Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
/ CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN El enonne desarrollo que logró la humanidad en el siglo XX generó el surgimiento de grandes concentraciones de población y recursos económicos en las ciudades, muchas de las cuales al inicio del siglo XXI superaron los diez millones de habitantes, conformando gigantescos aglomerados al unirse ciudades menores en las modernas zonas metropolitanas.Grandes ciudades, industria, comercio, actividades culturales y comerciales, se combinan para que el hombre necesite cada día nuevos recursos de la naturaleza. La demanda de alimentos requiere adecuar tierras para producirlos. La industrialización exige energía en forma insaciable y los medios de comunicación masivos difunden comodidades que a principios del siglo recientemente tenninado ni siquiera se soñaban. El siglo XXI impondrá nuevas realidades con profundos cambios que ojalá se den en beneficio de todos los habitantes del planeta. Sin embargo, la naturaleza mantendrá un comportamiento similar a aquel que le corresponde si alguien la observa en el largo plazo; por lo tanto, seguirá generando graves catástrofes y el dominio de las fuerzas internas de la Tierra probablemente seguirá siendo un imposible práctico para el hombre hasta muy avanzado el milenio. La gran demanda de servicios que representan las tendencias antes enunciadas, implica mayores obras que de manera permanente obligan a concentrar ingentes inversiones económicas en áreas muy pequeñas o en ciudades muy populosas. De las concentraciones de población y de inversiones en industrias y servicios, se deduce que de producirse un intenso sismo las pérdidas en vidas y dinero pueden ser incalculables, y lo peor del caso, con tendencia a aumentar con el correr del tiempo si las autoridades y los ciudadanos no aprenden a convivir de manera racional con los riesgos de la naturaleza, entre los cuales los sismos ocupan un lugar prominente. Es necesario prevenir, en lo posible, los efectos de estas catástrofes, mediante Ja construcción de obras que resistan aceptablemente bien los sismos muy intensos reduciendo a un mínimo razonable los daños y que soporten sin mayores efectos los menos intensos que ocurren más frecuentemente. Para esto, es necesario que los 1 Capítulo 1, Introducción ingenieros a cargo del planeamiento y diseño de las obras sean conscientes del efecto que el fenómeno sísmico puede implicar sobre su proyecto y de Ja vulnerabilidad a los efectos sísmicos de obras ya construidas, o por construirse. 1.1 EL FENÓMENO SÍSMICO Y LAS CONSTRUCCIONES Los sismos son movimientos súbitos que ocurren como consecuencia de una ruptura del equilibrio de la litósfera terrestre en Ja cual se ha acumulado energía elástica debido a Jos lentos desplazamientos de la parte sólida del planeta. Estas rupturas liberan enormes cantidades de energía en unas cuantas decenas de segundo, mientras que para acumularse fue necesario un tiempo varios órdenes de magnitud superior. Existe una notable diferencia entre el tiempo de acumulación y el de Ja liberación de la energía y en parte esto genera las graves consecuencias de los sismos. En la ingeniería internacional es necesario que los científicos e ingenieros hablen lenguajes que les permita entenderse. Las unidades deben ser consistentes y los fenómenos naturales deben describirse de tal manera que todos Jos interesados se acojan al método científico que en la actualidad garantiza la persistencia de aquello que es correctamente analizado y evaluado. Esto obliga a estudiar características de Jos sismos que permiten compararlos entre sí. Surgen entonces necesidades de familiarización de los ingenieros con conceptos sismológicos y geológicos. La energía liberada en la ruptura debe disiparse para que el medio regrese a una situación de equilibrio. Se genera así un proceso oscilatorio debido a Ja interacción entre las energías potencial y cinética del medio sólido perturbado. El proceso oscilatorio se aleja desde Ja ruptura propagándose en tres dimensiones dentro de Ja Tierra, Jo cual ha permitido analizar de manera indirecta las características fisicas y geométricas del interior del planeta. Las perturbaciones propagadas son representadas analíticamente mediante los conceptos de ondas de esfuerzo. En su propagación, las oscilaciones sísmicas son afectadas por