Ingeniería sísmica

Parte de una serie sobre
Terremotos
Types Mainshock Foreshock Aftershock Blind thrust Doublet Interplate Intraplate Megathrust Remotely triggered Slow Submarine Supershear Tsunami Earthquake swarm
Causes Fault movement Volcanism Induced seismicity
Characteristics Epicenter Epicentral distance Hypocenter Shadow zone Seismic waves P wave S wave
Measurement Seismometer Seismic magnitude scales Seismic intensity scales
Prediction Coordinating Committee for Earthquake Prediction Forecasting
Other topics Shear wave splitting Adams–Williamson equation Flinn–Engdahl regions Earthquake engineering Seismite Seismology
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La ingeniería sísmica es una rama interdisciplinaria de la ingeniería que diseña y analiza estructuras , como edificios y puentes , teniendo en cuenta los terremotos . Su objetivo general es hacer que dichas estructuras sean más resistentes a los terremotos. Un ingeniero sísmico tiene como objetivo construir estructuras que no se dañen con temblores menores y que eviten daños graves o colapsos en un terremoto importante. Una estructura diseñada correctamente no tiene por qué ser necesariamente extremadamente fuerte o costosa. Tiene que estar diseñada adecuadamente para soportar los efectos sísmicos y al mismo tiempo soportar un nivel aceptable de daño.

La ingeniería sísmica es un campo científico que se ocupa de proteger a la sociedad, el medio ambiente natural y el entorno creado por el hombre de los terremotos al limitar el riesgo sísmico a niveles socioeconómicamente aceptables. ^[1] Tradicionalmente, se ha definido estrictamente como el estudio del comportamiento de las estructuras y geoestructuras sujetas a cargas sísmicas ; se considera como un subconjunto de la ingeniería estructural , la ingeniería geotécnica , la ingeniería mecánica , la ingeniería química , la física aplicada , etc. Sin embargo, los tremendos costos experimentados en los terremotos recientes han llevado a una expansión de su alcance para abarcar disciplinas del campo más amplio de la ingeniería civil , la ingeniería mecánica , la ingeniería nuclear y de las ciencias sociales , especialmente la sociología , la ciencia política , la economía y las finanzas . ^[2]

Los principales objetivos de la ingeniería sísmica son:

• Prever las posibles consecuencias de fuertes terremotos en zonas urbanas e infraestructura civil.
• Diseñar, construir y mantener estructuras para que resistan terremotos de acuerdo con las expectativas y en cumplimiento con los códigos de construcción . ^[3]

La carga sísmica es la aplicación de una excitación generada por un terremoto sobre una estructura (o geoestructura). Ocurre en las superficies de contacto de una estructura ya sea con el suelo, ^[5] con estructuras adyacentes, ^[6] o con ondas de gravedad de tsunamis . La carga que se espera en una ubicación determinada de la superficie de la Tierra se estima mediante sismología de ingeniería . Está relacionada con el riesgo sísmico de la ubicación.

El comportamiento sísmico o sísmico define la capacidad de una estructura para mantener sus funciones principales, como su seguridad y capacidad de servicio , durante y después de una exposición sísmica particular. Normalmente, se considera que una estructura es segura si no pone en peligro la vida y el bienestar de quienes se encuentran dentro o alrededor de ella al derrumbarse parcial o totalmente. Una estructura puede considerarse apta para el servicio si es capaz de cumplir con las funciones operativas para las que fue diseñada.

Los conceptos básicos de la ingeniería sísmica, implementados en los principales códigos de construcción, suponen que un edificio debería sobrevivir a un terremoto raro y muy severo, sufriendo daños significativos pero sin colapsar globalmente. ^[7] Por otro lado, debería permanecer operativo para eventos sísmicos más frecuentes, pero menos severos.

Los ingenieros necesitan conocer el nivel cuantificado del comportamiento sísmico real o previsto asociado con el daño directo a un edificio individual sujeto a un movimiento sísmico específico. Esta evaluación puede realizarse de forma experimental o analítica.

Las evaluaciones experimentales son pruebas costosas que generalmente se realizan colocando un modelo (a escala) de la estructura en una mesa vibratoria que simula el temblor de la tierra y observando su comportamiento. ^[8] Este tipo de experimentos se realizaron por primera vez hace más de un siglo. ^[9] Solo recientemente se ha vuelto posible realizar pruebas a escala 1:1 en estructuras completas.

Debido a la naturaleza costosa de tales pruebas, tienden a utilizarse principalmente para comprender el comportamiento sísmico de las estructuras, validar modelos y verificar métodos de análisis. Por lo tanto, una vez validados adecuadamente, los modelos computacionales y los procedimientos numéricos tienden a asumir la mayor parte de la carga de la evaluación del desempeño sísmico de las estructuras.

La evaluación del desempeño sísmico o el análisis estructural sísmico es una poderosa herramienta de ingeniería sísmica que utiliza el modelado detallado de la estructura junto con métodos de análisis estructural para obtener una mejor comprensión del desempeño sísmico de las estructuras de edificios y no edificios . La técnica como concepto formal es un desarrollo relativamente reciente.

