Es muy importante que un ingeniero civil conozca los principios de seguridad contra terremotos. Durante el proceso de diseño, el diseñador debe considerar algunas cosas básicas.
La planificación y el detalle de estructuras para eventos sísmicos es común en la construcción actual. En algunos países que no están cerca del límite de una placa y no tienen un terremoto, se utilizan técnicas detalladas de mitigación de terremotos.
Sin embargo, al diseñar estructuras críticas como presas, edificios altos, etc., es importante considerar que se tiene en cuenta una cierta magnitud de aceleración máxima del suelo (PGA).
En este artículo, nos centramos en los factores que deben considerarse en el diseño sismorresistente, desde la planificación preliminar hasta la finalización del diseño estructural.
Convierta irregular a regular para un mejor rendimiento sísmico
Se recomienda convertir la estructura irregular en estructuras regulares siempre que sea posible.
Esta transformación podría conducir a un comportamiento sencillo de las estructuras y evitar que las vibraciones de torsión se conviertan en vibraciones de salida.
Además, estos tipos de separación se pueden llevar a cabo de acuerdo con las orientaciones de los códigos de práctica pertinentes. En particular, la distancia entre las estructuras durante la separación debe mantenerse dentro de los límites permitidos para evitar la colisión de las piezas.
Distancia suficiente entre estructuras
Los movimientos del suelo mueven el edificio en la dirección de las ondas sísmicas. Esto crea un reflejo del edificio en la parte superior.
La deflexión máxima puede limitarse durante la construcción de acuerdo con los requisitos de uso especificados en las pautas antes mencionadas.
Incluso si estamos dentro de los límites, si dos edificios están cerca uno del otro, hay que comprobar si un terremoto podría provocar que las dos estructuras choquen.
Podríamos calcular la deflexión máxima probable y la distancia requerida debería mantenerse en consecuencia.
Evite los suelos blandos – planta baja
La rigidez lateral de la estructura resiste las cargas sísmicas que actúan sobre una estructura.
La rigidez lateral está garantizada por la estructura de hormigón armado, muros de corte, muros de relleno, etc.
Las variaciones en la rigidez de la estructura en función de la altura (diferentes rigideces en el terreno) influyen en la resiliencia a las cargas laterales del edificio.
Se produce un efecto de historia suave que conduce al fallo de la estructura.
Una planta baja blanda es especialmente importante en los edificios con estructura. Si encima de la planta baja hay muros de relleno, esta parte de la estructura tiene una rigidez transversal muy alta.
Sin embargo, en la planta baja sólo existen apoyos que soportan cargas laterales. Por tanto, el sistema de resistencia a la carga transversal es muy débil.
Si existen muros de corte ya que la estructura tiene capacidad suficiente para soportar las cargas, no se observa la formación de un efecto de piso liso.
También se pueden formar suelos blandos en el suelo sobre la planta baja. Sin embargo, el suelo blando en la planta baja es muy crítico en un edificio con una estructura de armazón fuerte, ya que la fuerza de corte máxima se ejerce en la planta baja.
Proporciona soportes laterales simétricos.
El diseño o planificación geométrica es uno de los factores más importantes a considerar en los principios de diseño sismorresistentes.
El arriostramiento asimétrico da como resultado torsiones excesivas en la estructura porque el centro de rigidez y el centro de gravedad no coinciden o no están cerca uno del otro.
Estas desviaciones provocan fallos estructurales e incluso pueden provocar el colapso de la estructura en caso de terremoto.
En la siguiente figura se muestra el sistema asimétrico de soporte de cargas laterales, que no coincide con el centro de la estructura y la rigidez.
Cuanto mayor sea la distancia entre dos centros, mayor será el movimiento de torsión de la estructura. En los elementos verticales aparecen fuerzas de corte adicionales que es posible que no puedan soportar. Esto puede provocar fallos estructurales.
Por lo tanto, dispondremos los soportes laterales o sistemas de soporte de carga lateral de manera que el centro de gravedad y la rigidez coincidan para evitar/minimizar el movimiento de torsión.
Evite estructuras de soporte con paredes rellenas.
Necesitamos estructuras soportadas para soportar la carga lateral durante un terremoto cuando no hay elementos como muros de corte en el edificio.
Sin embargo, utilizar paredes de ladrillo o paredes de relleno no es una buena opción ya que pueden dañar la estructura que soporta momento. La falla de la estructura puede causar que la estructura colapse.