atenuación mecánica y geométrica y fenómenos de reflexión, refracción y difracción que obedecen a leyes similares a las manejadas por Ja óptica geométrica, aunque con particularidades que imponen complicaciones de orden analítico. La atenuación geométrica involucra el cambio de intensidad energética (energía por unidad de área) en términos de una potencia de Ja distancia a Ja fuente. La atenuación mecánica se deriva de Ja fricción intergranular del material oscilante. Esta fricción esta condicionada por Ja frecuencia y la amplitud de las oscilaciones. Las oscilaciones sísmicas se desplazan con velocidades variables que dependen de la rigidez del medio de propagación Ja cual varía con la profundidad en el mismo material. La propagación de las oscilaciones se realiza con trayectorias curvas que finalmente alcanzan la superficie terrestre dando origen al sacudimiento del suelo; este a su vez mueve las edificaciones que reposan sobre o dentro de él. La intensidad de las oscilaciones que localmente sacuden las construcciones depende de las características frecuenciales de las ondas sísmicas y de las del suelo y de la construcción misma. Las características dinámicas del suelo están condicionadas por su rigidez y amortiguamiento, las cuales dependen de la amplitud de las perturbaciones sísmicas que lo sacuden. A mayor deformación impuesta por la oscilación sísmica mayor amortiguamiento y menor rigidez del suelo. Esta complicada dependencia hace casi 2 Capítulo 1, Introducción ineludible que en la dinámica de suelos haya que acudir con frecuencia a la propagación de oscilaciones en el dominio del tiempo. Las construcciones obedecen a diseños que les imponen una rigidez determinada que combinada con su masa conduce a los períodos de vibración natural. Los materiales de construcción tienen comportamiento de esfuerzo contra deformación lineal para deformaciones pequeñas y no lineales para deformaciones que superan límites propios de cada uno. La no linealidad incide sobre la rigidez y guarda directa relación con el amortiguamiento de la construcción que desempeña un preponderante papel en la amplitud de las oscilaciones derivadas de los sacudimientos sísmicos. El comportamiento de las construcciones sacudidas por sismos intensos, debe ser tal que se acoja a sanos principios de seguridad, funcionalidad y economía. Esto implica que no resulta apropiado el diseño de una construcción que aunque no se derrumbe frente al sismo para el cual se supone obedeció su diseño, si al final los daños producidos por este son tales que el capital invertido se pierde en buena parte al tener que dinamitar la construcción que ha desarrollado deformaciones residuales intolerables. Pero los sismos generan problemas no solo para las construcciones convencionales, comúnmente denominadas edificios, sino sobre las obras de infraestructura como carreteras, puentes, centrales y subestaciones eléctricas. También producen deformaciones residuales muy grandes cuando suelos granulares saturados y poco compactos sufren fenómenos de licuación. Además, las intensas oscilaciones sísmicas producen deslizamientos de laderas y fallas de terraplenes inadecuados para resistirlas sin daño. Todo lo descrito indica que las construcciones pueden resultar vulnerables frente a la acción de los sismos intensos. Por lo tanto, la sociedad debe protegerse analizando las características sísmicas regionales y locales para diseñar y construir edificaciones que resistan los sacudimientos impuestos. 1.2 INGENIERÍA SÍSMICA Y SU IMPORTANCIA EN ALGUNAS REGIONES DEL PLANETA La ingeniería sísmica es la combinación de una seriede leyes naturales y conceptos y principios que considerados de manera integrada permiten el diseño y ejecución de una construcción capaz de resistir los efectos de los terremotos razonablemente más fuertes que se pudieran presentar en el futuro en la localidad. A la frase "razonablemente más fuertes" se le quiere dar el significado fundamental siguiente: siempre existe la posibilidad de un cataclismo que saliéndose de la experiencia tradicional arrase con todo. No está conformada la ingeniería sísmica por un examen de la sismología en sus componentes regionales o locales ni por el análisis de la respuesta ante las cargas sísmicas, ni por el estudio de la respuesta sísmica del subsuelo: es todo esto combinado y mucho más. La sismología, la dinámica de estructuras y de suelos, el diseño estructural y las propiedades dinámicas lineales y no lineales, hacen parte de la ingeniería sísmica. De la concepción presentada se deduce que la ingeniería sísmica es una especialidad de la ingeniería civil moderna, puesto que el objetivo final de ésta es la construcción y la ingeniería sísmica debe estudiar y evaluar el efecto integral de los sismos sobre las construcciones. 