En general, el análisis estructural sísmico se basa en los métodos de dinámica estructural . ^[10] Durante décadas, el instrumento más destacado del análisis sísmico ha sido el método del espectro de respuesta sísmica , que también contribuyó al concepto del código de construcción propuesto en la actualidad. ^[11]

Sin embargo, estos métodos sólo son buenos para sistemas elásticos lineales, siendo en gran medida incapaces de modelar el comportamiento estructural cuando aparece daño (es decir, no linealidad ). La integración numérica paso a paso demostró ser un método de análisis más eficaz para sistemas estructurales de múltiples grados de libertad con una no linealidad significativa bajo un proceso transitorio de excitación del movimiento del suelo . ^[12] El uso del método de elementos finitos es uno de los enfoques más comunes para analizar modelos informáticos de interacción suelo-estructura no lineal .

Básicamente, el análisis numérico se lleva a cabo para evaluar el desempeño sísmico de los edificios. Las evaluaciones de desempeño generalmente se llevan a cabo mediante el uso de análisis pushover estático no lineal o análisis de historial temporal no lineal. En tales análisis, es esencial lograr un modelado no lineal preciso de componentes estructurales como vigas, columnas, uniones viga-columna, muros de corte, etc. Por lo tanto, los resultados experimentales juegan un papel importante en la determinación de los parámetros de modelado de los componentes individuales, especialmente aquellos que están sujetos a deformaciones no lineales significativas. Luego, los componentes individuales se ensamblan para crear un modelo no lineal completo de la estructura. Los modelos creados de esta manera se analizan para evaluar el desempeño de los edificios.

Las capacidades del software de análisis estructural son una consideración importante en el proceso anterior, ya que restringen los posibles modelos de componentes, los métodos de análisis disponibles y, lo más importante, la robustez numérica. Esto último se convierte en una consideración importante para las estructuras que se aventuran en el rango no lineal y se acercan al colapso global o local a medida que la solución numérica se vuelve cada vez más inestable y, por lo tanto, difícil de alcanzar. Hay varios software de análisis de elementos finitos disponibles comercialmente, como CSI-SAP2000 y CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS y Ansys , todos los cuales se pueden utilizar para la evaluación del desempeño sísmico de los edificios. Además, existen plataformas de análisis de elementos finitos basadas en la investigación, como OpenSees , MASTODON, que se basa en el marco MOOSE , RUAUMOKO y el antiguo DRAIN-2D/3D, varios de los cuales ahora son de código abierto.

La investigación en ingeniería sísmica significa tanto la investigación de campo como la investigación analítica o la experimentación destinada al descubrimiento y la explicación científica de hechos relacionados con la ingeniería sísmica, la revisión de conceptos convencionales a la luz de nuevos hallazgos y la aplicación práctica de las teorías desarrolladas.

La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) es la principal agencia del gobierno de los Estados Unidos que apoya la investigación y la educación fundamentales en todos los campos de la ingeniería sísmica. En particular, se centra en la investigación experimental, analítica y computacional sobre el diseño y la mejora del rendimiento de los sistemas estructurales.

El Instituto de Investigación en Ingeniería Sísmica (EERI) es líder en la difusión de información relacionada con la investigación en ingeniería sísmica tanto en los EE. UU. como a nivel mundial.

Se puede encontrar una lista definitiva de mesas vibratorias relacionadas con la investigación en ingeniería sísmica en todo el mundo en Experimental Facilities for Earthquake Engineering Simulation Worldwide. ^[13] La más destacada de ellas es actualmente la mesa vibratoria E-Defense en Japón . ^[14]

La NSF también apoya la Red George E. Brown, Jr. para la Simulación de Ingeniería Sísmica

El programa de Ingeniería Estructural y Mitigación de Riesgos (HMSE) de la NSF apoya la investigación sobre nuevas tecnologías para mejorar el comportamiento y la respuesta de los sistemas estructurales sujetos a riesgos sísmicos; la investigación fundamental sobre seguridad y confiabilidad de los sistemas construidos; desarrollos innovadores en análisis y simulación basada en modelos del comportamiento y la respuesta estructural, incluida la interacción suelo-estructura; conceptos de diseño que mejoran el rendimiento y la flexibilidad de las estructuras; y la aplicación de nuevas técnicas de control para sistemas estructurales. ^[15]

(NEES) que promueve el descubrimiento de conocimientos y la innovación para la reducción de pérdidas de la infraestructura civil del país por terremotos y tsunamis y nuevas técnicas e instrumentación de simulación experimental. ^[16]

La red NEES cuenta con 14 laboratorios de uso compartido distribuidos geográficamente que respaldan varios tipos de trabajo experimental: ^[16] investigación de centrifugadoras geotécnicas, pruebas de mesa vibratoria , pruebas estructurales a gran escala, experimentos en cuencas de olas de tsunami e investigación de campo. ^[17] Las universidades participantes incluyen: Universidad de Cornell ; Universidad de Lehigh ; Universidad Estatal de Oregón ; Instituto Politécnico Rensselaer ; Universidad de Buffalo , Universidad Estatal de Nueva York ; Universidad de California, Berkeley ; Universidad de California, Davis ; Universidad de California, Los Ángeles ; Universidad de California, San Diego ; Universidad de California, Santa Bárbara ; Universidad de Illinois, Urbana-Champaign ; Universidad de Minnesota ; Universidad de Nevada, Reno ; y la Universidad de Texas, Austin . ^[16]

Los sitios de equipamiento (laboratorios) y un repositorio central de datos están conectados a la comunidad global de ingeniería sísmica a través del sitio web NEEShub. El sitio web NEES funciona con el software HUBzero desarrollado en la Universidad de Purdue para nanoHUB específicamente para ayudar a la comunidad científica a compartir recursos y colaborar. La ciberinfraestructura, conectada a través de Internet2 , proporciona herramientas de simulación interactivas, un área de desarrollo de herramientas de simulación, un repositorio central de datos curado, presentaciones animadas, soporte al usuario, telepresencia, mecanismo para cargar y compartir recursos, y estadísticas sobre usuarios y patrones de uso.

