamiento y comportamiento de columnas dominado por flexión
Agrietamiento y comportamiento de trabes dominado por flexión
Agrietamiento y comportamiento de trabes dominado por flexión
Movimiento y aceleración del terreno
Fuerza lateral (de inercia) generada en la masa de la estructura En este extremo se tienden a “jalar” las partículas de los materiales, a este efecto se le llama tensión en el material En este extremo se tienden a “empujar” las partículas de los materiales, a este efecto se le llama compresión en el material Se presentan grietas o fracturas en los materiales Se presenta aplastamiento o pandeo en los materiales
Figura 25. Representación gráfica de daño por efectos de cortante (nótese que son grietas relativamente diagonales, generalmente denominado como un fenómeno frágil)
Figura 26 Algunos ejemplos de daños en elementos estructurales generados por el fenómeno de cortante, todos son denominados como comportamientos frágiles (todos los casos son severos)
Patrón de agrietamiento típico por cortante en trabes de concreto
Patrón de agrietamiento típico por cortante en muros de mampostería de vivienda
Patrón de agrietamiento típico por cortante en muros de mampostería de edificación de concreto
Patrón de agrietamiento típico por cortante en columnas de concreto de edificaciones del sector salud y educación Movimiento y aceleración
del terreno
Fuerza lateral (de inercia) generada en la masa de la estructura
En esta diagonal se tienden a “jalar” las partículas de los materiales, se le llama diagonal en tensión En esta diagonal se tienden a “empujar” las partículas de los materiales, se le llama diagonal en compresión Se presentan grietas o fracturas en los materiales Se presenta aplastamiento o pandeo en los materiales
a) Definición de daño o falla dúctil y daño o falla frágil
Desde el punto de vista de los profesionales de la construcción, para el diseño de las estructuras se tienen los siguientes criterios: (1) Una edificación vital para la sociedad, como son por ejemplo los hospitales generales y de especialidades, así como las escuelas y edificios gubernamentales importantes, no deberá presentar daño estructural aún durante el sismo más extraordinario que se pueda esperar en la región; (2) Se acepta que cualquier otro tipo de edificación, incluyendo aquellas destinadas para vivienda, presente cierto nivel de daño ante la incidencia del sismo máximo esperado, sin que se llegue a la falla total, de manera que la estructura pueda ser reparada y reforzada. Los criterios mencionados están contemplados dentro de los reglamentos, normas y códigos de construcción vigentes en la mayoría de los países y, desde luego, el nuestro no es la excepción.
Una forma de alcanzar lo indicado en el párrafo anterior es logrando que el comportamiento de los elementos estructurales sea predominantemente dúctil y se trate de evitar la aparición de los comportamientos frágiles. En este sentido resulta útil y necesario indicar en qué consiste cada uno de los diferentes tipos de comportamiento: (1) el comportamiento dúctil es aquel que manifiestan elementos estructurales cuando, aun después de presentar daño y seguir deformándose, mantienen su capacidad de soportar carga; la figura 28 es una ejemplo claro de este tipo de comportamiento; (2) el comportamiento frágil, contrariamente al dúctil, es aquel en el que los elementos presentan reducción o degradación en su capacidad de soportar carga después de haber sido dañados.
Desplazamiento
Carga lateral Carga permanente Desplazamiento (mm)
Gran capacidad para soportar fuerza después de alcanzar la resistencia máxima C a rga la te ra l(KN) Ejemplo de comportamiento dúctil Desplazamiento (mm)
Poca capacidad para soportar fuerza después de alcanzar la resistencia máxima C a rga la te ra l(KN) Ejemplo de comportamiento frágil
Figura 27 Diferenciación entre comportamiento dúctil y frágil en una estructura con cargas verticales permanentes y laterales del tipo sísmico
b) ¿Cómo identificar el nivel de daño que tenga un elemento estructural?
