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  • 1. MECÁNICA DE SUELO LILIAN CONTRERAS – MAEVA VEGA 1.- LA TIERRA Y LOS SISMOS 2.- SUELOS Y SUS CRACTERISRICAS 3.-MECÁNICA DE SUELO 4.-NORMATIVA 5.- ARQUITECTURA SISMORESISTENTE 6.- SEXTA REGION : LIB.B.O´HIGGINS TALLER INTEGRADO CONSTRUCCIÓN E INSTALACIONES
  • 2. LILIAN CONTRERAS – MAEVA VEGA La geósfera corresponde a la porción sólida del planeta y está formada por tres grandes zonas que son: Corteza terrestre: porción en la cual se encuentra un lecho rocoso y duro, constituido por distintos tipos de rocas. Su espesor varía entre 6 y 70 kilómetros. En ella se distinguen la corteza continental y la corteza oceánica. Esta corteza terrestre posee a su vez varias capas con características diferentes: -Capa superficial: tiene un grosor que varía de 500 a 1.000 metros. Formada fundamentalmente por una delgada porción externa, llamada suelo, y por rocas sedimentarias. -Capa intermedia: corresponde a la corteza continental, tiene un espesor medio muy variable entre 25 km y 70 km , su densidad media es de 2,7 gr/cm 3 .  - Capa basáltica inferior: es la misma corteza oceánica, y es la base de los océanos. Tiene un espesor de 10 a 20 Km. Manto terrestre: está inmediatamente después de la corteza oceánica, su espesor es de unos 2.800 kilómetros. Las rocas que lo forman pueden desplazarse lentamente una sobre otra. Núcleo terrestre: parte más profunda de la geósfera, en la que se distingue el núcleo externo, parcialmente fundido, de unos 2.000 kilómetros de espesor y el núcleo sólido interno, que tiene un espesor de 1.500 kilómetros. El terremoto es una sacudida del terreno que se produce debido a la acumulación de energía que se produce cuando los materiales del interior de la Tierra se desplazan principalmente en los bordes de la placa. El punto interior de la Tierra donde se produce el sismo se denomina foco sísmico o hipocentro , y el punto de la superficie que se halla directamente en la vertical del hipocentro —y que, por tanto, es el primer afectado por la sacudida— recibe el nombre de epicentro . Chile está ubicado al borde del encuentro de dos placas tectónicas, la placa Sudamericana y la placa Nazca, las cuales interactúan entre sí, produciéndose un proceso de subducción, que es la causa de la mayor parte de los macro sismos en la parte occidental de nuestro territorio, como parte del denominado "Cinturón de fuego" que rodea al océano Pacífico. El movimiento sísmico se propaga mediante ondas elásticas (similares al sonido), a partir del hipocentro. Las ondas sísmicas se presentan en tres tipos : Ondas longitudinales, primarias o P : ondas que se propagan a una velocidad entre 8 y 13 km/s y en el mismo sentido que la vibración de las partículas. Circulan por el interior de la Tierra, atravesando tanto líquidos como sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de medida o sismógrafos, de ahí su nombre "P". Ondas transversales, secundarias o S : son ondas de cuerpo más lentas que las anteriores (entre 4 y 8 km/s) y se propagan perpendicularmente en el sentido de vibración de las partículas. Atraviesan únicamente los sólidos y se registran en segundo lugar en los aparatos de medida. Ondas superficiales : (love y rayleigh) son las más lentas de todas (3,5 km/s) y son producto de la interacción entre las ondas P y S a lo largo de la superficie de la Tierra. Son las que producen más daños. Se propagan a partir del epicentro y son similares a las ondas que se forman sobre la superficie del mar. LA TIERRA Y SUS SISMOS CORTEZA MANTO SUPERIOR MANTO INFERIOR NÚCLEO INTERNO NÚCLEO EXTERNO 1600 KM. 1820 KM. 2290 KM. 630 KM. Sección de la tierra Placas Tectónicas Ondas Sísmicas MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN
  • 3. Horizonte A: corresponde a la primera capa del suelo, es rica en humus o materia orgánica descompuesta. En ella se desarrollan los vegetales. Horizonte B: en este se encuentran restos de materia orgánica y también materia inorgánica, que permite el crecimiento de las plantas. También se le llama subsuelo. Horizonte C: está formado por rocas fragmentadas de distintos tamaños. Es el soporte de las dos capas anteriores. Horizonte R: Se puede llamar Roca Madre u Horizonte D. Corresponde a la última capa del suelo y está formada por roca sin alteración física ni química. Los suelos se forman en la superficie de la tierra, donde la roca dura o los sedimentos bandos y sueltos superficiales son transformados por numerosos procesos físicos, químicos y bilógicos, dependientes de la proximidad de la atmosfera. Según los minerales y elementos orgánicos que tenga el suelo, dependerá la