Esta ciberinfraestructura permite a los investigadores: almacenar, organizar y compartir datos de forma segura dentro de un marco estandarizado en una ubicación central; observar y participar de forma remota en experimentos mediante el uso de datos y videos sincronizados en tiempo real; colaborar con colegas para facilitar la planificación, el desempeño, el análisis y la publicación de experimentos de investigación; y realizar simulaciones computacionales e híbridas que pueden combinar los resultados de múltiples experimentos distribuidos y vincular experimentos físicos con simulaciones por computadora para permitir la investigación del desempeño general del sistema.

Estos recursos proporcionan conjuntamente los medios para la colaboración y el descubrimiento para mejorar el diseño sísmico y el rendimiento de los sistemas de infraestructura civil y mecánica.

Las primeras simulaciones de terremotos se realizaron aplicando estáticamente algunas fuerzas de inercia horizontales basadas en aceleraciones máximas del suelo escaladas a un modelo matemático de un edificio. ^[18] Con el mayor desarrollo de las tecnologías computacionales, los enfoques estáticos comenzaron a dar paso a los dinámicos .

Los experimentos dinámicos en estructuras de edificios y no edificios pueden ser físicos, como las pruebas en mesa vibratoria , o virtuales. En ambos casos, para verificar el desempeño sísmico esperado de una estructura, algunos investigadores prefieren trabajar con los llamados "historiales en tiempo real", aunque estos últimos no pueden ser "reales" para un terremoto hipotético especificado por un código de construcción o por algunos requisitos de investigación particulares. Por lo tanto, existe un fuerte incentivo para realizar una simulación de terremotos, que es la información sísmica que posee solo las características esenciales de un evento real.

A veces la simulación de un terremoto se entiende como una recreación de los efectos locales de un fuerte temblor de tierra.

La evaluación teórica o experimental del desempeño sísmico previsto requiere en la mayoría de los casos una simulación estructural que se basa en el concepto de semejanza o similitud estructural. La similitud es un cierto grado de analogía o semejanza entre dos o más objetos. La noción de similitud se basa en repeticiones exactas o aproximadas de patrones en los elementos comparados.

En general, se dice que un modelo de construcción tiene similitud con el objeto real si los dos comparten similitud geométrica , similitud cinemática y similitud dinámica . El tipo de similitud más vívido y efectivo es el cinemático . La similitud cinemática existe cuando las trayectorias y velocidades de las partículas en movimiento de un modelo y su prototipo son similares.

El máximo nivel de similitud cinemática es la equivalencia cinemática cuando, en el caso de la ingeniería sísmica, los historiales temporales de los desplazamientos laterales de cada piso del modelo y su prototipo serían los mismos.

El control de vibraciones sísmicas es un conjunto de medios técnicos destinados a mitigar los impactos sísmicos en estructuras edificadas y no edificadas . Todos los dispositivos de control de vibraciones sísmicas pueden clasificarse como pasivos , activos o híbridos ^[20] donde:

• Los dispositivos de control pasivo no tienen capacidad de retroalimentación entre ellos, los elementos estructurales y el suelo;
• Los dispositivos de control activo incorporan instrumentación de registro en tiempo real en el terreno integrada con equipos de procesamiento de entrada de terremotos y actuadores dentro de la estructura;
• Los dispositivos de control híbridos tienen características combinadas de los sistemas de control activo y pasivo. ^[21]

Cuando las ondas sísmicas terrestres alcanzan alturas y empiezan a penetrar la base de un edificio, su densidad de flujo de energía, debido a las reflexiones, se reduce drásticamente: normalmente, hasta un 90%. Sin embargo, las porciones restantes de las ondas incidentes durante un gran terremoto aún tienen un enorme potencial devastador.

Después de que las ondas sísmicas ingresan a una superestructura , existen varias formas de controlarlas para aliviar su efecto dañino y mejorar el desempeño sísmico del edificio, por ejemplo:

• disipar la energía de las olas dentro de una superestructura con amortiguadores diseñados adecuadamente ;
• para dispersar la energía de las ondas entre un rango más amplio de frecuencias;
• absorber las porciones resonantes de toda la banda de frecuencias de onda con la ayuda de los llamados amortiguadores de masa . ^[22]

Los dispositivos de este último tipo, abreviados correspondientemente como TMD para los amortiguadores de masa sintonizados ( pasivos ), como AMD para los activos y como HMD para los amortiguadores de masa híbridos , se han estudiado e instalado en edificios de gran altura , predominantemente en Japón, durante un cuarto de siglo. ^[23]

Sin embargo, existe otro enfoque: la supresión parcial del flujo de energía sísmica hacia la superestructura, lo que se conoce como aislamiento sísmico o de base .

Para ello, se insertan unas almohadillas dentro o debajo de todos los elementos principales que soportan cargas en la base del edificio, lo que debería desacoplar sustancialmente una superestructura de su subestructura que descansa sobre un terreno inestable.

La primera evidencia de protección sísmica mediante el principio de aislamiento de base se descubrió en Pasargadae , una ciudad de la antigua Persia, hoy Irán, y data del siglo VI a. C. A continuación, se muestran algunos ejemplos de tecnologías de control de vibraciones sísmicas actuales.