3 Capítulo /, Introducción La ingeniería sísmica es un área relativamente reciente de la ingeniería relacionada con la construcción de obras civiles, cuya estructuración y mayoría de edad se establecieron en la década 1960-1970. Las bases sismológicas y de la mecánica de los materiales son más antiguas; sin embargo, su adaptación a las necesidades del problema sísmico sobre las obras civiles ha requerido nuevas opciones y mejoras, o a veces la revisión de antiguos conceptos. La descripción presentada muestra que el autor no entiende la ingeniería sísmica como una parte de la dinámica de las estructuras o de suelos, ni mucho menos como parte de la sismología analítica u observacional. Por el contrario, la ingeniería sísmica se conforma o se apoya sobre las disciplinas mencionadas y la colaboración también importante de otras partes de la ciencia y la ingeniería. Aquellos que en el pasado han tenido la oportunidad de observar los daños producidos por un sismo intenso, han encontrado daños de diferentes tipo, por ejemplo, asentamientos en terraplenes de materiales granulares y taludes que se deslizan produciendo destrucción y muerte. Estas personas han detectado construcciones que se hunden, muros que se fisuran y viviendas u otras edificaciones que simplemente se desploman, enterrando a sus moradores y cubren de residuos las calles por las cuales deben pasar las comisiones de auxilio y rescate, complicándolas y a veces imposibilitándolas. También se han observado puentes que han fallado porque la sujeción lateral de la superestructura es inapropiada o porque las pilas y los estribos se derrumbaron por efectos del sacudimiento o por la pérdida de soporte de la cimentación. Los sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica han visto destruidas sus subestaciones en varias oportunidades. También se han reportado graves daños a la mercancía y bienes perecederos en los almacenes y depósitos, al tiempo que han demolido monumentos históricos irreparables. La ingeniería sísmica debe encontrar la manera de reducir las vulnerabilidades anotadas. Las características de los suelos de cimentación han desempeñado a menudo el papel más importante en la estabilidad de una construcción. Si éstos son granulares, poco compactos y están saturados, los fenómenos de licuación implican una posibilidad de alto riesgo frente a la acción de las ondas de esfuerzo que se propagan por la tierra como consecuencia de la ocurrencia de un sismo de cierta importancia. Hay aquí una interacción clara entre las propiedades ondulatorias y las del terreno de cimentación, que pueden representar la vida o la muerte de los ocupantes de una edificación, o por lo menos la destrucción o deterioro de la propiedad. En otras ocasiones, suelos arcillosos muy sensibles se han comportado como medios prácticamente líquidos cuando han sido sometidos a la acción de una vibración intensa. La ingeniería sísmica debe integrar la construcción con los suelos de cimentación para reducir los riesgos descritos. En condiciones un poco diferentes, algunos observadores han tenido la oportunidad de contemplar las rupturas en la roca y en el suelo originadas por los grandes sismos. Ha sido afortunado que hasta finales comienzos del siglo XXI estas rupturas no hayan afectado grandes construcciones, por ejemplo una gran presa de concreto, o un gran puente cuyos apoyos se encuentren en cada lado de la falla geológica que se ha desplazado. Es fácil imaginar la catástrofe producida por un gran embalse que se desocupa muy rápidamente por efectos de la falla de la presa que lo ha sostenido. También es fácil imaginar la suerte de aquellos que se encuentren sobre un gran puente, 4 Capítulo 1, Introducción en el cual los estribos de ambos lados del río se han separado lo suficiente como para hacerlo fallar. Condiciones como las anotadas obligan a integrar la sismología con el diseño estructural para reducir los riesgos. Las rupturas del medio, derivadas