fertilidad y características químicas. A través del color podemos conocer la variedad frente a la que estemos. MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN EL SUELO Y SUS CARACTERISTICAS Perfil del suelo Según funcionalidad Son más fértiles que los claros . Pero también un suelo oscuro puede significar exceso de humedad no siendo indicador de fertilidad. Contienen grandes cantidades de óxidos de hierro, lo que significa que es un terreno drenado, fértil y no muy húmedo. Son poco fértiles debido a que los óxidos de hierro han reaccionado frente al agua, convirtiéndolos en una zona mal drenada. Grises pueden tener poco hierro u oxígeno y poseer muchas sales alcalinas como carbonato de calcio. VARIEDAD CARACTERISTICAS Tipos de suelos Suelos arenosos: No retienen el agua, tienen muy poca materia orgánica y no son aptos para la agricultura, ya que no tienen nutrientes. Suelos calizos : Tienen abundancia de sales calcáreas, son de color blanco, secos y áridos, y no son buenos para la agricultura. Suelos humíferos (tierra negra): Tienen abundante materia orgánica en descomposición, de color oscuro, retienen bien el agua y son excelentes para el cultivo. Suelos arcillosos: Están formados por granos finos de color amarillento y retinen el agua formando charcos. Si se mezclan con humus pueden ser buenos para cultivar. Suelos pedregosos: Formados por rocas de todos los tamaños, no retienen el agua y no son buenos para el cultivo. Suelos mixtos : tiene características intermedias entre los suelos arenosos y los suelos arcillosos. Caract. físicas Litosoles : Se considera un tipo de suelo que aparece en escarpas y afloramientos rocosos, su espesor es menor a 10 cm y sostiene una vegetación baja. Cambisoles : Son suelos jóvenes con proceso inicial de acumulación de arcilla. Luvisoles : Presentan un horizonte de acumulación de arcilla con saturación superior al 50%. Acrisoles : Presentan un marcado horizonte de acumulación de arcilla y bajo saturación de bases al 50%. Gleysoles : Presentan agua en forma permanente o semipermanente con fluctuaciones de nivel freático en los primeros 50 cm. Fluvisoles : Son suelos jóvenes formados por depósitos fluviales, la mayoría son ricos en calcio. Rendzina : Presenta un horizonte de aproximadamente 50 cm de profundidad. Es un suelo rico en materia orgánica sobre roca caliza. Vertisoles : Son suelos arcillosos de color negro, presentan procesos de contracción y expansión, se localizan en superficies de poca pendiente y cercanos escurrimientos superficiales.
  • 4. Meteorización : consiste en la alteración que experimentan las rocas en contacto con el agua, el aire y los seres vivos Erosión : consiste en el desgaste y fragmentación de los materiales de la superficie terrestre por acción del agua, el viento, etc. Los fragmentos que se desprenden reciben el nombre de detritos. Transporte : consiste en el traslado de los detritos de un lugar a otro. Sedimentación : consiste en el depósito de los materiales transportados, reciben el nombre de sedimentos, y cuando estos sedimentos se cementan originan las rocas sedimentarias La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física y las ciencias naturales a los problemas que involucran las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925. Que también fundo la ingeniería geotécnica. Que es la encargada del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la Tierra. Los ingenieros geotécnicos investigan el suelo y las rocas por debajo de la superficie para determinar sus propiedades y diseñar las cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes, centrales hidroeléctricas, etcétera.) Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo, se pueden producir esfuerzos secundarios (quizás no considerados en el diseño), los que producen a su vez deformaciones importantes como : fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono (inhabitabilidad). Es por esto que las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista según datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos. MECANICA DE SUELO Degradación Que es mecánica de suelo MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN
  • 5.
    • A través de la Geofísica se investiga la superficie de la tierra (en pequeña profundidad, con perforaciones o sensores) para establecer sus capacidades, se realizan pruebas de resistividad (analizan el comportamiento de las corrientes eléctricas al atravesar las rocas y las investigaciones sísmicas (estudio de reflexión y refracción de las ondas de choque para diseñar las estructuras subterráneas. Los resultados obtenidos se combinan con los mapas geológicos.