El Perú es un país altamente sísmico ; durante siglos, la construcción con piedra seca demostró ser más resistente a los terremotos que la que utilizaba mortero. Los pueblos de la civilización inca eran maestros en la construcción de "muros de piedra seca" pulidos, llamados sillares , en los que se cortaban bloques de piedra para que encajaran perfectamente entre sí sin necesidad de mortero . Los incas estaban entre los mejores albañiles que el mundo haya visto jamás ^[24] y muchas de las uniones de su mampostería eran tan perfectas que ni siquiera las briznas de hierba podían caber entre las piedras.

Las piedras de los muros de piedra seca construidos por los incas podían moverse ligeramente y reasentarse sin que los muros colapsaran, una técnica de control estructural pasivo que emplea tanto el principio de disipación de energía (amortiguación de Coulomb) como el de supresión de amplificaciones resonantes . ^[25]

Normalmente, los amortiguadores de masa sintonizados son enormes bloques de hormigón montados en rascacielos u otras estructuras y se mueven en oposición a las oscilaciones de frecuencia de resonancia de las estructuras mediante algún tipo de mecanismo de resorte.

El rascacielos Taipei 101 debe soportar vientos tifones y temblores sísmicos comunes en esta zona de Asia/Pacífico. Para ello, se diseñó e instaló sobre la estructura un péndulo de acero de 660 toneladas métricas que sirve como amortiguador de masa sintonizado. Suspendido desde el piso 92 hasta el 88, el péndulo oscila para disminuir las amplificaciones resonantes de los desplazamientos laterales en el edificio causados ​​por terremotos y fuertes ráfagas de viento .

Un amortiguador histerético tiene como objetivo proporcionar un rendimiento sísmico mejor y más confiable que el de una estructura convencional al aumentar la disipación de la energía sísmica de entrada . ^[26] Hay cinco grupos principales de amortiguadores histeréticos utilizados para este propósito, a saber:

• Amortiguadores viscosos de fluido (FVD)

Los amortiguadores viscosos tienen la ventaja de ser un sistema de amortiguación complementario. Tienen un bucle histérico ovalado y la amortiguación depende de la velocidad. Si bien es posible que se requiera un mantenimiento menor, los amortiguadores viscosos generalmente no necesitan reemplazarse después de un terremoto. Si bien son más costosos que otras tecnologías de amortiguación, se pueden usar tanto para cargas sísmicas como de viento y son el amortiguador histérico más comúnmente utilizado. ^[27]

• Amortiguadores de fricción (FD)

Los amortiguadores de fricción suelen estar disponibles en dos tipos principales, lineales y rotacionales, y disipan energía mediante calor. El amortiguador funciona según el principio de un amortiguador de Coulomb . Dependiendo del diseño, los amortiguadores de fricción pueden experimentar fenómenos de adherencia y deslizamiento y soldadura en frío . La principal desventaja es que las superficies de fricción pueden desgastarse con el tiempo y, por esta razón, no se recomiendan para disipar cargas de viento. Cuando se utilizan en aplicaciones sísmicas, el desgaste no es un problema y no requieren mantenimiento. Tienen un bucle histérico rectangular y, siempre que el edificio sea lo suficientemente elástico, tienden a volver a asentarse en sus posiciones originales después de un terremoto.

• Amortiguadores de fluencia metálicos (MYD)

Los amortiguadores metálicos de fluencia, como su nombre lo indica, ceden para absorber la energía del sismo. Este tipo de amortiguadores absorben una gran cantidad de energía, sin embargo, deben reemplazarse después de un sismo y pueden evitar que el edificio vuelva a su posición original.

• Amortiguadores viscoelásticos (VED)

Los amortiguadores viscoelásticos son útiles porque se pueden utilizar tanto para aplicaciones eólicas como sísmicas y, por lo general, se limitan a pequeños desplazamientos. Existe cierta preocupación en cuanto a la fiabilidad de la tecnología, ya que se ha prohibido el uso de algunas marcas en edificios en los Estados Unidos.

• Amortiguadores de péndulo de equilibrio (oscilación)

El aislamiento de la base busca evitar que la energía cinética del terremoto se transfiera a energía elástica en el edificio. Estas tecnologías lo hacen aislando la estructura del suelo, lo que le permite moverse de manera algo independiente. El grado en que se transfiere la energía a la estructura y cómo se disipa variará según la tecnología utilizada.

• Cojinete de caucho de plomo

El cojinete de caucho de plomo o LRB es un tipo de aislamiento de base que emplea una amortiguación fuerte . Fue inventado por Bill Robinson , un neozelandés. ^[28]

El mecanismo de amortiguación pesado incorporado en las tecnologías de control de vibraciones y, en particular, en los dispositivos de aislamiento de base, a menudo se considera una fuente valiosa para suprimir las vibraciones, mejorando así el rendimiento sísmico de un edificio. Sin embargo, para los sistemas más flexibles, como las estructuras aisladas de base, con una rigidez de apoyo relativamente baja pero con una amortiguación alta, la llamada "fuerza de amortiguación" puede resultar la principal fuerza de empuje en un terremoto fuerte. El video ^[29] muestra un cojinete de caucho de plomo que se está probando en la instalación Caltrans-SRMD de la UCSD . El cojinete está hecho de caucho con un núcleo de plomo. Fue una prueba uniaxial en la que el cojinete también estaba bajo una carga de estructura completa. Muchos edificios y puentes, tanto en Nueva Zelanda como en otros lugares, están protegidos con amortiguadores de plomo y cojinetes de plomo y caucho. Te Papa Tongarewa , el museo nacional de Nueva Zelanda, y los edificios del Parlamento de Nueva Zelanda han sido equipados con los cojinetes. Ambos están en Wellington, que se encuentra sobre una falla activa . ^[28]

• Aislador de base con resortes y amortiguador

En la fotografía tomada antes del terremoto de Northridge de 1994 se muestra un aislador de base con resortes y amortiguador instalado debajo de una casa adosada de tres pisos en Santa Mónica , California . Es un dispositivo de aislamiento de base conceptualmente similar al cojinete de caucho de plomo .