Cuando una edificación tiende a presentar un comportamiento considerado como anómalo, resulta necesario identificar las características o tipo de mecanismo que generó dicho comportamiento o el daño, por ejemplo los mecanismos de flexión y cortante. Además, será importante saber y determinar si el daño pone en riesgo la estabilidad de la estructura y, por lo tanto, de la edificación. Para la mayoría de los materiales empleados en las edificaciones la forma de identificar un posible comportamiento anómalo de las mismas parte de la presencia de agrietamiento, deformaciones locales o desplazamientos de la estructura. En relación con la aparición de agrietamientos deberá diferenciarse, sobre todo cuando se emplean materiales pétreos como las mamposterías y los concretos, entre los agrietamientos por variaciones de temperatura y los agrietamientos por trabajo estructural propiamente dicho, éstos últimos agrietamientos que han sido ejemplificados en párrafos anteriores. Por otro lado, los desplazamientos en las edificaciones, o en sus componentes, generalmente estarán asociados con insuficiencia en el tamaño del elemento estructural y no necesariamente con una insuficiencia en la resistencia, el ejemplo más común y claro es el de las losas de pisos y techos, las cuales en algunas ocasiones pueden presentar desplazamientos verticales grandes, generando que “la losa se cuelgue”; aspecto que resulta inadecuado desde el punto de vista de la funcionalidad del edificio y de la sensibilidad del usuario, pero en la mayoría de los casos no pone en riesgo la estabilidad de la estructura.
Entonces, surge un sinnúmero de preguntas, de las cuales podemos tomar algunas de ellas como: ¿todas las grietas en las edificaciones son peligrosas? y ¿todas las deformaciones en las edificaciones son peligrosas?, de las cuales la respuesta es: no necesariamente. Con el propósito de que nosotros, usuarios de edificaciones como nuestro hogar o nuestro centro de trabajo, podamos identificar el nivel de peligro que se tendría en una edificación con algún síntoma de anomalía, en la tabla 1 se presentan algunos aspectos que durante los años se han podido establecer para identificar y, de manera aproximada, determinar el nivel de daño que tendrían los diferentes elementos estructurales que conforman a las edificaciones.
Niveles de daño en los elementos estructurales
Tomando en cuenta las definiciones de los mecanismos de flexión y cortante mencionados en párrafos anteriores, en la tabla 1 se indican los valores de algunos de los fenómenos, efectos o mecanismos (agrietamiento, deformación, etc.) que se pueden identificar a simple vista y el nivel de daño asociado.
Tabla 1 Valores de los diferentes efectos en un elemento estructural, asociado a un nivel de daño
Nivel de daño Características observables
Considerando la estructura en su conjunto
Muy severo Derrumbe total o parcial de la edificación, edificación separada con respecto a su cimentación o falla de ésta. Hundimientos generados por sismo o por fenómeno de hundimiento regional
Severo La edificación o cualquiera de sus entrepisos se encuentra apreciablemente inclinada Medio Daño importante en elementos estructurales (columnas, trabes, muros, losas, etc.) Medio bajo Daño severo en muros no estructurales, escaleras o cubos de ascensores Ligero Elementos de fachada, vidrios, chimeneas u otros elementos en peligro de caer
Considerando a los elementos estructurales de manera aislada Estructuras de concreto reforzado
Muy severo Barras de refuerzo pandeadas, agrietamiento del concreto en la parte interior del elemento estructural, aplastamiento del concreto, asentamiento o inclinación de los sistemas de piso
Severo Agrietamiento apreciable del concreto. Pérdida del concreto de la parte exterior del elemento estructural y se pueden observar las barras de refuerzo
Medio Agrietamiento local del concreto en la parte exterior del elemento estructural, presentando grietas con ancho entre 1 y 2 mm
Medio bajo Grietas claramente visibles sobre la superficie de concreto, presentando grietas con ancho entre 0.2 y 1 mm
Ligero Grietas pequeñas pero visibles sobre la superficie de concreto, presentando grietas con ancho menor de 0.2 mm
Estructuras de acero
Muy severo En vigas o columnas que forman parte de marcos: pandeo local, fractura o alguna evidencia de daños en cualquier sección del elemento estructural.
En las uniones entre columnas y vigas: pandeo local, fractura o alguna evidencia de daños, fractura de soldadura, tornillos o remaches faltantes o con algún tipo de daño. Pandeo o fractura de elementos diagonales de contraventeo
Severo En vigas o columnas que forman parte de los marcos: pandeo local, fractura o alguna evidencia de daños en cualquier sección extremo del elemento estructural
Medio Elementos con deformaciones ligeramente superiores a las normales
Medio bajo Elementos con deformaciones dentro de las tolerancias que establecen las normas para fabricación y montaje de estructuras de acero
Ligero Sin defectos visibles
Estructuras de mampostería Muy severo Desprendimiento de partes de piezas.