    • Estudio preliminar, revisión de los informes previos del lugar
    - Estudios a distancia, las primeras observaciones del terreno mediante satélites y fotografías aéreas, obteniendo datos como la existencia de aguas subterráneas. Y a que tipo de suelo se pueden enfrentar. - También es necesaria la realización de mapas geológicos para una tener clara distribución de los tipos de rocas, presencia de fallas, plegamientos y otras estructuras, se obtiene diferentes tipos de rocas, para someterlas a pruebas. - Si no se obtiene pruebas claras de los suelos a través de las perforaciones es necesario realizar excavaciones para estudiar los elementos más importantes de la geología local. Y poner a prueba métodos de ingeniería y construcción para decidir cuáles son los más adecuados y eficaces. - Se realizan además pruebas experimentales para medir su resistencia a las presiones y tensiones que la construcción impondrá. -una vez analizados todos los resultados, determinaran el diseño final del proyecto de ingeniería. Los principales factores que se tienen en cuenta son: normas de seguridad que garanticen la estabilidad de la estructura y los aspectos económicos, que permitirán construir la estructura con un presupuesto realista y un máximo de eficacia. -El producto final de este largo y arduo trabajo es el INFORME, que además de tener el registro completo, adjunta recomendaciones y propuestas para el diseño y la construcción de la obra. Siendo de gran importancia económica. Para el estudio de suelos en el área de la construcción, estos se clasifican en 2 grupos: Granulares y finos. Agrupándolos en un sistema unificado de clasificación. USCS GRANULARES FINOS GRAVAS ARENAS ARCILLAS LIMOS GRUESAS FINOS GRUESAS FINOS MEDIAS MECANICA DE SUELO Proceso estudio se suelo MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Clasificación Clasificación según USCS
  • 6. Se utilizan distintos tipos de cimientos según los distintos tipos de rocas que constituyen la base, cuando la capa rocosa se encuentra cerca de la superficie, los cimientos se pueden construir directamente sobre la roca. Cuando la capa de materiales no consolidados es gruesa, es preciso introducir pilotes que lleguen hasta la capa rocosa. Si el suelo es demasiado hay que construir el edificio sobre una plataforma de hormigón, capaz de recibir y distribuir la carga. Dependiendo de los resultados obtenidos de las diferente pruebas realizadas al suelo, es posible finalmente determinar que tipo de fundación es la optima, para que el edificio sea sismo resistente. Una primera aproximación al problema de la “presión de contacto admisible” la da la O.G.C. recomendando los siguientes valores para edificaciones corrientes y cimientos corridos: 1.- Roca dura 20 a 25 Kgf/cm 2 . 2.- Roca blanda 8 a 10 kgf/cm 2 . 3.- Tosca o arenisca arcillosa 5 a 8Kgf/cm 2 . 4.- Grava conglomerada dura 5 a 7Kgf/cm 2 . 5.- Grava suelta o poco conglomerada 3 a 4Kgf/cm 2 . 6.- Arena Gruesa 1.5 a 2Kgf/cm 2 . 7.- Arcilla compactada o arcilla con arena. seca 1 a 1.5 Kgf/cm 2 . 8.- Arena fina 0.5 a 1Kgf/cm 2 . 9.- Arcilla húmeda < 0.5Kgf/cm 2 . 10.- Fango o arcilla empapada 0Kgf/cm 2 Para regular las construcciones en países sísmicos como Chile, es necesario considerara una serie de normativas que han sido previamente estudiadas para su funcionamiento optimo.
    • Zonificación sísmica por comunas: se dividen nuestro país en 3 grandes zonas, tomando la VI región ( la que nos involucra) con las Zonas 3-2 y en menor medida la zona 1 (montañosa)
    • En la norma según los movimientos sísmicos existen distintas clasificaciones de suelos en nuestros país;
    • 1.-Roca
    • 2.-Grava, arena densa ,suelo cohesivo duro
    • 3.-Arena,grava no saturada, suelo cohesivo, espesor mínimo del estrato 10 m
    • 4.- Suelo cohesivo saturado
    • *Se excluyen estos tipos de Suelos licuables, arenosos, limosos….Susceptibles de densificación por vibración11
    • Clasificación por tipo de estructuras de divide en 4 según su uso y capacidad
    • A .- edificios del estado y edificios vitales en caso de catástrofes
    • B.- Edificios de gran valor y aglomeración de gente ( biblioteca….)
    • C.- edificaciones destinada a la habitación , uso privado
    • D.-Construcciones no clasificadas anteriormente, no destinada habitación
    NORMATIVA Tipos de fundaciones MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Clasificación Clasificación según USCS
  • 7. Fuerza de inercia La fuerza de inercia es la generada por el movimiento sísmico del suelo que se transmite a los edificios apoyados sobre el terreno debido a que la base del edificio tiende a seguir el movimiento del suelo y la masa del edificio por inercia se opone a ser desplazada dinámicamente y seguir el movimiento de su base Período y resonancia El período es el tiempo en que tarda un objeto en cumplir un ciclo cuando vibra, es una característica única del objeto y no se altera a menos que sea forzado a cambiarlo. En un edificio el período depende de la relación entre la masa y la rigidez del sistema. La respuesta sísmica de un sistema elástico de un grado de libertad depende de su periodo de vibración, lo que indica que la respuesta máxima de una estructura ante un temblor varíe principalmente por el periodo de vibración. Para cambiar el período de vibración se debe variar la masa o la rigidez del edificio. En general, un proyectista tiene poca libertad para modificar la masa del edificio. Mayor es la amplitud en que puede variar la rigidez lateral, principalmente dependiendo del sistema estructural que se elija, el cual puede ser relativamente flexible, cuando es a base de pórticos o muy rígido cuando tiene muros estructurales. Por otra parte, los periodos de vibración de un edificio aumentan con el número de pisos, por lo que se acostumbra a numerar a las T en orden decreciente; así el primer período T1 (llamado periodo fundamental) tiene el mayor valor y el último, Tn, el menor. En cada período se obtiene una deformada llamada modo de vibración. Amortiguamiento El amortiguamiento es una característica estructural que influye en la respuesta sísmica porque decrece el movimiento oscilatorio, se expresa normalmente como una fracción del amortiguamiento crítico ( ζ), o amortiguamiento donde el movimiento resultante en vez de ser oscilatorio decrece exponencialmente con