Una de dos casas adosadas de tres pisos como ésta, que estaba bien instrumentada para registrar aceleraciones verticales y horizontales en sus pisos y en el suelo, sobrevivió a un fuerte temblor durante el terremoto de Northridge y dejó valiosa información registrada para estudios posteriores.

• Cojinete de rodillos simple

Un cojinete de rodillos simple es un dispositivo de aislamiento de base diseñado para proteger diversas estructuras, tanto de edificios como de otros tipos, contra impactos laterales potencialmente dañinos de terremotos fuertes.

Este soporte metálico de apoyo puede ser adaptado, con ciertas precauciones, como aislante sísmico para rascacielos y edificios sobre terreno blando. Recientemente, se ha empleado con el nombre de cojinete de rodillos metálicos para un complejo de viviendas (17 pisos) en Tokio, Japón . ^[30]

• Cojinete de péndulo de fricción

El cojinete de péndulo de fricción (FPB) es otro nombre del sistema de péndulo de fricción (FPS). Se basa en tres pilares: ^[31]

• deslizador de fricción articulado;
• superficie deslizante cóncava esférica;
• Cilindro de cierre para limitación de desplazamiento lateral.

A la derecha se presenta una instantánea con un enlace a un videoclip de una prueba de mesa vibratoria del sistema FPB que soporta un modelo de edificio rígido.

El diseño sísmico se basa en procedimientos, principios y criterios de ingeniería autorizados para diseñar o modernizar estructuras expuestas a terremotos. ^[18] Esos criterios solo son consistentes con el estado actual del conocimiento sobre estructuras de ingeniería sísmica . ^[32] Por lo tanto, un diseño de edificio que siga exactamente las regulaciones del código sísmico no garantiza la seguridad contra colapsos o daños graves. ^[33]

El precio de un diseño sísmico deficiente puede ser enorme. Sin embargo, el diseño sísmico siempre ha sido un proceso de ensayo y error , ya sea que se base en leyes físicas o en conocimientos empíricos sobre el desempeño estructural de diferentes formas y materiales.

Para practicar el diseño sísmico , el análisis sísmico o la evaluación sísmica de proyectos de ingeniería civil nuevos y existentes, un ingeniero debe, normalmente, aprobar el examen sobre Principios Sísmicos ^[34] que, en el Estado de California, incluyen:

• Datos sísmicos y criterios de diseño sísmico
• Características sísmicas de los sistemas de ingeniería
• Fuerzas sísmicas
• Procedimientos de análisis sísmico
• Detallado Sísmico y Control de Calidad de la Construcción

Para construir sistemas estructurales complejos, ^[35] el diseño sísmico utiliza en gran medida la misma cantidad relativamente pequeña de elementos estructurales básicos (por no hablar de los dispositivos de control de vibraciones) que cualquier proyecto de diseño no sísmico.

Normalmente, según los códigos de construcción, las estructuras están diseñadas para "resistir" el terremoto más grande de cierta probabilidad que pueda ocurrir en su ubicación. Esto significa que la pérdida de vidas debe minimizarse evitando el derrumbe de los edificios.

El diseño sísmico se lleva a cabo comprendiendo los posibles modos de falla de una estructura y brindándole a la estructura la resistencia , rigidez , ductilidad y configuración adecuadas ^[36] para garantizar que esos modos no puedan ocurrir.

Los requisitos de diseño sísmico dependen del tipo de estructura, la localidad del proyecto y sus autoridades, que estipulan los códigos y criterios de diseño sísmico aplicables. ^[7] Por ejemplo, los requisitos del Departamento de Transporte de California, denominados Criterios de Diseño Sísmico (SDC), dirigidos al diseño de nuevos puentes en California ^[37] incorporan un enfoque innovador basado en el rendimiento sísmico.

La característica más importante de la filosofía de diseño de SDC es el cambio de una evaluación de la demanda sísmica basada en la fuerza a una evaluación de la demanda y la capacidad basada en el desplazamiento. Por lo tanto, el enfoque de desplazamiento recientemente adoptado se basa en comparar la demanda de desplazamiento elástico con la capacidad de desplazamiento inelástico de los componentes estructurales primarios, al tiempo que se garantiza un nivel mínimo de capacidad inelástica en todas las posibles ubicaciones de las articulaciones plásticas.