Aplastamiento local de la mampostería.
Prolongación del agrietamiento diagonal en los castillos o en las dalas (mostrando ancho de grietas mayores a 1 mm).
Agrietamiento diagonal en muros sin castillos y dalas.
Deformación, inclinación horizontal o vertical apreciable del muro
Severo Agrietamiento diagonal en muros confinados con castillos y dalas, o en muros de relleno ligados a marcos de concreto reforzado (presentando anchos de grietas mayores a 3 mm).
Inicio de la formación de agrietamiento diagonal en muros sin castillos y dalas Medio Inicio de la formación de agrietamiento diagonal en muros confinados con castillos y
dalas. Grietas considerablemente grandes en la superficie del muro (presentando anchos entre 1 y 3 mm)
Medio bajo Grietas claramente visibles sobre la superficie del muro (presentando grietas con anchos entre 0.2 y 1.0 mm)
Ligero Grietas pequeñas, difícilmente visibles sobre la superficie del muro. Grietas mínimas en castillos y dalas de confinamiento (presentando ancho de grietas menores de 0.2 mm)
Niveles de daño de las edificaciones.
Una vez identificados los diferentes tipos y niveles de daño en los elementos estructurales que conforman una edificación, entonces surge otra pregunta: ¿si tengo algún, o algunos elementos estructurales con daño, la estructura toda tiene el mismo nivel de daño que el determinado para los elementos aislados?, la respuesta no es general, depende del tipo de elemento, de la importancia del mismo dentro de la estructura y, desde luego, del tipo y nivel de daño en dicho elemento aislado. Lo que sí se deberá tener siempre en mente es que los elementos verticales, como los muros y las columnas, generalmente resultan más importantes que las vigas, trabes y losas, ¿Por qué?, porque la estabilidad general de la edificación depende primordialmente de los elementos verticales, y los elementos horizontales tienen una influencia local y generalmente menor. También resulta importante la localización de los elementos dentro de la estructura, así por ejemplo, imaginémonos un par de columnas con daño severo, una de ellas está en el primer nivel o planta baja, y la otra está en el último nivel; desde luego que la falla de la columna que está en el primer nivel tendrá una repercusión mayor sobre la estabilidad global de la estructura que la posible falla de la columna del último nivel, la cual podría tener una influencia únicamente en la zona de la azotea.
Determinar el nivel de daño de toda la edificación no es una labor trivial y sencilla, para estos casos resultará necesario contar con el apoyo de un profesional de la ingeniería estructural, quién a partir de la información de las características y nivel de daño de los diferentes elementos estructurales podrá determinar, siempre de manera aproximada, el nivel de seguridad que presenta la edificación en su conjunto.
7. Estudios del comportamiento de las edificaciones sujetas al efecto de sismos
El Ser Humano se caracteriza respecto de los demás animales por su necesidad de saber el origen de las cosas y los fenómenos que lo rodean; en el caso del sismo y del efecto de éste en las estructuras de las edificaciones, actualmente es el profesional de la ingeniería estructural el que se encarga de desarrollar los diferentes tipos de estudios que permiten tratar de entender el comportamiento de las edificaciones ante cualquier tipo de excitación externa, en el caso que interesa a este documento, ante el efecto del sismo.
Dentro de los diferentes procedimientos que ha empleado el profesional de la ingeniería estructural para el estudio y posible entendimiento del comportamiento de las estructuras, se pueden mencionar de manera resumida a los siguientes:
Estudios analíticos.- Son aquellos desarrollados usando procedimientos teóricos, ya sea de forma manual o con la ayuda, cada vez más frecuente, de las computadoras. En este tipo de estudios siempre se parte del planteamiento de un modelo que trate de representar de la manera mejor aproximada el comportamiento del material, elemento estructural y/o sistema estructural en
estudio, un ejemplo de un modelo, en este caso de una edificación de varios niveles a base de marcos, se muestra en la figura 28. Para poder lograr una buena aproximación en los resultados de este tipo de estudios se requiere de información para el adecuado planteamiento del modelo de estudio, dicha información se logra generalmente a partir de estudios experimentales en laboratorios, estudios experimentales en mesa vibradora y estudios o visitas a sitios afectados por sismos, de los cuales se comenta enseguida.
