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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

OBJETIVOS DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE SISMORRESISTENTE APUNTES DEL CURSO

DOCENTE: LEON MALO, IVAN

Nuevo Chimbote, 30 de Abril del 2015

Objetivos Objetiv os de la Ingeniería Sismorresistente Sismorresist ente

DOCENTE: LEÓN MALO IVÁN

OBJETIVOS DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE El propósito de la Ingeniería Sismorresistente es la protección de la vida y la reducción del daño durante terremotos. En los últimos años, se han desarrollado propuestas que intentan precisar este objetivo, indicando el desempeño ideal que deberían tener las obras civiles según su importancia y en diferentes niveles de peligro. En este capítulo, se presentan las propuestas desarrolladas para edificaciones y se comentan las posibilidades actuales de hacerlas realidad. 1. El primer objetivo El objetivo primario de la Ingeniería Sismorresistente es la reducción de las pérdidas de vidas humanas y de bienes materiales durante los terremotos. Como este objetivo se asocia frecuentemente a sismos grandes durante los cuales el riesgo de colapso podría ser significativo, el diseño se ha orientado tradicionalmente a evitar el colapso de puentes presas, edificios y obras civiles en general durante terremotos grandes.

Foto 1. Colapso de una Autopista Au topista elevada en el terremoto de Kobe, Japón 1995.

Cortesía del Earquake Engineering Research Institute, EERI

Este objetivo básico de protección contra terremotos severos ha motivado que, por mucho tiempo, la Ingeniería Sismorresistente oriente sus estrategias y procedimientos con el afán de lograr la sobrevivencia de las obras frente a sismos importantes. A manera de ejemplo, la siguiente tabla presenta los tiempos de vida de algunas obras civiles junto al “sismo máximo de diseño”

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Tabla 1. “Sismos máximos” para el “diseño” de algunas obras de ingeniería

Tipo de la obra Instalaciones esenciales que podrían constituir fuentes de contaminación luego de un sismo, instalaciones nucleares. Equipos de estaciones eléctricas de alto voltaje Puentes y viaductos de avenidas principales Edificios para viviendas Construcciones temporales que no amenacen obras de importancia mayor

Tiempo de vida útil (años)

Sismo máximo Probabilidad de Periodo de excedencia en el retorno tiempo de vida de la (años) obra (%)

50 a 100

Más de 5000

1

50

1600

3

100

950

10

50

500

10

15

40

30

El objetivo primario de evitar el colapso se ha perseguido a pesar de que no siempre se precisó la “distancia” aceptable al estado de colapso ni hubo un claro entendimiento de l “sismo de sobrevivencia” en términos de probabilidades. Solo en años recientes (década de 90 en adelante) se han desarrollado iniciativas para precisar los objetivos de la Ingeniería Sismorresistente, tanto en lo referente a la sobrevivencia de las obras durante grandes sismos, como en lo concerniente al desempeño de estas frente a sismos menos importantes pero más frecuentes. En la definición de estos objetivos ampliados, ahora se incluyen aspectos relacionados no solo con el daño estructural, sino también con la interrupción de los servicios y las posibilidades posibilidades de reparación futura. 2. Objetivos de la Ingeniería Sismorresistente de edificaciones Aunque para muchas obras de Ingeniería no se han precisado con claridad los objetivos del diseño y construcción sismorresistente, para el caso de edificios existen algunas propuestas, como las desarrolladas por el “Comité Visión 2000 de la Asociación de Ingenieros Estructurales de California” (VISION 2000-SEAOC) y por la “Agencia Federal para el Manejo de Emergencias de los Estados Unidos de América” (FEMA).

En general, las propuestas desarrolladas para edificaciones son similares en esencia, pero con detalles y enfoques algo diferentes. Se definen ciertos niveles de severidad en las demandas sísmicas y los objetivos se establecen indicando el comportamiento ideal que una edificación debería tener en cada nivel de peligro. A continuación, continuación, se presenta la propuesta desarrollada desarrollada por el SEAOC SEA OC con el propósito de precisar conceptos conceptos y discutir las posibilidades actuales de la ingeniería para lograr estos objetivos. objetivos.

