EL DISEÑO DEL EDIFICIO FRENTE AL SISMO

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En un post anterior y bastante reciente, hablamos de lo que era un sismo y como se producía, vamos a hablar en este, de las posibles soluciones que permitan poder atenuar sus efectos, aunque como ya sabemos por la dolorosa experiencia, que poco podemos hacer cuando las fuerzas de la naturaleza se “desatan” contra nosotros.

 

Se producen temblores de tierra casí de forma contínua, G a D, una cantidad mínima son de escala alta, pero estos producen efectos terribles, capaces de destruir ciudades enteras y causar gran cantidad de muertes.

Hay en la actualidad métodos capaces de dar algo de protección frente a estos efectos de la naturaleza, podemos tener en cuenta los ejemplos de lucha constante contra el sismo de países como el Japón, México, Centro – America, Ecuador, Colombia, Venezuela, Perú y Chile, etc.. donde intentan adaptar sus construcciones a las normas de construcción sismo – resistente, para minimizar los efectos del sismo, sobre todo en lo relativo a las pérdidas humanas. Pero la pregunta es la siguiente;

¿ Podemos hacer algo para combatirlos ?

Aunque no podemos librarnos de ellos, podemos INTENTAR reducir su efectos con el diseño y materiales adecuados, como veremos más adelante…. pero que es un sismo ??

EL SISMO

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Es el movimiento de la Tierra, causado por la brusca liberación de energía acumulada. La corteza de la Tierra está conformada por una docena de placas “placas tectónicas”, las cuales se van “acomodando” para darle forma a la superficie del planeta originando los continentes y los relieves geográficos., este proceso continúa hoy en día.

 

Cuando las placas “chocan” entre sí impidiendos su normal desplazamiento, entonces una placa se desplaza sobre ó bajo la otra placa. Si el desplazamiento queda coartado se comienza a acumular energía de TENSIÓN. Cuando esa energía se LIBERA una placa se moverá de forma brusca sobre la otra ROMPIÉNDOLA y liberando la energía que crea el TERREMOTO.

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ESCALA DE MEDICIÓN

Se hace mediante el SISMOGRÁFO ( Sismograma ). En un papel recoge la vibración de la tierra y nos informa de su magnitud y duración.

 

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Registra dos tipos de ondas, las superficiales ( se mueven en la superficie terrestre y son las de mayor vibración ) y las centrales P Y S ( viajan en la profundidad de la tierra )

 

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ESCALA

Cada terremoto tiene una magnitud única, su efecto variará grandemente según la distancia, la condición del terreno, los estándares de construcción y otros factores.

 

Resulta más útil entonces catalogar cada terremoto según su energía intrínseca. Esta clasificación debe ser un número único para cada evento, y este número no debe verse afectado por las consecuencias causadas.

Las escalas de medición existentes son LA RITCHER, LA MERCALLI y la que se emplea en la actualidad que es la MSK.

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METODOS DE ENSAYO

Existe hoy en día dos métodos para la simulación en laboratorio del proceso de un sismo y las consecuencias directas sobre un edificio. Los edificios empleados son a escala , tanto de edificios completos como de parte de estos y estos métodos son;

– mesa vibradora
– muro de reacción y suelo reforzado

Sobre estos edificios totalmente monitorizados se “crea” un sismo de forma artificial y la misión principal de estos ensayos, es la de obtener datos acerca de las deformaciones, tensiones, inclinaciones y fuerza a la que han estado sometidos.

 

Las principales conclusiones a las que se ha llegado han sido…

1ª Independizar el edificio del suelo,de forma que las vibraciones que transmite el terreno, no le lleguen y por tanto no le afecten.(los cojinetes comentados con anterioridad).

2ª Concentrar los daños estructurales en partes predefinidas, permitiendo disipar gran parte de la energía producida por el sismo. ( armado de nudos, uniones viga-pilar )

3ª Los componentes no estructurales ( fachadas, tabiques, techos, acabados ), deben de estar bien conectados y no interaccionar con la estructura. Un fallo en la conexión puede producir que se desprendan y causar accidentes.

