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Monografia acerca de el modelo del metodo APA y la estructuras sismoresistentes
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UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO
FACULTAD DE INGENIERIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL.
TRABAJO MONOGRAFICO
CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES EN LA INGENIERIA CIVIL
PRESENTADO POR:
Arroyo Fernandez Baca, Gonzalo.
DOCENTE: Endara Vargas, Sonia
CUSCO – PERU
2015
DEDICATORIA
El presente trabajo va dedicado principalmente a mi familia, a todos mis familiares y
amigos, quienes han sido los que me han impulsado para seguir adelante en las buenas y
en las malas; además también de mis distinguidos profesores que siempre están ahí
apoyándome.
PRESENTACIÓN
PROFESORA DEL CURSO DE TALLER DE METODOS DE ESTUDIO
UNIVERSITARIO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA DE LA UNIVESIDAD
ANDINA DEL CUSCO.
SEÑORA PROFESORA:
SONIA ENDARA VARGAS
En cumplimiento al Contenido del curso y a las Directivas emanadas por su persona
pongo a su consideración el presente trabajo monográfico intitulado
“CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES EN LA INGENIERIA CIVIL”,
considero, que es un tema de actualidad, que merece un conocimiento y crítica por parte
de los estudiantes de la Ingeniera Civil
Cualquier sugerencia u observación al presente trabajo monográfico, será beneficiosa
para mi formación profesional.
GONZALO ARROYO FERNANDEZ BACA
INTRODUCCIÓN
La presente monografía, tiene el objetivo de conocer las Características de las
Construcciones Sismo resistentes, tomando en consideración que por nuestra formación
profesional, los ingenieros civiles debemos preveer e investigar la construcción de
diferentes obras sismo resistentes, de tal manera que minimicemos los Desastres
Naturales que ocasionan pérdidas materiales y humanas, tomando en consideración que
particularmente el Perú y especialmente la Región Cusco es una Zona altamente sísmica
y es necesario tomarlas providencias del caso de una manera técnica y científica.
La presente monografía es producto de la recopilación de Diversos Artículos sobre la
materia, que me permitirán hacer un análisis y critica, sobre este tema que debe ser de
conocimiento e investigación por parte de los Profesionales de la Ingeniería Civil.
Comprende las siguientes partes:
Presentación
Introducción
Contenido
Conclusiones
Bibliografía
Anexos
CONTENIDO
1. Estructuras Sismo Resistentes
En los últimos años el mundo ha sido sorprendido por distintos movimientos
sísmicos que han dado origen a una gran variedad de desastres estructurales,
como por ejemplo: la ruptura o desvanecimiento de ciertas edificaciones. Por
esta razón es evidente que los edificios más resistentes contra movimientos
sísmicos son aquellos que tienen una verdadera planificación, con un diseño y
una configuración estructural, los cuales son propicios a obtener la resistencia
suficiente para soportar las fuerzas generadas por un sismo.
2. Problemas Estructurales durante un terremoto
Los efectos que produce un terremoto son básicamente: temblor, rotura del
suelo y fuego.
Las condiciones de contorno son también parte básica delante del estudio de las
consecuencias de un movimiento del suelo:
Tipo de suelo: cuanto más rígido mejor
Topografía de la zona: cuanto más plana mejor
Hay otros factores que afectan a los daños producidos:
La configuración de la construcción del edificio
Las aberturas
La distribución de la rigidez en el edificio
La ductilidad
La cimentación
La calidad de la construcción.
Mecanismos de fallo de diferentes tipos de construcciones:
La Cubierta sostenida sobre dos paredes de cizalla
Un caso más habitual de cuatro paredes y una Losa en la parte superior:
Se ha de tener en cuenta, finalmente que las paredes acostumbran a tener
aberturas.
2.1. Los efectos que produce un terremoto
2.1.1. Temblor del suelo:
Hablamos del suelo sobre el cual está hecho la construcción y produce
aceleraciones, velocidades y desplazamientos que pueden afectar y pueden
llegar a destruir los edificios. Es el efecto que nos ayuda a diseñar los
edificios.
2.1.2. Rotura del suelo:
Evidentemente depende del tipo del suelo que tengamos, pero tanto la
rotura como el asentamiento o el derrumbamiento y también la licuefacción
del suelo tienen efectos no solo en la zona del edificio sino también en un
área de influencia que puede llegar a ser de kilómetros. La licuefacción es
muy peligrosa sobre todo para presas, puentes, cañerías enterradas o
edificios aguantados sobre suelos con muy poca densidad saturada.