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Niveles de severidad y sismos de diseño Se establecen cuatro niveles de severidad en las solicitaciones sísmicas por de medio de cuatro “sismos de diseño”. Como los terremotos son tratados como sucesos aleatorios, cada “sismo de diseño” diseño ” se

describe por su periodo medio de retorno o la probabilidad de excedencia durante el tiempo de vida de una edificación. Independientemente del tipo de edificación, se asume un tiempo de vida de 50 años. La tabla 2, muestra los periodos de retorno y las probabilidades de excedencia en 50 años de exposición para los sismos de diseño sugeridos por el SEAOC. Tabla 2. Sismos de diseño para edificios, sugeridos por el comité Visión 2000 SEAOC

Sismo de Diseño Sismos Frecuentes Sismos ocasionales Sismos Raros Sismos muy raros

Periodo de retorno (años) 45 75 475 970

Probabilidad de excedencia en 50 años (%) 69 50 10 5

Foto 2. Colapso de un edificio edi ficio de vivienda en el terremoto de Chi-Chi, T aiwan 1999

Cortesía del Earquake Engineering Research Institute, EERI

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El gráfico 1, resume los resultados del estudio de peligro para tres ciudades en la costa del Perú, en términos de aceleración pico en la base rocosa y probabilidad de excedencia en 50 años de exposición.

Gráfico 1. Aceleración y probabilidad de excedencia en 50 años de exposición para tres ciudades en la costa del Perú

Estudios en regiones más extensas sugieren que las aceleraciones asociadas a los cuatro sismos de diseño en la costa oeste de América del Sur tendrían valores cercanos a los mostrados en la tabla 3.

Tabla 3. Aceleración máxima en roca para los sismos de diseño de edificios en l a costa oeste de América del Sur

Sismo de diseño Sismos frecuentes Sismos ocasionales Sismos raros Sismos muy raros

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Aceleración esperada para la costa oeste de América del Sur (g) 0.20 0.25 0.40 0.50

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Niveles de desempeño en edificaciones El desempeño de una edificación luego de un sismo se califica en función del nivel de daño que sufre el sistema estructural, las instalaciones y su contenido en general. La tabla 4 y el gráfico 2 muestran la propuesta del SEAOC. Tabla 4. Niveles de desempeño según SEAOC, 1995

Nivel de desempeño Completamente operativo

Operativo

Resguardo de la vida

Cerca al colapso

Colapso

Descripción No hay daño. El edificio es seguro. Todas las instalaciones y servicios operan normalmente. La estructura conserva su rigidez y resistencia. No es necesario hacer reparaciones. Daño reducido en componentes no estructurales sin compromiso para tu seguridad de los ocupantes. Daño muy reducido en elementos estructurales sin compromiso de la seguridad general. La estructura mantiene casi íntegramente su resistencia y rigidez. Luego del sismo, las instalaciones y servicios están operativos o podrán estar parcialmente interrumpidos, pero podrían ser fácilmente recuperados. Daño estructural y no estructural moderado. La estructura ha perdido una parte importante de su rigidez y resistencia, pero conserva un margen de seguridad contra el colapso. Luego del sismo, es baja la probabilidad de derrumbes. Los ascensores podrían estar fuera de servicio, pero las rutas de evacuación están seguras. El edificio podría repararse aunque no siempre resulte económicamente aconsejable. Daño importante y extendido. La estructura ha sido seriamente afectada en su capacidad de resistir acciones laterales y cargas de gravedad, pero aún conserva un pequeño margen contra el colapso. Componentes no estructurales desplomados o en peligro de hacerlo. Probablemente, no es técnica o económicamente posible reparar el edificio. Las réplicas podrían ocasionar el colapso. La estructura no puede ya resistir acciones laterales y ha perdido su competencia para cargas de gravedad. Pérdida de verticalidad y problemas de instabilidad. Colapso parcial o total. No es posible reparar la edificación.