Además de la estructura diseñada en sí, los requisitos de diseño sísmico pueden incluir una estabilización del suelo debajo de la estructura: a veces, el suelo muy sacudido se rompe, lo que provoca el colapso de la estructura que se asienta sobre él. ^[39] Los siguientes temas deben ser de principal preocupación: licuefacción; presiones laterales dinámicas de la tierra sobre los muros de contención; estabilidad sísmica de pendientes; asentamiento inducido por terremotos. ^[40]

Las instalaciones nucleares no deben poner en peligro su seguridad en caso de terremotos u otros eventos externos hostiles. Por lo tanto, su diseño sísmico se basa en criterios mucho más estrictos que los que se aplican a las instalaciones no nucleares. ^[41] Sin embargo, los accidentes nucleares de Fukushima I y los daños a otras instalaciones nucleares que siguieron al terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 han llamado la atención sobre las preocupaciones actuales sobre las normas japonesas de diseño sísmico nuclear y han hecho que muchos otros gobiernos reevalúen sus programas nucleares . También se han expresado dudas sobre la evaluación y el diseño sísmicos de algunas otras plantas, incluida la central nuclear de Fessenheim en Francia.

El modo de falla es la manera en que se observa una falla inducida por un terremoto. En general, describe la forma en que se produce la falla. Aunque es costoso y requiere mucho tiempo, aprender de cada falla sísmica real sigue siendo una receta habitual para avanzar en los métodos de diseño sísmico . A continuación, se presentan algunos modos típicos de fallas generadas por terremotos.

La falta de refuerzo, junto con un mortero deficiente y uniones inadecuadas entre el techo y las paredes, puede provocar daños importantes en un edificio de mampostería no reforzada . Las paredes muy agrietadas o inclinadas son algunos de los daños más comunes que se producen por terremotos. También son peligrosos los daños que pueden producirse entre las paredes y los diafragmas del techo o del piso. La separación entre el armazón y las paredes puede poner en peligro el soporte vertical de los sistemas de techo y piso.

Efecto de piso blando . La falta de rigidez adecuada en el nivel del suelo causó daños a esta estructura. Un examen minucioso de la imagen revela que el revestimiento de tablas ásperas, que alguna vez estuvo cubierto por una capa de ladrillo , se ha desmantelado por completo de la pared de montantes. Solo la rigidez del piso superior combinada con el soporte en los dos lados ocultos por paredes continuas, no perforadas con puertas grandes como en los lados de la calle, está evitando el colapso total de la estructura.

Licuefacción del suelo . En los casos en que el suelo está formado por materiales granulares sueltos depositados con tendencia a desarrollar una presión hidrostática intersticial excesiva de magnitud suficiente y compacta, la licuefacción de esos depósitos sueltos saturados puede dar lugar a asentamientos no uniformesy a la inclinación de las estructuras. Esto provocó importantes daños a miles de edificios en Niigata, Japón, durante el terremoto de 1964. ^[42]

Desprendimiento de rocas . Un deslizamiento de tierra es un fenómeno geológico que incluye una amplia gama de movimientos del suelo, incluidos los desprendimientos de rocas . Por lo general, la acción de la gravedad es la principal fuerza impulsora para que se produzca un deslizamiento de tierra, aunque en este caso hubo otro factor contribuyente que afectó la estabilidad original de la pendiente : el deslizamiento de tierra requirió un detonante sísmico antes de liberarse.

Golpes contra el edificio adyacente . Esta es una fotografía del derrumbe de la torre de cinco pisos del Seminario de San José en Los Altos, California, que causó una muerte. Durante el terremoto de Loma Prieta , la torre golpeó contra el edificio adyacente que vibraba independientemente. La posibilidad de golpes depende de los desplazamientos laterales de ambos edificios, que deben calcularse y tenerse en cuenta con precisión.

En el terremoto de Northridge , las juntas del edificio de oficinas de estructura de hormigón de Kaiser Permanente quedaron completamente destrozadas, lo que reveló un acero de confinamiento inadecuado , lo que provocó el colapso del segundo piso. En la dirección transversal, los muros de corte de los extremos compuestos , que consistían en dos capas de ladrillo y una capa de hormigón proyectado que soportaba la carga lateral, se desprendieron debido a tirantes pasantes inadecuados y fallaron.

• Sitio de construcción inadecuado en una colina .
• Mal detallado del refuerzo (falta de confinamiento del hormigón en las columnas y en las uniones viga-columna, longitud de empalme inadecuada).
• Piso blando sísmicamente débil en el primer piso.
• Voladizos largos con carga muerta pesada .

Efecto del deslizamiento de los cimientos de una estructura de un edificio residencial relativamente rígida durante el terremoto de Whittier Narrows de 1987. El terremoto de magnitud 5,9 golpeó el edificio de apartamentos Garvey West en Monterey Park, California y desplazó su superestructura unos 25 cm hacia el este sobre sus cimientos.

Si una superestructura no está montada sobre un sistema de aislamiento de base , se debe evitar su desplazamiento sobre el sótano.

Una columna de hormigón armado se rompió en el terremoto de Northridge debido a un modo de refuerzo de corte insuficiente que permite que el refuerzo principal se deforme hacia afuera. La plataforma se desprendió de la articulación y falló por corte. Como resultado, se derrumbó la sección del paso subterráneo La Cienega-Venice de la autopista 10.

Terremoto de Loma Prieta : vista lateral de la falla de las columnas de soporte de hormigón armado que provocaron el colapso del piso superior sobre el piso inferior del viaducto Cypress de dos niveles de la autopista interestatal 880, Oakland, CA.

Falla del muro de contención en el terremoto de Loma Prieta en el área de las montañas de Santa Cruz: grietas extensionales prominentes con dirección noroeste de hasta 12 cm (4,7 pulgadas) de ancho en el aliviadero de concreto de la presa Austrian, el estribo norte .