de la ocurrencia de un gran sismo, tienen particularidades que se asocian a las del sismo que las originó. La magnitud del sismo y la profundidad focal, son dos variables que condicionan la posibilidad de que la ruptura de una falla geológica activa sea evidente en la superficie de la roca viva. Pero además, la posibilidad de que la ruptura que aparece en la roca viva se prolongue hasta la superficie del subsuelo depende del espesor y de las características de deformación del suelo. Nuevamente, aquí se combinan aspectos de la ingeniería civil en su componente · geotécnica con otros específicamente sismológicos. Es mucho lo que en la actualidad se conoce sobre los sismos, aunque es más lo que no se conoce. Las ciencias naturales y las matemáticas han permitido obtener modelos que predicen de una manera aceptable lo que sucedería en determinada localidad, si se produjera la ruptura de una falla geológica. Estos estudios demuestran la importancia de la distancia en términos de los efectos de la perturbación inicial. También se ha aprendido que el efecto no es el mismo para una construcción dada, si está cimentada sobre terreno firme que si lo está sobre terreno blando. Esta realidad obliga a instalar instrumentos y analizar los registros, para dar bases sólidas a los diseños de las construcciones mediante normativas y prescripciones apropiadas. Surge así una relación muy cercana entre componentes socio-económicos y técnicos. Mucho ha aprendido el hombre sobre el comportamiento y diseño de construcciones sometidas a violentos sacudimientos derivados de la acción de un sismo intenso. Las construcciones de concreto reforzado tienen sus particularidades frente a las fuerzas inerciales alternantes de un sismo, como también las tienen las de acero o las de mampostería. Las construcciones de tierra o materiales pétreos tienen comportamientos particulares, probablemente más inciertos que los de otros materiales de construcción. En la actualidad, resulta indiscutible la importancia del comportamiento inelástico de las construcciones durante los sacudimientos sísmicos. Esta característica representa la capacidad de supervivencia de una construcción frente a la acción de terremotos intensos. Para lograr un buen comportamiento inelástico, el diseño estructural debe cumplir una serie de requisitos mínimos, que se han logrado establecer a partir de la buena respuesta pasada de ciertas construcciones, con la contribución de amplios programas de investigación experimental y analítica. Más reciente es la creciente preocupación de la comunidad internacional por lograr establecer un correcto balance entre la capacidad de supervivencia de una construcción así sea con graves daños y un comportamiento con daños menores, para sismos frecuentes o no tan intensoscomo el máximo creíble. En este balance, la correcta aplicación de conceptos que integren la rigidez, la resistencia y la deformación, desempeña el papel principal, con implicaciones en la forma de enseñar al futuro ingeniero la teoría estructural, en la cual hasta la fecha el mayor énfasis se concentra, infortunadamente, en las destrezas más que en la concepción y correcto enfoque del problema. El comportamiento de las construcciones frente a la acción de las cargas sísmicas, corresponde a un estado dinámico que introduce fuerzas de inercia de tipo alternante. 5 Capítulo 1, Introducción Estas fuerzas estimulan deformaciones en cualquier dirección; de allí que el sistema resistente resulte operando de manera tridimensional. Por esta razón, Ja dinámica de estructuras se convierte en una ciencia fundamental dentro de la ingeniería sísmica, pero por si misma resulta insuficiente para estimar qué Je puede suceder a la edificación, puesto que la respuesta de esta depende no sólo de las propiedades de Ja construcción sino también de las del sismo y del subsuelo. Naturalmente tan complicada interacción requiere elementos de juicio particulares. Las variadas características mencionadas, han obligado al estudio integrado de los sismos a la luz de los efectos sobre las construcciones. El ingeniero a cargo de sus proyectos y diseños, debe intercambiar opiniones con sismólogos y geólogos. Estas tres disciplinas interactúan de una manera cercana en Ja evaluación de Ja potencialidad de daño o del riesgo introducido por un posible sismo futuro. El ingeniero debe conocer Jos aspectos