Gráfico 2. Niveles de desempeño

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Objetivos múltiples de desempeño Los objetivos del diseño Sismorresistente se pueden definir ahora estableciendo el desempeño que debe tener una edificación en cada sismo de diseño. El desempeño deseado depende directamente de la importancia importancia del edificio. Según el SEAOC, S EAOC, se identifican tres tipos de edificaciones: edificaciones: Edificios comunes, edificios esenciales que deben funcionar en una emergencia (Por ejemplo, hospitales) y edificaciones de seguridad crítica (como plantas nucleares). La tabla 5 muestra el desempeño mínimo que deben tener estos tres tipos de edificios en los 4 niveles de peligro considerados. Cada tipo de edificio se identifica por un color. Los casilleros a la derecha de un tipo de edificio en particular, representan comportamiento inaceptable para cualquier tipo de edificio. Tabla 3. Desempeño de edificios comunes, esenciales y de seguridad crítica

Completamente Operativo    o     ñ    e    s     i     d    e     d    s    o    m    s     i     S

Nivel de desempeño Resguardo de Operativo la vida

Cerca al colapso

Sismo frecuente (45 años) Sismo ocasional (75 años) Sismo raro (475 años) Sismo muy raro (970 años) Edificación común

Edificación esencial

Edif. de seguridad crítica

Esta definición de objetivos pretende lograr que edificios del mismo uso tengan un desempeño similar, independientemente del peligro sísmico del lugar en que se ubiquen. En términos de probabilidades, esto significa aspirar a edificios de igual uso queden expuestos a niveles similares de riesgo. Como el riesgo final es el resultado del peligro de la zona y la vulnerabilidad de cada edificación, se desprende directamente de esta propuesta de objetivos que en zonas de peligro elevado se deberán construir estructuras de baja vulnerabilidad y en zonas de baja sismicidad se podrán aceptar estructuras menos competentes para acciones laterales, generalmente también menos costosas. 3. Ingeniería Sismorresistente orientada al desempeño El proyecto de edificios con objetivos múltiples de comportamiento, denominado generalmente “Diseño Orientado al Desempeño”, requiere de estrategias de diseño específicas en cada nivel de amenaza. Por ejemplo, para sismos frecuentes, es necesario que las edificaciones tengan una resistencia superior a las demandas de los sismos de 50 años de periodo de retorno y, para estos sismos raros, es necesario que las estructuras puedan desarrollar desplazamientos más allá del rango elástico. Las estrategias generales de diseño en múltiples escenarios de peligro deben necesariamente materializarse en procedimientos y requerimientos numéricos de ingeniería. Por ejemplo, para un edificio en particular, es necesario establecer una relación directa entre el comportamiento estructural deseado y un indicador del peligro donde se construya. A manera de ejemplo, la tabla 6 muestra, para cada nivel de peligro, la aceleración pico en roca en la costa oeste de América del Sur y el comportamiento estructural esperado en edificios comunes. Objetivos Objetiv os de la Ingeniería Sismorresistente Sismorresist ente

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Tabla 6. Aceleración pico en roca para p ara la costa oeste de América del Sur y comportamiento estructural deseado para edificios comunes.

Sismos frecuentes (45 años) Sismos ocasionales (75 años)

Aceleración (g) 0.20 0.25

Sismos raros (475 años)

0.40

Sismos muy raros (970 años)

0.50

Sismo de Diseño

Comportamiento estructural Perfectamente elástico. Prácticamente elástico. Importantes incursiones inelásticas con pérdida de resistencia y rigidez. La estructura podría repararse. Severas incursiones inelásticas, pérdida casi total de rigidez y resistencia. No es posible reparar la estructura.

Construir edificios en zonas de alta sismicidad tratando de satisfacer objetivos de desempeño como los presentados en este capítulo no es una tarea sencilla. Por ejemplo, preparar los edificios para que se mantengan sin daño bajo aceleraciones cercanas a 0.2g requeriría elevar su resistencia lateral en relación con los valores usados actualmente en la mayoría de países con alta sismicidad. Pretender diseñar un hospital para que permanezca operativo luego de un sismo con aceleraciones cercanas a 0.4g es una tarea muy complicada y en algunos casos, técnicamente imposible o poco viable en términos económicos. Por otro lado, la fuerte incertidumbre en los procedimientos de análisis y diseño Sismorresistente dificulta aún más el proyecto y la construcción de edificios con objetivos que, por hoy, parecen ser muy ambiciosos. Para la ingeniería Sismorresistente de hoy, el Diseño Orientado al desempeño constituye un valioso marco de referencia para discutir objetivos y para desarrollar procedimientos y líneas de trabajo que, en el futuro, hagan posible la construcción de edificios con buen comportamiento en múltiples escenarios de peligro.

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