EFECTOS DEL SISMO

El sismo es consecuencia del movimiento de las placas tectónicas. Provoca un movimiento de la masa terrestre caracterizado por oscilaciones en tres direcciones. El sismo provoca un movimiento muy rápido del edificio, la masa del edificio multiplicada por la aceleración del sismo produce fuerzas muy grandes que pueden llevar al edificio al colapso.

Hemos de distinguir los efectos que se producen en la estructura y los que se producen en el resto de elementos del edificio.

La Norma Sismo – Resistente existente en España NCSE y EUROCÓDIGO 8 y creo que en el resto de países tiende a proteger principalmente que la estructura no colapse, pero no contempla la protección de fachadas, tabiquerias, falsos techos, que son los que finalmente producen las victimas.

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Estructura

El cálculo que normalmente se realiza es para efectos gravitatorios ( cargas estáticas ). Las cargas que produce un sismo son dinámicas, se produce un movimiento vibratorio que remueve los edificios y lo hace tanto horizontal como verticalmente.

Las más peligrosas son las fuerzas horizontales, estas causan un desplazamiento del edificio,… cuando este se detiene, el edificio tiende a recobrar su posición inicial. En ese momento la estructura del edificio comienza un movimiento vibratorio – oscilatorio, deformándose a partir de su posición inicial.

La posible respuesta de la estructura puede ser plástico-elástica ( recupera su forma ) ó puede ser frágil, con lo que se produce el colapso de la estructura y del edificio.

Normalmente se producen grandes deformaciones y la rotura de partes del edificio y esto dependerá de la frecuencia de la oscilación y del fenómeno de resonancia que pueda producirse ( resonancia = el edificio y el sismo tienen coincidencia en el tipo de frecuencia de la onda ).

Comentar que los materiales estructurales más adecuados para el sismo son la Madera y el Hormigón (concreto) Armado por su mayor elasticidad.

Hay que tener en cuenta el tamaño del edificio, es muy importante…Las fuerzas de inercia que se producen por efecto del sismo, son mayores cuanto mayor es el edificio.

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RIGIDEZ – RESISTENCIA

Son conceptos que muchas veces se confunden. La resistencia es la capacidad de carga que puede soportar un elemento estructural antes de entran en colapso. La rigidez es la capacidad que tienen un elemento estructural para oponerse a ser deformado.

Las estructuras modernas de solución porticada, compuesta de vigas y pilares unidas en sus nudos y constituyendo un elemento con continuidad estructural. Esa unión es decisiva para su RIGIDEZ ó lo que es lo mismo en su deformabilidad.

 

ASPECTOS DE DISEÑO A TENER EN CUENTA

Diseñar los edificios simétricos y rectangulares sin elementos que sobresalgan, de otra forma padeceran en mayor medida los esfuerzos de torsión. La falta de simetría produce excentricidad entre centro de masa y de rigidez–aparición de momentos torpores–torsión.

Los edificios grandes se deben “dividir” en varias partes permitiendo conservar su simetría.

La propagación de las ondas sísmicas no es instantánea y su velocidad de propagación depende de la naturaleza del terreno y de las características de la estructura, por ello la cimentación vibrará a todo lo largo del edificio de forma asincrónica con diferentes acelaraciones, provocando esfuerzos longitudinales de tracción, compresión y desplazamientos longitudinales.

Para edificios grandes ( de gran extensión en planta ) se deben de acortar las luces de diafragma.

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Los edificios altos tienen la problemática de que la altura influye en el período de oscilación, si aumentamos la altura lo hacemos también de la oscilación.

No hemos de perder de vista la resistencia perimetral, esta es necesaria para resistir los efectos de las torsiones en planta. Es decir, debemos incorporar elementos resistentes al sismo en la fachada del edificio. ( Pórticos, Pórticos con diagonales ).