el tiempo hasta hacerse cero. En las estructuras el amortiguamiento es generado por las fricciones internas de los elementos, apoyos, elementos no estructurales, etc.., todos estos disipan la energía sísmica. La magnitud de la disminución de estos efectos es difícil de cuantificar con precisión, por ello los reglamentos indican aproximadamente un amortiguamiento igual al 5% del crítico. Ductilidad La ductilidad se refiere a la capacidad de un sistema estructural de sufrir deformaciones considerables (por encima del límite elástico) bajo una carga aproximadamente constante, sin padecer daños excesivos. Esta es una propiedad muy importante en una estructura que debe resistir efectos sísmicos, ya que elimina la posibilidad de una falla frágil y además suministra una fuente adicional de amortiguamiento. Es por ello que una parte importante del diseño sísmico consiste en proporcionar a la estructura (además de la resistencia necesaria), la capacidad de deformación que permita la mayor ductilidad posible para salvar así un edificio del colapso. Resistencia y rigidez La resistencia y la rigidez son los dos aspectos más importantes del diseño sísmico. La resistencia es el parámetro de diseño donde se busca que las dimensiones de los elementos garanticen la integridad de la estructura sometida a todas las combinaciones de carga posibles y la rigidez relaciona la deformación de la estructura con las cargas aplicadas; este parámetro asegura que la estructura cumpla con las funciones impuestas. Distribución de las fuerzas de inercia Las fuerzas de inercia que se generan sobre una estructura son función de la masa, rigidez y amortiguamiento; pero conocer el punto de aplicación de la fuerza es primordial, ya que estas se pueden amplificar y en algunos casos puede ser muy grande esta amplificación. ARQUITECTURA SISMORESISTENTE MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Clasificación Variables para el control de la respuesta estructural
  • 8. Sistemas resistentes La selección de un sistema estructural está determinada por muchos factores, estos son lo que determinan la rigidez del edificio y su distribución en planta incide en la ubicación del centro de rigidez. En la siguiente lamina se ilustran las características de cada uno de los sistemas estructurales : Pórticos Es un sistema estructural que puede resistir, por lo general, las fuerzas sísmicas; la ventaja principal que posee es su fácil diseño y construcción para resistir grandes demandas de ductilidad, así como la flexibilidad para la distribución de los espacios internos. Sin embargo, su eficiencia, basada en la resistencia a flexión de vigas y columnas es baja a menos que las secciones transversales de los elementos sean extraordinariamente grandes. Pórtico con arriostramiento El pórtico rigidizado o arriostrado con elementos diagonales o muros de rigidez permite aumentar la capacidad lateral sin un costo excesivo. Mediante la acertada distribución de elementos rigidizantes se puede mantener la ventaja de la estructura a base de pórticos (distribución de espacios internos y ductilidad), a la vez que la resistencia lateral se ve aumentada. Consideraciones económicas y arquitectónicas pueden impedir el uso de estos elementos en algunos casos y en otros pueden presentar desventajas técnicas importantes, ya que en estos sistemas se requiere evitar concentraciones de rigidez en un pequeño número de elementos. Muros resistentes al cortante También denominado muro de cortante, es un sistema que posee una gran rigidez y resistencia para los desplazamientos laterales, las proporciones de los muros son de tal forma que domina la falla por corte sobre la flexión. Asimismo, posee poca flexibilidad para la distribución de espacios internos debido a los requisitos del sistema. Diafragma El sistema se refiere a los elementos horizontales de la edificación (pisos y techos) que trasladan las fuerzas laterales a los sistemas resistentes verticales (muros resistentes al cortante, pórticos o pórticos con arriostramiento). Los diafragmas deben ser infinitamente rígidos para cumplir con la función de trasladar las fuerzas laterales a los sistemas resistentes. También pueden actuar con una rigidez muy baja (diafragmas flexibles), tal como los sistemas de pisos formados por vigas en una dirección y una losa de lámina delgada. Dicha alternativa no distribuye las fuerzas laterales de manera proporcional a la rigidez del sistema vertical, además existe la posibilidad de ceder ante el empuje generado por el sistema vertical resistente, por lo que invalidan las hipótesis del análisis sísmico y requieren de un estudio especial.
    • Elementos no estructurales
    • El diseño de los elementos no estructurales se debe basar en los siguientes criterios:
    • Seguridad de la vida: Las fallas no deben ocasionar pérdidas en vidas humanas ni entorpecer la evacuación del edificio.
    • Los muros deben ser continuos hasta la base, las aberturas para puertas, ventanas y ductos deben interferir lo menos posible con la capacidad del elemento.
    • -Daños materiales: Busca disminuir los costos que acarrean las reparaciones de los elementos no estructurales que en algunos casos se aproxima al costo original del edificio.
    • -Continuidad de operación: Es conveniente que un edificio o una zona particular dentro de la estructura, continúe operando durante y después de un evento sísmico. Por ejemplo un hospital o centros de emergencias que debe seguir operando de manera normal especialmente después de un sismo.
    • Estos criterios son usados para tomar diseñar los siguientes aspectos:
    • Conexiones, anclajes y detalles
    • Los elementos no estructurales deben conectarse a la estructura, pero este proceso debe ser cuidadoso, ya que las características de la conexión afectan directamente la magnitud de las fuerzas trasmitidas al elemento, y la interacción que pudiera ocurrir debido a la deformación sísmica de entrepiso.
    • Efectos de interacción entre elementos no estructurales
    • La deformación de entrepiso permitida para el sistema estructural, puede resultar en fuerzas que actúan sobre muros y divisiones no estructurales que estén apretadamente colocados entre elementos estructurales. En este caso, los muros actuarán como elementos resistentes y funcionarán como un muro de cortante hasta su falla.