Por lo tanto, el proyecto debe utilizar detalles constructivos apropiados que permitan el movimiento del marco y no resulten en fallas de los muros de relleno que afecten el marco de concreto.
Se podría hacer una separación entre las estructuras de hormigón como se muestra en el dibujo a continuación.
El relleno entre ladrillo y hormigón se puede realizar de diferentes formas según el proyecto. Podemos rellenar el hueco con un material con la resistencia al fuego requerida. La siguiente imagen muestra un detalle típico que se puede adoptar.
No se permite el uso de poliestireno en lugar de lana de roca ya que es posible que no consigamos conseguir la resistencia al fuego requerida. Sin embargo, en lugares donde tales requisitos no existan, podemos utilizar poliestireno.
Evite columnas cortas
El soporte corto actúa como un elemento rígido que no falla al doblarse. Sin embargo, existe una alta probabilidad de que las columnas cortas fallen por cortante.
Por definición, la altura de una columna corta es relativamente pequeña en comparación con su sección transversal.
Incluso una columna delgada puede convertirse en una columna corta si hay paredes de ladrillo cortas a ambos lados de la columna.
Por tanto, es aconsejable evitar los marcos parcialmente llenos.
Evite bisagras en soportes de acero en estructuras de acero (el principio de diseño más importante para la resistencia a terremotos)
El acero es un material predominantemente sujeto a rotura local. Su fallo se debe principalmente al pandeo de sus componentes.
Además, el acero se utiliza a menudo hasta su límite plástico debido a su rendimiento en la obra. Sin embargo, existe un margen razonable para una mayor deformación del flujo.
Aparte de eso, preferimos la falla de una viga a la falla de una columna. La falla de una viga puede ser localizada, pero si falla una columna, toda la estructura puede colapsar.
Por este motivo preferimos formar los dedos en las vigas antes que en los soportes. Por lo tanto, una conexión rígida en las conexiones viga-columna podría reducir la posibilidad de formación de bisagras en las vigas.
Por lo tanto, se deben utilizar prácticas de detalle adecuadas al diseñar edificios de acero para cargas sísmicas.
Actualmente utilizamos el concepto de columna fuerte y viga débil en el proyecto.
Minimiza el error de columna y por tanto la estructura es segura.
Detalle de refuerzo de vigas y pilares.
La mayoría de las fallas de vigas y columnas ocurren cerca de la conexión viga-columna, donde se desarrollan altas tensiones debido a las cargas cíclicas.
Para mantener el confinamiento del hormigón, se utilizan métodos especiales de detalle de refuerzo.
En el artículo Detalle sísmico de vigas y columnas se podrá obtener más información sobre las medidas de ejecución a adoptar para estos elementos.
El artículo continúa: El diseño basado en el desempeño también puede ser útil para aprender más sobre el diseño basado en la capacidad, que también se considera en el diseño resistente a terremotos.
Además, debemos tener un buen conocimiento de los métodos de falla de columnas al diseñar y detallar este tipo de estructuras.
Detalle de refuerzo de la conexión viga-columna.
Además de las fallas cerca de la conexión viga-columna, las fallas dentro de la conexión provocaron el colapso de la estructura. Esto no se consideró originalmente en los principios de diseño sísmico.
En el pasado, los ingenieros no eran tan conscientes de esto y no prestaban tanta atención a estas áreas como lo hacen hoy.
Sin embargo, más adelante queda claro cómo se debe diseñar en detalle la unión viga-columna.
La falla se debió principalmente a la falta de refuerzo de confinamiento en la conexión.
Necesitamos continuar con las conexiones de cortante de la columna a pesar de la conexión viga-columna.
Con todos los refuerzos de vigas y columnas, este es un trabajo bastante desafiante. Sin embargo, con una planificación adecuada esto no es imposible. 
Incluso si existe tal sobrecarga del refuerzo, las barras de corte de la columna se colocan donde se necesitan.
Sin embargo, dichos detalles de armadura no están permitidos. Esto crea una conexión débil que incluso puede tener panales (cavidades) internos. El hormigón no puede fluir.
Por tanto, se debe prestar especial atención al refuerzo cuando se trata de una estructura dúctil. Un detalle inadecuado puede provocar la pérdida de ductilidad de la estructura.
ductilidad de estructuras
Independientemente de si el edificio es de acero u hormigón, se debe mantener la ductilidad de la estructura. Este es uno de los factores más importantes a considerar junto con otros principios de diseño sísmico.
Las estructuras rígidas son propensas a fallar durante los terremotos porque son menos capaces de disipar la energía de los eventos sísmicos. Sin embargo, si la estructura es dúctil, absorbe energía y puede resistir las fuerzas de un terremoto.