Estudios experimentales en laboratorios.- Para definir de manera segura y controlada, entre otras cosas, si una estructura alcanza a ser dañada ante diferentes tipos de fuerzas externas, y además se desea conocer el nivel de daño que presenta y, conjuntamente, poder determinar la repercusión del mismo en la estabilidad global de las edificaciones, se desarrollan los trabajos experimentales en laboratorios creados ex profeso. A los laboratorios destinados a este tipo de estudios se les denomina laboratorios de estructuras grandes y, para el caso del sismo, el tipo de pruebas que se desarrollan en ellos se logran por medio de la aplicación de una carga o fuerza en algunos puntos predeterminados, fuerzas que se consideran equivalentes a las fuerzas de inercia que la aceleración del sismo incidente genera en las masas de la estructura. Las pruebas en estos estudios no son dinámicas, son básicamente estáticas, es decir, la carga se aplica y mantiene en el modelo durante lapsos relativamente largos de tiempo. Así, por ejemplo, si la fase intensa de un sismo tiene una duración de 15 segundos, la representación del efecto del sismo en un modelo estructural dentro de un laboratorio de estructuras se puede desarrollar en un periodo de 8 horas. El estudiar el efecto que pudiera generar un sismo en una edificación “alargando” artificialmente el tiempo de duración de un sismo en particular, permitirá que el estudioso del tema observe claramente el proceso de daño de la estructura e identifique los mecanismos de resistencia dominantes. Es necesario hacer mención al hecho de que en los laboratorios de estructuras grandes se cuenta con una losa y un muro de reacción, los cuales son considerablemente más rígidos y resistentes que la mayoría de los modelos que se colocarán sobre ellos para prueba; generalmente los modelos a probar se fijan en el piso de reacción y se les aplica una carga por medio de gatos que a su vez se fijan en el muro de reacción, de modo que en los estudios realizados en este tipo de laboratorios no se mueve la base de la estructura, simplemente se aplica una fuerza simulando el efecto del sismo. Existen una gran cantidad de laboratorios de este tipo en el mundo, uno de ellos, de gran envergadura por cierto, es el laboratorio de estructuras grandes del CENAPRED, en el cual se tienen un muro y una losa de reacción, sobre los que se fijan los modelos a probar, así como los diferentes dispositivos con los que se aplicarán las fuerzas laterales con las que se simula el efecto del sismo; una fotografía de este laboratorio con un modelo de prueba se muestra en la figura 29. En los laboratorios de estructuras grandes se pueden llegar a probar modelos de edificaciones a escala real y de varios pisos.
Figura 28 Ejemplo de modelo de una edificación para un estudio analítico
Figura 29 Vista general del laboratorio de estructuras grandes del CENAPRED
Estudios experimentales en mesa vibradora.- A diferencia de los laboratorios denominados de estructuras grandes, en los laboratorios en los que se cuenta con un dispositivo denominado “mesa vibradora” se pueden realizar pruebas para estudiar el comportamiento y modo de falla de estructuras sujetas a movimiento acelerado de la base, que en este caso es la mesa vibradora misma. Estos dispositivos son tarimas de material metálico con preparaciones para poder fijar modelos de edificaciones. Una vez fijado un modelo sobre la mesa, a esta se le aplica un movimiento similar al de un sismo con las mismas características que manifestó el sismo en la base del sitio donde se registró. Las pruebas realizadas en mesa vibradora se pueden considerar como lo más cercano a la realidad en cuanto al estudio del comportamiento de las edificaciones sujetas al efecto de un sismo, entonces se preguntarán: ¿Por qué no hay muchas mesas
超高層ビ ル
超高層ビ ル
3次元CADデータ Modelo tridimensional del edificio en computadora超高層ビ ル
超高層ビ ル
3次元CADデータ
Detalle de los elementos, trabes, columnas y losas del modelo tridimensional del edificio en computadora
Muro de reacción
Piso de reacción
Modelo estructural