    • Para evitar estas cargas sobre los muros no estructurales, estos deben estar separados en la parte superior o en la inferior y en los costados, para permitir que ocurra la deformación de entrepiso calculada sin que el muro participe en el movimiento. Alternativamente, los muros pueden hacerse desalineados en relación con las columnas, de manera que solamente sea necesario separar de la estructura la parte superior o interior de éstos. (Rosenblueth, 1991).
    ARQUITECTURA SISMORESISTENTE MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Propiedades de los sistemas estructurales
  • 9. Recomendaciones La principal recomendación para los problemas en planta es favorecer la simetría en ambas direcciones para disminuir los efectos torsionales. Evitar la presencia de alas muy alargadas que tienden a producir vibraciones en direcciones diferentes por la dificultad para responder como una unidad. La simetría en planta indica que el centro de masa y el centro de rigidez están localizados en el mismo punto y disminuye los efectos indeseados de la torsión. Asimismo, la simetría no sólo se refiere a la forma de conjunto del edificio sino también a los detalles de su construcción. 1. Longitud de planta: Existen dos formas de resolver estos problemas. La primera se basa en considerar los esfuerzos producidos por los movimientos diferenciales durante el diseño y la segunda en permitir los movimientos al incluir juntas. 2. Perimetral: El objetivo de cualquier solución para este problema consiste en reducir la posibilidad de torsión. Se pueden emplear alternativamente cuatro estrategias; pórticos con resistencia y rigidez aproximadamente iguales para todo el perímetro. Aumentar la rigidez de las fachadas abiertas mediante muros dentro o cerca de la parte abierta. Usar un pórtico muy fuerte, con diagonales en la fachada abierta. Aceptar la posibilidad de tener torsión y diseñar la estructura para resistirla. 3 Falsa simetría: Ubicación simétrica de los elementos resistentes, si por aspectos de planeación no es posible, se debe agregar algunos elementos resistentes en una parte del edificio que equilibren la distribución de la resistencia de forma que disminuya la excentricidad en planta. 4 Esquina: La solución al problema de esquina tiene dos enfoques; dividir estructuralmente el edificio en formas más sencillas o unir con más fuerza la unión de los edificios mediante colectores en la intersección, muros estructurales o usar esquinas entrantes achaflanadas en vez de ángulos rectos, que reduzcan el problema del cambio de sección. La respuesta de una estructura ante un sismo es compleja ya que se mezclan varios factores, los cuales deben ser tomados en cuenta para diseñar una estructura resistente a sismos; la configuración13 es uno de los aspectos que intervienen en dicha respuesta. En el proceso de diseño se deben tomar en cuenta las características que son relevantes en el comportamiento sísmico del edificio: Peso Planta Elevación y proporción Uniformidad y distribución del sistema estructural Separación Elementos no estructurales Peso El tamaño del edificio indica también el peso del mismo por ello debe procurarse un edificio lo más ligero posible, incluyendo el peso de los revestimientos y elementos divisorios que inducen en la respuesta, fuerzas ajustadas a su peso. Cualquier cambio en el tamaño del edificio afecta su comportamiento y las alternativas en la solución estructural a causa del efecto del tamaño y del cubo; en el cual cada sistema estructural (pórtico, muro, arco, cables etc..) llega al límite de su tipología obligando al cambio en el sistema por otro adecuado; este cambio resulta importante por la incidencia en la forma del edificio. Problema La respuesta sísmica del edificio es difícil de cuantificar cuando la distribución de paredes es de forma complicada, las plantas presentan alas, vestíbulos, balcones, torres, techos en volado, también las que posean aberturas para escaleras, elevadores, ductos y tuberías así como los techos con vacíos para alojar claraboyas, cubos de ventilación y chimeneas. Recomendación Se recomienda evitar las masas que sean innecesarias porque se traducen en fuerzas innecesarias. Además las masas ubicadas en las partes altas de un edificio no son favorables porque la aceleración crece con la altura, de manera que es conveniente ubicar en los pisos bajos las áreas donde se preveen mayores concentraciones de pesos (tales como archivos y bóvedas). También se debe impedir las fuertes diferencias de los pesos en pisos sucesivos y tratar que el peso del edificio esté distribuido simétricamente en la planta de cada piso. En el caso de las estructuras de madera, estas son de poco peso por lo que las fuerzas de inercia serán bajas y es posible violar ciertos principios de configuración, introduciendo irregularidades que constituirían un problema grave en un edificio grande, además, las luces son cortas por lo que habrá mayor número de elementos estructurales para distribuir las cargas en relación con el área de piso.
    • Planta
    • La forma en planta de un edificio incide en la respuesta sísmica. Este hecho ha sido demostrado repetidamente por todos los terremotos acaecidos.
    • Problemas
    • Los problemas que más se presentan en planta son:
    • Longitud de planta: Las estructuras con dimensiones considerables en planta, experimentan grandes variaciones de la vibración a lo largo de la estructura que generan fuerzas rotacionales. Estas variaciones se deben a las diferencias en las condiciones geológicas.
    • 2. Perimetral: Los muros laterales y/o traseros están sobre los límites de la construcción por lo que no tiene aberturas, mientras la fachada frontal con ventanas hacia la calle es abierta; por lo que el techo tiende a torcerse, generando problemas sobre el edificio.