 

Diseñar unos cimientos acorde al tipo de terreno. De los terreno debiles y blandos, se deben rechazar siempre que sea posible. La topografía del terreno es importante y mejor si está en terreno plano que con pendientes. La cimentación estará arriostrada en sus dos direcciones mediante vigas riostras y atada convenientemente al resto de la estructura.

Usar materiales dúctiles ( ductilidad= capacidad de deformarse ), la madera el acero y el hormigón ( concreto ) Armado son materiales ductiles y adecuados. Por contra el hormigón ( concreto ), adobe, fábricas de ladrillo son frágiles e inadecuadas.

Diseñar una estructura deformable ( deformación=capacidad de perder su forma sin colapsar y recobrarla total ó parcialmente ) que evite la concentración de tensiones. Se debe conseguir la estabilidad geométrica y de los materiales.

Diseñar para la resistencia de daños. La estructura debe estar perfectamente conectada en pilares y vigas y forjado. Para evitar el colapso de la estructura por fallo de un elemento.

Se debe de realizar una distribución de masas uniforme, tanto en planta como en altura. La variación de masa debe estar acompañada de variación de rigidez. Si la relación masa-rigidez cambia bruscamente, se produce concentración de tensiones y esfuerzos.

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SISTEMAS ESTRUCTURALES

Se consideran básicos tres;

– El de Pórtico .- Aguanta cargas verticales y sismicas
– Muros Estructurados .- Aguanta bien los movimientos
– Combinado de los dos anteriores

Es además muy importante tener en cuenta las cimentaciones ( fundaciones ) por son ellas las que inicialmente van a soportar el esfuerzo de las fuerzas horizontales que provoca el sismo.

Es importante que la estructura aguante pero también que las fachadas, tabiquerias y revestimientos interiores como los techos no colapsen y caigan con la consiguiente producción de accidentes.

Hay que tener en cuenta la resistencia del edificio, sin perder NUNCA de vista su RIGIDEZ. De esa forma aseguramos una adecuada transmisión de las cargas.
Sistemas que permiten “moverse” al edificio

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Sistemas que lo elevan de los cimientos

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Disipadores de la energía del sismo a través del edificio

EL AISLAMIENTO DE LA BASE

Ha aparecido como tecnología “novedosa”, el aislamiento de la base. El mismo consiste en reducir notablemente las vibraciones en la base ( cimientos ) del edificio. Esto lo isla de los movimientos del suelo. Se logra colocando unos “amortiguadores ” ( cojinetes ) en la base del cimiento y conectado al resto de la estructura.

Cuando se emplean, los movimientos laterales se producen en los cojinetes, reduciendo notablemente el movimiento en el edificio.

Otro método es el uso de dos capas de plástico de alta calidad por debajo de la estructura, que se deslizan una sobre la otra, reduciendo la fricción.


LA NORMATIVA SISMICA EN ESPAÑA

En España se creó en el año 1962 la Comisión Ministerial de Normas Sismorresistentes, para redactar una norma Española contra el Sismo. Contempló aspectos desde el diseño hasta la construcción y explotación de los edificios.

El territorio español queda marcado en tres zonas, según su grado de peligro sísmico ( sismicidad ) sismicidad baja – media – alta.

El objetivo de esta normativa y la actual NCSE y EUROCÓDIGO 8, tiene como objetivo, que NO se produzca el colapso de los edificios. A partir de esta clasificación se distingue el aspecto siguiente:

 

– Las obras de alcance limitado ( su destrucción no produce victimas, no tiene capacidad de interrumpir servicios primarios, no produce daños a terceros ).

– Las obras de gran alcance ( su destrucción pueda causar víctimas, tiene capacidad de interrumpir servicios primarios y puede producir daños a terceros ).

Con las reglas de diseño y cálculo que marca la Norma ,se espera de las edificaciones que….

1ª.- no sufran daños ante sismos menores
2ª.- resistan sismos moderados
3ª.- no colapsen ante grandes sismos aunque sufran daños estructurales importantes

Si decir para finalizar, que la Normativa Española es bastante estricta sobre todo en la Zona calificada de sismicidad alta.