El temblor de tierra desencadenó la licuefacción del suelo en una capa subterránea de arena , lo que produjo un movimiento lateral y vertical diferencial en una capa suprayacente de arena y limo no licuados . Este modo de falla del suelo , denominado propagación lateral , es una de las principales causas de los daños causados ​​por los terremotos relacionados con la licuefacción. ^[43]

Edificio del Banco de Desarrollo Agrícola de China severamente dañado después del terremoto de Sichuan de 2008 : la mayoría de las vigas y columnas de los pilares están cortadas . Las grietas diagonales grandes en la mampostería y el revestimiento se deben a cargas en el plano, mientras que el asentamiento abrupto del extremo derecho del edificio se debe a un vertedero que puede ser peligroso incluso sin ningún terremoto. ^[44]

Doble impacto de los tsunamis : la presión hidráulica de las olas del mar y la inundación . Así, el terremoto del océano Índico del 26 de diciembre de 2004, con epicentro frente a la costa occidental de Sumatra , Indonesia, desencadenó una serie de tsunamis devastadores que mataron a más de 230.000 personas en once países al inundar las comunidades costeras circundantes con enormes olas de hasta 30 metros (100 pies) de altura. ^[46]

La construcción antisísmica significa la implementación de un diseño sísmico para permitir que las estructuras, tanto edificadas como no edificadas, resistan la exposición anticipada al terremoto según las expectativas y en cumplimiento con los códigos de construcción aplicables .

El diseño y la construcción están íntimamente relacionados. Para lograr una buena ejecución, el detalle de los elementos y sus conexiones debe ser lo más simple posible. Como cualquier construcción en general, la construcción sísmica es un proceso que consiste en la construcción, reacondicionamiento o montaje de infraestructuras de acuerdo con los materiales de construcción disponibles. ^[47]

La acción desestabilizadora de un sismo sobre las construcciones puede ser directa (movimiento sísmico del terreno) o indirecta (deslizamientos inducidos por sismo, licuefacción de suelos y ondas de tsunami).

Una estructura puede tener todas las apariencias de estabilidad, pero no ofrecer nada más que peligro cuando ocurre un terremoto. ^[48] El hecho crucial es que, para la seguridad, las técnicas de construcción resistentes a los terremotos son tan importantes como el control de calidad y el uso de materiales correctos. El contratista de terremotos debe estar registrado en el estado/provincia/país donde se ubica el proyecto (según las regulaciones locales), afianzado y asegurado ^{[ cita requerida ]} .

Para minimizar las posibles pérdidas , el proceso de construcción debe organizarse teniendo en cuenta que un terremoto puede ocurrir en cualquier momento antes del final de la construcción.

Cada proyecto de construcción requiere de un equipo calificado de profesionales que comprendan las características básicas del desempeño sísmico de las diferentes estructuras, así como la gestión de la construcción .

Alrededor del treinta por ciento de la población mundial vive o trabaja en construcciones hechas con tierra. ^[49] El adobe, un tipo de ladrillos de barro, es uno de los materiales de construcción más antiguos y más utilizados. El uso del adobe es muy común en algunas de las regiones más propensas a los riesgos del mundo, tradicionalmente en América Latina, África, el subcontinente indio y otras partes de Asia, Oriente Medio y el sur de Europa.

Los edificios de adobe se consideran muy vulnerables a terremotos fuertes. ^[50] Sin embargo, existen múltiples formas de fortalecimiento sísmico de edificios de adobe nuevos y existentes. ^[51]

Los factores clave para mejorar el desempeño sísmico de la construcción con adobe son:

• Calidad de construcción.
• Disposición compacta, tipo caja.
• Refuerzo sísmico. ^[52]

La piedra caliza es muy común en la arquitectura, especialmente en América del Norte y Europa. Muchos monumentos de todo el mundo están hechos de piedra caliza. Muchas iglesias y castillos medievales en Europa están hechos de mampostería de piedra caliza y arenisca . Son materiales duraderos, pero su peso elevado no es beneficioso para un rendimiento sísmico adecuado.

La aplicación de tecnología moderna a la rehabilitación sísmica puede mejorar la supervivencia de las estructuras de mampostería no reforzada. Por ejemplo, entre 1973 y 1989, el edificio Salt Lake City and County Building en Utah fue renovado y reparado exhaustivamente, con énfasis en preservar la exactitud histórica de su apariencia. Esto se hizo en conjunto con una modernización sísmica que colocó la débil estructura de arenisca sobre una base de aislamiento para protegerla mejor de los daños causados ​​por los terremotos.

La estructura de madera se remonta a miles de años y se ha utilizado en muchas partes del mundo durante varios períodos, como el antiguo Japón, Europa y la Inglaterra medieval, en localidades donde la madera era abundante y no había piedra de construcción ni las habilidades para trabajarla.

El uso de estructuras de madera en los edificios proporciona un armazón esquelético completo que ofrece algunos beneficios estructurales ya que la estructura de madera, si está diseñada adecuadamente, se presta a una mejor capacidad de supervivencia sísmica . ^[53]

Las estructuras de marco ligero generalmente obtienen resistencia sísmica de los muros de corte de madera contrachapada rígida y los diafragmas de paneles estructurales de madera . ^[54] Las disposiciones especiales para sistemas de resistencia a cargas sísmicas para todas las estructuras de madera diseñadas requieren la consideración de las relaciones de diafragma, los esfuerzos cortantes de diafragma horizontales y verticales y los valores de los conectores / sujetadores . Además, se requieren colectores o puntales de arrastre para distribuir el esfuerzo cortante a lo largo de la longitud del diafragma.