    • 3. Falsa simetría: Edificios que poseen una configuración en apariencia sencilla, regular y simétrica, pero debido a la distribución de la estructura o la masa es asimétrica.
    • 4. Esquina: Plantas con formas en L, T, U, H, +, o una combinación de estas. Durante un movimiento sísmico cada ala tiene un movimiento diferente y la esquina interior o entrante que es la unión entre las dos alas adyacentes es la parte que más daño va a presentar.
    ARQUITECTURA SISMORESISTENTE MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Características relevantes para el comportamiento sísmico
  • 10. Elevación y proporción Las reducciones bruscas de un nivel a otro, tiende a amplificar la vibración en la parte superior y son particularmente críticas. El comportamiento de un edificio ante un sismo es similar a una viga en volado, donde el aumento de la altura implica un cambio en el período de la estructura que incide en el nivel de la respuesta y magnitud de las fuerzas. La sencillez, regularidad y simetría que se busca en planta también es importante en la elevación del edificio, para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en ciertos pisos o amplificaciones de la vibración en las partes superiores del edificio. Problemas Edificio con proporciones inadecuadas. Los problemas que más se presentan en elevación son: 1. Proporción: Este aspecto puede ser más importante que el tamaño o altura, ya que mientras más esbelto es el edificio mayor es el efecto de voltearse ante un sismo, la contribución de los modos superiores es importante y el edificio puede hacerse inestable por el efecto P-Δ. 2. Escalonamiento: Consiste en una o más reducciones abruptas en el tamaño del piso de un nivel con respecto al siguiente. También en hacer el edificio más grande a medida que se eleva, lo que se conoce como escalonamiento invertido. 3. Piso débil: El piso débil se refiere a los edificios donde una planta es más débil que las plantas superiores, causado por la discontinuidad de resistencia y rigidez. Este problema es más grave cuando el piso débil es el primero o segundo, niveles donde las fuerzas sísmicas son mayores. 4. Muro discontinuo: Cuando los muros de cortante no cumplen con los requisitos de diseño se puede considerar que generan un problema como el de piso débil. Por otra parte, un muro de cortante discontinuo es una contradicción fundamental de diseño; el propósito de un muro de cortante es resistir las fuerzas de inercia que se originan en los diafragmas y transmitirlas hacia la fundación en la forma más directa posible, por lo que interrumpir esta trayectoria se convierte en un error y realizarlo en la base es un problema aún mayor, siendo el peor caso de la condición de planta baja débil. 5. Variación en la rigidez: El origen de este problema por lo general reside en consideraciones arquitectónicas realizadas sobre terrenos en colinas, relleno de porciones con material no estructural pero rigidizante para crear una faja de ventanas altas, elevación de una porción del edificio sobre el nivel del terreno mediante elementos altos, en tanto que otras áreas se apoyan sobre columnas más cortas, o bien, rigidización de algunas columnas con una mezzanina o desván, mientras otras se dejan de doble altura sin rigidizarlas. Estas configuraciones generan una columna corta que es más rígida y bajo cargas laterales15, atraerá fuerzas que pueden estar desproporcionadas con su resistencia. Recomendaciones 1. Proporción: Para evitar los problemas de proporción Dowrick (1997) sugiere que se procure limitar larelación altura/anchura a 3 ó 4, (Arnold y Reitherman, 1991; Bazán y Meli, 2001; Dowrick, 1997) 2. Escalonamiento: Como primera estrategia es utilizar cambios de sección en un escalonamiento normal o invertido pequeños. Las soluciones para la configuración escalonada son similares a las de su contraparte en planta con esquinas entrantes. El primer tipo de solución consiste en una separación sísmica en planta. Se debe evitar la discontinuidad vertical de las columnas, un acartelamiento suave evita totalmente el problema del cambio de sección. Por último, en áreas de alto riesgo sísmico se deben evitar las configuraciones escalonadas invertidas. (Arnold y Reitherman, 1991) 3. Piso débil: Las soluciones para el problema del piso débil comienzan por su eliminación, es decir evitar la discontinuidad modificando el diseño arquitectónico. Si esto no es posible, el siguiente paso es investigar la forma para reducir la discontinuidad por otros medios, como son aumentar el número 15 Cargas que se distribuyen según la rigidez de los elementos resistentes. de columnas o agregar diagonales. Alternativamente, se puede lograr una planta baja alta eliminando la discontinuidad dinámica mediante un marco vertical que abarque varios pisos, en el cual la estructura tenga uniformidad de rigidez en toda su altura, agregando pisos adicionales ligeros de tal modo que tengan tan poco efecto como sea posible en las características de la estructura principal. (Arnold y Reitherman, 1991) 4. Muro de cortante discontinuo: La solución para el problema del muro de cortante discontinuo consiste en eliminar dicha condición. El hacerlo puede crear problemas arquitectónicos de planeación, circulación o aspecto. Si así ocurre, entonces significa que la decisión de usar muros de cortante como elementos resistentes es inconveniente. Cuando se toma la decisión de usar muros de cortante, se tiene que reconocer su presencia desde el principio del diseño esquemático, donde el tamaño y la localización debe ser objeto de una cuidadosa coordinación entre la arquitectura y la