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EL CASO DE JAPÓN

El tsunami de Japón del año 2011 fué producido por un sismo de GRADO 9 , trajó consigo 21.000 muertos y 380.000 personas sin hogar. Estas cifras podrían haber sido mucho mayores de no ser por que Japón dispone de una muy estricta normativa anti-sismica y está considerado como el país más preparado en todos los sentidos para este tipo de catástrofes.

Sus rascacielos y edificios construidos en los últimos 20 años se han mantenido imperturbables ante los sísmos.

Los rascacielos y edificios japoneses se balancean, están conformados por estructuras flexibles que permiten un cierto grado de deformación, que vibran e incluso se desplazan ligeramente. Estos edificios se “comportan como un junco”, este es flexible, se puede mover, se puede deformar y se va amoldando. Esa es la esencia de la construcción anti-sismo.

En todas las plantas disponen de encuentros articulados ( uniones pilares-vigas (nudos) que permiten cierta movilidad, este criterio es similar al adoptado para los esfuerzos de viento ya que este produce un empuje de menor intensidad pero “similar” al del sismo.

Japón cuenta además con el gran inconveniente de que la mayoría de su terreno donde se levantan gran parte de sus rascacielos y edificios es BLANDO, por lo que se ven abocados ó a mejorar el terreno compactándolo ó aislar al edificio de base, tema este ya tratado en un punto anterior del post. Los Japoneses han optado por esta segunda solución.

Los japoneses ya en el año 1962 a consecuencia del terremoto de Niigata, se dieron cuenta del fenómeno conocido como LICUEFACCIÓN de un enorme poder destructivo, que tumba los edificios cual si fueran de juguete.

La LICUEFACCIÓN se produce sobre terrenos saturados de agua, al producirse la sacudida sobre estos debida al sismo, el agua brota del suelo y el terreno pasa de estado solido a liquido. Cuando esto se produce, los edificios “flotan” sobre ese suelo liquido y pierden estabilidad. Los edificios caen hundidos en la tierra.

Los Japoneses están constantemente estudiando nuevas estructuras, nuevos materiales y haciendo ensayos en laboratorio, debido a que son conscientes de que por desgracia en el futuro habrá más terremotos debastadores. Su lucha sin descanso es para conseguir que el próximo terremoto, los edificios e infraestructuras resistan.

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REFLEXIONES

Se ha producido un importante progreso en la modelación y simulación de edificios contra el sismo, pero creo que la pregunta es …. ¿ Como de seguro debe de ser un edificio en un terremoto ?. ¿ Cuanto tiempo puede aguantar un edificio a un terremoto según su intensidad ?

Si debería darse el caso de que el terremoto más fuerte,no debería producir NUNCA el colapso de un edificio, si podemos permitir que sufra daños, pero no su desmoronamiento con la consiguiente pérdida de vidas humanas.

Por desgracia y como casí siempre, el tema afecta y produce sus efectos en mayor medida sobre los grupos de personas de menores recursos en todo el planeta. Sus construcciones están realizados con materiales inadecuados y frágiles y sin tener en cuenta las normas de diseño sismico y las más de las veces asentados sobre terrenos inadecuados . No están en modo alguno preparados para resistir los efectos de un sismo, aunque sea de mediana magnitud.

En manos del Legislador ( que cree comisiones redactoras de normas y haga cumplir estas ) y del Diseñador ( Debe aplicar las normas de la construcción antisismica ) y del Constructor ( que debe construir adecuadamente y con los materiales optimos y ceñirse al proyecto y las normas )… debeís todos de tener sensibilidad a la japonesa.

En vuestras manos está la posibilidad de evitar la pérdida de vidas humanas. Esto se debe de poner al alcance de todas las personas y sobre todo a los habitantes de zonas de máximo riesgo.

Me viene a la Memoria las imágenes desgraciadas del terremoto de Nepal del 2015, terremoto de alta intensidad y con una debastación aterradora. Si los edificios y las infraestructuras se hubieran construido adecuadamente ¿ Podriamos haber atenuado la catástrofe ? SEGURAMENTE SI.

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