Una estructura dúctil puede absorber energía y deformarse cuando se carga. El tipo de tensión aplicada a la estructura es cíclica y la absorción de esta energía mediante deformación también es ductilidad.
Además, el comportamiento de ductilidad de la estructura permite deformaciones plásticas. La estructura podría alcanzar estados límite como ocupación inmediata, seguridad humana y prevención de colapso dependiendo de la magnitud de la carga. Dependiendo de la categoría de ocupación para la cual debe comportarse la estructura, se crea el proyecto. A esto se le llama diseño basado en el desempeño.
La ductilidad de una estructura se puede aumentar mediante los siguientes métodos – Fuente – Artículo técnico
- Aumentar las ganancias de compresión.
- Aumentar la resistencia a la compresión del hormigón.
- Aumentar el alargamiento a la rotura del hormigón.
La ductilidad de una estructura puede disminuir por las siguientes razones.
- Aumentar las ganancias de voltaje.
- Aumentar el límite elástico del acero.
- Mayor carga axial
Los factores anteriores afectan directamente la ductilidad de la estructura. Estos son principios básicos del diseño sismorresistente que deben tenerse en cuenta durante la planificación de la construcción.
Esperamos que la estructura se deforme y absorba energía sin que se produzca una fractura frágil. Al diseñar, se debe prestar atención a los factores mencionados anteriormente.
No linealidad del material
Al diseñar una estructura de hormigón, asumimos que su comportamiento es en la región lineal y no se tienen en cuenta las propiedades del material en la región no lineal.
Sin embargo, en la construcción sismorresistente intentamos utilizar la resistencia del material tanto como sea posible de acuerdo con los principios de construcción sismorresistente.
Como se explica en el artículo Diseño basado en el rendimiento, existen niveles de ocupación que podemos alcanzar en la región no lineal.
Veamos qué es la no linealidad material usando el concreto como ejemplo.
La figura superior muestra el comportamiento del material y cómo llega a diferentes zonas como endurecimiento lineal, estado final, etc.
Por simplicidad, este comportamiento material se idealiza durante el análisis. Además, este comportamiento del material está representado en el análisis por la bisagra. Representa toda la sección, que incluye tanto el hormigón como la armadura.
Si sólo consideramos el hormigón, su comportamiento se muestra en la siguiente curva. La variación de tensión y deformación se da a continuación.
La combinación de hormigón, acero y propiedades de la sección transversal representa la bisagra que representa el comportamiento respectivo del elemento.
Podemos determinar el estado del material en función del comportamiento de la bisagra. La siguiente curva muestra la fuerza de deformación de la bisagra que representa el elemento.
Además, es importante tener en cuenta que diseñamos la estructura para que se comporte en el rango lineal bajo cargas comunes como peso muerto, cargas de viento, etc. Luego se prueba la misma estructura para detectar cargas sísmicas. Se realizan ajustes a los elementos en función de los niveles de ocupación esperados a los que responderá la estructura.
Uso correcto de la aceleración máxima del suelo (PGA)
La aceleración máxima del suelo es el factor más importante a considerar en el diseño resistente a terremotos.
Además, la predicción de PGA representa uno de los mayores desafíos en la ingeniería sísmica.
En general, existen normas que especifican la aceleración máxima del suelo o los coeficientes de aceleración que se pueden utilizar en el diseño.
En países donde no existen límites de placa o que no están cerca de un límite de placa, se podrán utilizar valores mínimos especificados en la norma correspondiente.
Además, debes prestar atención al período de devolución, que afecta el nivel de la PGA.
Sistemas de absorción de cargas laterales durante terremotos.
Para resistir cargas laterales aplicadas a una estructura se pueden utilizar sistemas tradicionales como pórticos momento, muros de corte, etc.
El artículo Sistema de resistencia a cargas transversales Para obtener más información, consulte esta página.
Existen otras técnicas específicas utilizadas dentro de los principios de diseño sismorresistente para minimizar el impacto de un terremoto en la estructura.
Estos se llaman amortiguadores. Absorben las vibraciones de la estructura y provocan así la disipación de la energía que actúa sobre la estructura.
Se pueden observar los siguientes tipos de amortiguadores.
- Amortiguador de viscosa
- Amortiguadores viscoelásticos
- Amortiguador de fricción
- Amortiguador de vibraciones (amortiguador de vibraciones)
- Amortiguadores compatibles
- Amortiguadores magnéticos