ingeniería, por lo que se recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos: − Hacer una distribución regular de los muros, estableciendo preferentemente la simetría. − Procurar que los centros de masas y rigideces estén los más cerca posibles. − Para mejor resistencia torsional se deben colocar en la periferia de la planta. − En edificios de muchos pisos sobre zonas de alto riesgo sísmico, una concentración de toda la fuerza lateral en solamente uno o dos muros implica introducir grandes fuerzas a las fundaciones, por lo que se requiere una fundación muy grande. − En edificios de altura media, la sección transversal no deben variar con la altura. En dado caso se puede reducir el espesor del muro. − Los grandes muros tienden a limitar la flexibilidad en la distribución de los espacios internos, por lo que se recomienda en edificios de oficina, colocar las pantallas limitando las áreas de circulación vertical y de servicios. Los sistemas de fachada resistente, si bien condicionan bastante el aspecto externo del edificio, facilitan mucho la organización del espacio interno. (Arnal y Epelboim, 1985; Arnold y Reitherman, 1991; Paulay y Priestley, 1992) 5. Variación en la rigidez: Si no se puede evitar la situación planteada, una solución consiste en igualar las rigideces de las columnas mediante puntales que aumenten la rigidez de las columnas más largas o aumentando las dimensiones de los elementos menos rígidos. (Arnold y Reitherman, 1991). ARQUITECTURA SISMORESISTENTE MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Características relevantes para el comportamiento sísmico
  • 11. Uniformidad y distribución del sistema estructural La influencia del sistema estructural en la respuesta sísmica es indiscutible ya que suministra la resistencia y rigidez necesaria para evitar daños no estructurales durante sismos moderados, así como garantiza la integridad del edificio. Por lo tanto, es importante que el arquitecto proponga un sistema adecuado para lo cual debe considerar la simplicidad y simetría, igualmente es conviene tomar en cuenta aspectos tales como: cambios de secciones, redundancia, densidad en planta, diafragma rígido, columna fuerte – viga débil, interacción pórtico – muro. Cambios de secciones Los cambios bruscos de sección en los miembros son un tipo de problema de variación de rigidez que se debe evitar. De igual forma los muros y/o columnas que no siguen una misma línea, no son recomendables por lo que estas líneas de resistencia deben ser continuas. Redundancia La redundancia se refiere a la existencia de abundantes líneas resistentes continuas y monolíticas, proporciona un alto grado de hiperestaticidad que cumple con el requisito básico para la supervivencia de la edificación, ya que posee múltiples mecanismos de defensa que garantizan la redistribución de esfuerzos una vez que algunos miembros hayan fallado. En cada una de las direcciones principales de la edificación y salvo que se trate de edificios de dos o tres plantas, es conveniente disponer como mínimo, tres líneas de resistencia. (Grases, López y Hernández, 1987) Densidad en planta La densidad de la estructura en planta a nivel del terreno, se define como el área total de todos los elementos estructurales verticales (columnas, muros, diagonales) dividida entre el área bruta del piso. En un edificio contemporáneo típico, este porcentaje se reduce al mínimo valor en pórticos. Por ejemplo, en un edificio típico de 10 a 20 pisos, con pórticos de concreto o acero resistentes a momentos, las columnas ocuparán el 1% o menos del área de su planta y los diseños en que se usa una combinación de pórticos-muros de cortante alcanzarán típicamente una densidad de estructuras en planta a nivel del suelo de cerca del 2%. Incluso para un edificio de oficinas de muchos pisos, que se apoyen solamente en muros de cortante, probablemente la relación llegará sólo al 3%. Diafragmas rígidos Los diafragmas de las edificaciones deben ser rígidos en su plano para igualar las deformaciones de los elementos verticales y evitar concentraciones de esfuerzos indeseables en las zonas de unión. Las normas permiten diafragmas flexibles pero se hace difícil estimar la respuesta dinámica de edificaciones con diafragmas flexibles. La utilización de diafragmas rígidos simplifica notablemente el proceso de análisis ya que permite el uso de modelos matemáticos sencillos. Columna Fuerte – Viga Débil En sistemas apórticados es un requisito fundamental para el buen comportamiento de la estructura, que la disipación de energía se inicie en los elementos horizontales, por lo que se debe anteponer los diseños de columnas fuertes y vigas débiles16. En fachadas se puede usar elementos no estructurales que se adapten a los requerimientos arquitectónicos, o bien admitir el diseño columna fuerte viga débil en la fachada. Interacción Pórtico - Muro Las configuraciones con alta rigidez torsional con respecto a su rigidez traslacional, poseen mejor comportamiento durante terremotos, por lo cual los muros deben colocarse en la periferia de la edificación, dando así un uso más eficiente. Lo anterior implica una combinación de muro y pórtico, donde los puntos de unión entre estos deben tener un tratamiento especial porque pueden producir áreas débiles de posible falla. Los muros que poseen grandes aberturas reducen la capacidad del muro y transforman el muro en un pórtico, el tamaño de las aberturas pueden hacer del muro un pórtico que presentaría el problema de columna débil-viga fuerte. (Arnold y Reitherman, 1991; Grases, López y Hernández, 1987) ARQUITECTURA SISMORESISTENTE MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Características relevantes para el comportamiento sísmico