fundamentales sobre temas tales como dónde y porqué ocurren los sismos y que sucede con Ja energía liberada a medida que se propaga por Ja Tierra. Al ingeniero que trabaja en estas disciplinas Je deben ser familiares Jos temas relacionados con Ja respuesta sísmica del suelo y de Ja construcción. Todo esto entra en juego para lograr comprender determinados efectos. Allí está la importancia de Ja ingeniería sísmica. Esta ha nacido como consecuencia de una necesidad sentida por los ingenieros que habitan las zonas de alta actividad sísmica. Es apenas natural que donde hay terremotos Ja ingeniería sísmica no desempeña un papel importante en las construcciones. Diferentes profesionales necesitan diversos conocimientos de ingeniería sísmica. El especialista tiene que ver con los métodos específicos para resolver un determinado problema, mientras que el funcionario público o privado a cargo de Ja concepción general de Jos proyectos requiere elementos de juicio para identificar el problema sísmico y decidir si aquello que le ofrecen para analizarlo parece razonable, o si por el contrario corresponde a una propuesta hecha por alguien no conocedor del tema. 1.3 OBJETO Y ALCANCE DEL LIBRO La variedad de situaciones en que puede estar construida una edificación para beneficio del hombre, y Ja multiplicidad de ingenieros, sismólogos y geólogos que en algún momento de su vida tengan que ver con los efectos de las construcciones sobre las actividades humanas, han dado las pautas para el contenido de este libro. El libro aspira a transmitir a funcionarios públicos o privados a cargo de Ja administración de proyectos técnicos, algunas nociones que Je permitan identificar aquellos bajo su jurisdicción en Jos que el problema sísmico es una realidad. Se aspira a presentar al ingeniero especialista en dinámica de estructuras o dinámica de suelos, Jos aspectos que Je permitan generalizar el problema de Ja respuesta sísmica de las obras que son el objeto de su especialidad. El contenido de Ja publicación puede servir a sismólogos y geólogos para que midan Ja importancia de las aplicaciones de sus respectivas ciencias como benefactoras de la comunidad. Dentro de Ja misma línea de deseos del autor, se aspira a que el ingeniero de diseño penetre más profundamente en el comportamiento de los sistemas estructurales sometidos al efecto de sismos de alta intensidad. Por último, a través del libro, el autor aspira a que el lector pueda desarrollar Jos elementos de juicio que le permitan analizar las limitaciones de la teoría y las razones en las cuales se apoyan las normativas de construcción sismo resistente. 6 Capítulo 1, Introducción Organizar una publicación que sirva de orientación a los ingenieros que practican diferentes especialidades y que resulte adecuada como texto de un curso sobre el tema de interés, no deja de ser una labor en la cual es fácil que su autor sufra decepciones. Si esto se plantea en el campo de la ingeniería sísmica donde participa una variada gama de temas relacionados entre sí, puede ser más dificil o más sencillo según se mire. Más dificil, si se pretende llegar al estado del arte en el tema por la celeridad de la evolución en algunos conceptos; al aparecer una publicación ya pueden existir elementos adicionales de interés para los potenciales usuarios de la publicación. El libro se concentra sobre algunos conceptos firmemente cimentados y no busca presentar el estado del arte, que es volátil y a menudo inaplicable para casos prácticos debido a que no ha sido suficientemente comprobado, tampoco intenta mostrar diferentes versiones sobre un determinado problema. Esta publicación aborda conceptos generales aplicables a estimaciones preliminares para el análisis o diseño de obras de ingeniería civil, pero también contiene material apropiado para orientar al usuario en el diseño definitivo de obras civiles. Para ello, el libro se inicia analizando el problema sísmico desde los orígenes de su ocurrencia hasta llegar a tratar las características de sus efectos. Este procedimiento le confiere unidad y coherencia al material presentado. La difusión de la ingeniería sísmica no es una labor sencilla puesto que atañe a muchas personas. Los funcionarios públicos a cargo de la dirección de labores especializadas dentro de un país, los ingenieros consultores, los profesores universitarios y sus estudiantes, pueden