Un sistema de construcción donde el refuerzo de acero se incrusta en las juntas de mortero de la mampostería o se coloca en agujeros y que se rellenan con hormigón o lechada se llama mampostería reforzada . ^[55] Existen diversas prácticas y técnicas para reforzar la mampostería. El tipo más común es la mampostería de unidades huecas reforzadas .

Para lograr un comportamiento dúctil en la mampostería, es necesario que la resistencia al corte del muro sea mayor que la resistencia a la flexión . ^[56] La efectividad de los refuerzos tanto verticales como horizontales depende del tipo y calidad de las unidades de mampostería y del mortero .

El devastador terremoto de Long Beach de 1933 reveló que la mampostería es propensa a sufrir daños por terremotos, lo que llevó a que el Código Estatal de California hiciera obligatorio el refuerzo de mampostería en todo California.

El hormigón armado es un hormigón al que se le han incorporado barras de refuerzo de acero ( varillas de refuerzo ) o fibras para reforzar un material que de otro modo sería frágil . Puede utilizarse para producir vigas , columnas , suelos o puentes.

El hormigón pretensado es un tipo de hormigón armado que se utiliza para superar la debilidad natural del hormigón a la tensión. Se puede aplicar a vigas , suelos o puentes con una longitud mayor que la que se puede conseguir con el hormigón armado normal. Los tendones de pretensado (generalmente de cables o varillas de acero de alta resistencia) se utilizan para proporcionar una carga de sujeción que produce una tensión de compresión que compensa la tensión de tracción que, de lo contrario, experimentaría el elemento de compresión de hormigón debido a una carga de flexión.

Para evitar un colapso catastrófico en respuesta a un temblor de tierra (por el bien de la seguridad de las personas), una estructura tradicional de hormigón armado debe tener juntas dúctiles . Según los métodos utilizados y las fuerzas sísmicas impuestas, estos edificios pueden ser inmediatamente utilizables, requerir reparaciones extensas o tal vez haya que demolerlos.

Una estructura preesforzada es aquella cuya integridad , estabilidad y seguridad generales dependen, fundamentalmente, de un preesfuerzo . El preesfuerzo significa la creación intencional de tensiones permanentes en una estructura con el fin de mejorar su rendimiento en diversas condiciones de servicio. ^[57]

Existen los siguientes tipos básicos de pretensado:

• Precompresión (en su mayoría, con el propio peso de una estructura)
• Pretensado con tendones embebidos de alta resistencia
• Postesado con tendones de alta resistencia adheridos o no adheridos

Hoy en día, el concepto de estructura preesforzada se utiliza ampliamente en el diseño de edificios , estructuras subterráneas, torres de televisión, centrales eléctricas, instalaciones flotantes de almacenamiento y en alta mar, recipientes de reactores nucleares y numerosos tipos de sistemas de puentes . ^[58]

Una idea beneficiosa del pretensado era, aparentemente, familiar para los antiguos arquitectos romanos; véase, por ejemplo, el alto muro del ático del Coliseo funcionando como un dispositivo estabilizador para los pilares del muro de abajo.

Las estructuras de acero se consideran en su mayoría resistentes a los terremotos, pero se han producido algunas fallas. Una gran cantidad de edificios con armazón de acero soldado resistente a los momentos , que parecían a prueba de terremotos, experimentaron sorprendentemente un comportamiento frágil y resultaron peligrosamente dañados en el terremoto de Northridge de 1994. [ ^59] Después de eso, la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) inició el desarrollo de técnicas de reparación y nuevos enfoques de diseño para minimizar el daño a los edificios con armazón de acero resistente a los momentos en futuros terremotos. ^[60]

Para el diseño sísmico de estructuras de acero basado en el enfoque de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD), es muy importante evaluar la capacidad de una estructura para desarrollar y mantener su resistencia de apoyo en el rango inelástico . Una medida de esta capacidad es la ductilidad , que puede observarse en un material en sí , en un elemento estructural o en una estructura completa .

Como consecuencia de la experiencia del terremoto de Northridge , el Instituto Americano de Construcción en Acero ha introducido la norma AISC 358 "Conexiones precalificadas para marcos de acero resistentes a momentos especiales e intermedios". Las disposiciones de diseño sísmico de la AISC requieren que todos los marcos de acero resistentes a momentos empleen conexiones contenidas en la norma AISC 358 o el uso de conexiones que hayan sido sometidas a pruebas cíclicas de precalificación. ^[61]

La estimación de pérdidas por terremotos se define generalmente como una relación de daños ( DR ), que es una relación entre el costo de reparación de los daños causados ​​por un terremoto y el valor total de un edificio. ^[62] La pérdida máxima probable ( PML ) es un término común utilizado para la estimación de pérdidas por terremotos, pero carece de una definición precisa. En 1999, se elaboró ​​la norma ASTM E2026 'Guía estándar para la estimación de la capacidad de daño de los edificios en terremotos' con el fin de estandarizar la nomenclatura para la estimación de pérdidas sísmicas, así como establecer pautas sobre el proceso de revisión y las calificaciones del revisor. ^[63]

Las estimaciones de pérdidas por terremotos también se conocen como evaluaciones de riesgo sísmico . El proceso de evaluación de riesgo generalmente implica determinar la probabilidad de varios movimientos del suelo junto con la vulnerabilidad o el daño del edificio bajo esos movimientos. Los resultados se definen como un porcentaje del valor de reemplazo del edificio. ^[64]

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