  • 12. Separación La relación del contorno del proyecto es importante en cuanto a la ubicación del edificio dentro del terreno, es trascendental guardar una separación que sea suficiente con respecto a edificios adyacentes, para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo. Problema El daño puede ser particularmente grave cuando los pisos de los cuerpos adyacentes no coinciden en las mismas alturas de manera que durante la vibración las losas de piso de un edificio pueden golpear a media altura las columnas del otro. Este choque se denomina golpeteo y esta relacionado con las juntas de separación y la rigidez. El estudio del golpeteo entre edificios se relaciona con la localización del edificio en relación con otras estructuras. (Arnold y Reitherman, 1991; Bazán y Meli, 2001) Recomendación Una regla práctica para las estructuras relativamente rígidas indica que las separaciones serán de 2,5 cm más 1,25 cm por cada 3 m de altura en exceso de 6 m. Otra alternativa es separar 3,2 cm de separación para edificios de hasta 4,88 m, y 1,9 cm más por cada 4,88 m de altura adicionales. Aunque lo más conveniente es determinar el desplazamiento de cada uno de los edificios y dar una separación que contemple el caso cuando las dos partes están lo más cerca. Elementos no estructurales Los efectos de los elementos no estructurales son menospreciados en un análisis ordinario de estructuras y a menudo son la causa de los daños y la falla. La experiencia ha demostrado que la presencia de elementos no estructurales puede cambiar el comportamiento dinámico de una estructura, ya que las fuerzas sísmicas son atraídas por las áreas de mayor rigidez y si estas no están diseñadas para resistir las fuerzas, posiblemente fallen teniendo efectos desfavorables en la edificación. Recomendación Para evitar los efectos no deseados de los elementos no estructurales, se debe evitar una disposición irregular en planta y elevación de la tabiquería y diseñarla para que resista la distorsión estructural. Para ello existen dos enfoques. El primero consiste en integrarla a la estructura y el segundo en separarla de forma adecuada de los pórticos. Los revestimientos deben estar bien conectados a las paredes o separarlos de las paredes con conectores que eviten la separación de las paredes. Las ventanas se deben separar de la deformación de los pórticos, excepto cuando el cristal sea irrompible (si el desplazamiento horizontal del pórtico es pequeño se puede proteger el vidrio con una masilla suave). Las puertas son elementos importantes durante un evento sísmico, por lo que deben diseñarse para que sigan siendo funcionales después de ocurrido el evento, bien sea mediante análisis dinámico o colocando elementos que no se vean afectados por la deriva lateral. (Dowrick, 1997) Cuando la presencia de tabiques imponga cambios en la luz libre de las columnas y no sea posible separar los tabiques, se recomienda verificar que la columna, en toda su extensión, esté en capacidad de resistir las fuerzas que se puedan inducir en la misma. La columna, producto de la parte libre de tabiquería se comporta como una de menor longitud y por tanto mayor rigidez17. (Arnold y Reitherman, 1991; Grases, López y Hernández, 1987; Dowrick, 1997) Recomendación final Se observa que las formas complejas, carencia de simetría, distribución al azar de los elementos verticales, falta de continuidad de los elementos horizontales por las aberturas o techos en varios niveles, volúmenes agregados que requieren vinculación, luces grandes y detalles no estructurales son los problemas más comunes en el diseño sísmico. Para lograr una configuración adecuada se debe considerar el tiempo, costo y programación para el análisis sísmico, conjuntamente hay que reconocer el hecho que algunos estilos han sido desarrollados en zonas de bajo riesgo sísmico por lo que en regiones de mucha actividad sísmica no son apropiados. ARQUITECTURA SISMORESISTENTE MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Características relevantes para el comportamiento sísmico
  • 13. Capital: Rancagua Superficie: 16.365 km 2 Población: 780.627 hab. (Censo 2002). Densidad: 42,1 hab./km 2 Crecimiento anual población: 1,38 % Viviendas: 169.823 (4,1 hab./vivienda) Cordillera de los andes Cordillera de la costa Depresión intermedia La Cordillera de los Andes tiene en esta región una altitud que va entre los 3.000 a 4.000 msnm y un ancho aproximado de 50 km, además presenta un marcado volcanismo. La depresión intermedia presenta formas planas generadas por el acarreo de materiales, principalmente de origen glacio-fluvio-volcánico, alcanzando una longitud de 60 km. y un ancho aproximado de 25 km. La Cordillera de la Costa se presenta baja y de formas redondeadas que no alcanza los 2.000 m. RANCAGUA, 6 REGIÓN MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Datos Generales Mapa Morfoestructurales Plano Geomorfológico Tipos de suelos
  • 14. A partir del ejercicio propuesto podemos deducir, que es indispensable el estudio de varios factores que inciden en el comportamiento de un edificio, desde el clima, el tipo de suelo donde será emplazado, al estructura propuesta para el edificio, etc. El suelo juega un rol fundamental en la construcción de un edificio, ya que a la hora de presentarse un sismo, la resistencia del edificio además de depender de su diseño estructural, dependerá también de las características del suelo, siendo los mas resistentes las rocas. RANCAGUA, 6 REGIÓN MECANICA DE SUELO 6 REGIÓN Sección suelo Rancagua CONCLUSIÓN