requerir determinada información o formación sobre el tema. La formación previa mínima, necesaria para adentrarse en la especialidad, debe cubrir conceptos básicos en ciencias fisicas y matemáticas así como en áreas especializadas de la íngeniería estructural y geotécnica. Un correcto balance entre la formulación matemática siempre necesaria y la concepción puramente fisica con la ingeniería especializada, debe acompañarse de un material con tal contenido práctico,- que oriente en lugar de confundir o complicarle las cosas al lector. No es fácil lograr estas justas y correctas proporciones, hasta el punto de ofrecer un estímulo para quien por alguna razón debe trajinar el tema. El autor ha deseado participar en la labor de difusión de la ingeniería sísmica, con un material que trata de estimular a quienes desean aprender, o interesar más a aquellos que ya iniciados quieran profundizar en el tema. El material presentado es más de tipo fundamental que especifico. Se pretende discutir los conceptos que permiten formular un modelo, en lugar de adentrarse sobre diferentes modelos. Esto ha sido lo más estimulante que el autor ha encontrado en su larga viµculación académica y profesional con la ingeniería sísmica. Por las razones anotadas, no se debe buscar en este libro un recetario de principios y de prolijas soluciones; por el contrario, con frecuencia se plantean dudas sobre aquello que se cree conocer en el momento. En otras ocasiones, se plantean las ideas del autor sobre determinados temas haciendo la salvedad de que esa es simplemente su opinión, que podría resultar incompleta o- aun equivocada. Aunque el número de ejemplos resueltos es muy limitado, es necesario emplear un sistema de unidades consistente. En vista de que a comienzos del siglo XXI muchos ingenieros de la práctica profesional emplean el sistema msk, aunque son conscientes de la necesidad de evolucionar al sistema internacional de unidades SI, casien todos los 7 Capítulo 1, Introducción ejemplos se emplea el sistema SI anotando entre paréntesis la respuesta en el msk. En algunos ejemplos se hace al contrario. El tema de la universalización del sistema SI está lejano mientras la industria de los hidrocarburos no lo adopte. Otro aspecto que se anota es que las cifras se agrupan en enteros y decimales mediante puntos que separan; no se emplean las comas. Por ejemplo: 156.5 o 1.367.356. A los años no se les pone punto y los productos de variables se indican con un punto levantado, por ejemplo x·y. El libro se divide en tres partes. La primera consta de ocho capítulos y cubre un aspecto básico que podría llamarse "ingeniería sismológica" con análisis sobre aspectos de las fuerzas tectónicas, las características de los sismos y las nociones de amenaza, riesgo y predicción. La segunda parte consta de tres capítulos relacionados con la mecánica de materiales aplicada al problema sísmico, cubre aspectos sobre los osciladores de uno y varios grados de libertad, espectros de respuesta y de diseño. La tercera parte consta de dos capítulos y contiene aplicaciones que incluyen comportamiento y diseño sísmico de edificaciones y temas especiales de componentes de la infraestructura sacudidas por sismos intensos. 1 .4 MÁS QUE EJEMPLOS: INQUIETUDES Al final de cada capitulo del libro se incluye un numeral denominado, Más que Ejemplos: Inquietudes. Estos numerales tienen por objeto plantear interrogantes sean de orden práctico o académico, que en muchos casos sirven para mostrarle al lector el carácter interdisciplinario de la ingeniería sísmica el cual obliga a integrar conceptos provenientes de la mecánica estructural y de suelos con el diseño estructural, el comportamiento de los materiales y la sismología. Estos aspectos técnicos y científicos se ponen al servicio de la comunidad a través de los conceptos de seguridad, economía y funcionalidad de la construcción y el bienestar de cada uno de los integrantes de la sociedad. No necesariamente existen respuestas para los interrogantes planteados; en otros casos las respuestas pueden ser discutibles. Muchos de los temas podrían dar origen a ejemplos pero el autor se ha cuidado de proponerlos en esos términos en vista de que si las respuestas no necesariamente son directas o explícitas, podrían inducir a confusión o errores al ser mal interpretadas por un lector que no medite sobre ellas. 8
Compartir