2.1.3. Fuego:
El fuego es uno de los efectos más devastadores y menos tenidos en cuenta
en terremotos. Debe tenerse en cuenta que después de una primera sacudida
se corta el agua potable por lo que cuesta mucho mitigar el fuego.
2.2. Características elementales de una estructura sismo resistente.
Una estructura responde a un movimiento sísmico de diferentes maneras, según
su configuración y su diseño, las características más elementales de este tipo de
edificaciones son: el tipo de suelo donde se encuentra la edificación, los
materiales utilizados en la construcción del mismo, la resistencia de dichos
materiales, la forma de la estructura y su sistema de apoyo.
Mayormente cuando una edificación colapsa durante o después de un sismo, es a
causa de la carga vertical, la cual hace que el edificio caiga hacia abajo y no
hacia adelante, esto también ocurre porque las fuerzas laterales agotan cualquier
posibilidad de resistencia estructural y por efecto de la fuerza de gravedad la
estructura se debilita hacia abajo (Arnold, 1991).
Por esta razón se deben estudiar cada una de las características de un edificio
propicio para soportar las fuerzas de un sismo y no desvanecerse durante el
mismo.
Tomando en cuenta la forma de los edificios lo más probable es que durante un
movimiento sísmico cada una de las secciones se muevan de manera distinta, es
por esta razón que se recomienda que cada sección se construya por separado y
se unan por medio de pasillos que permitan cierta estabilidad al momento de un
sismo; también es recomendable construir edificios con una uniformidad tanto
en su planta y alzado como en su sistema constructivo y materiales, debido a que
en edificios de este tipo el cálculo contra sismos es mucho más fácil y concreto.
Tomando en cuenta los materiales de construcción, para obtener un mejor
resultado en cuanto a la resistencia de un edificio durante un sismo, se
recomienda que los materiales sean de buena calidad para garantizar una
resistencia suficiente por parte de la estructura, del mismo modo dicha esta
estructura podrá absorber las energías que las fuerzas sísmicas le otorgan a
edificio cuando estas actúan.
En las fachadas dan mejores resultados los recubrimientos integrales, se deben
usar elementos debidamente anclados para que las losas puedan sujetarse y les
permitan moverse gracias a un espacio que se deja entre ellas, esto se hace con la
finalidad de obtener un equilibrio entre el sismo y el edificio.
Basándonos en el tipo de estructura, una edificación tiene mayor resistencia
sísmica si su estructura es sólida, simétrica, uniforme y continua; se
recomiendan las estructuras de concreto armado o las de acero, construidas con
verdaderas armaduras que tengan mayor rigidez. La mayoría de las estructuras
sismo resistentes se caracterizan por las uniones de sus elementos, es decir, los
empotramientos de sus viguetas en cada una de sus columnas.
Es importante destacar que el edificio no se ve afectado por el movimiento del
suelo sino por las fuerzas de inercia generadas internamente, esas fuerzas se
generan a causa de la vibración del edificio durante un sismo. La masa es una
característica del edificio, sin embargo, la aceleración es una función de la
naturaleza del temblor, debido a que es una fuerza, por lo general, un aumento
de la masa produce un aumento de la fuerza.
Una edificación debe tener una planificación sismo resistente, la cual debe
someterse a una serie de pruebas para poder calcular de manera concreta las
diferentes respuestas del edificio al momento de un sismo; estas respuestas son
cada vez más favorables si la edificación posee las características más adecuadas
para una construcción sismo resistente, es decir, si se utilizan materiales de
buena calidad, se construyen los edificios por secciones, se construyen en
terrenos firmes con una buena cimentación y se construyen estructuras sólidas,
simétricas y uniformes.
Sin embargo, los sismos son impredecibles, por lo tanto, las edificaciones no
siempre respondes según los cálculos realizados, es por esto que siempre se debe
hacer un mantenimiento habitual en la edificación y así, ésta esté preparada para
propiciar la suficiente resistencia ante un sismo en cualquier momento.
3. Como es una construcción sismo resistente
Ahora que la naturaleza arremete contra las moles de concreto y peor aún, contra las
vidas de quienes las habitan, las personas se preguntan cómo es una construcción
sismo resistente.
Hay varios aspectos que conviene señalar y otros que por su carácter técnico,
competen más a los arquitectos e ingenieros; por eso, aunque hay una gama extensa
de materiales y de especificaciones, vale la pena reseñar algunos datos que no
sobran a la hora de adquirir vivienda.
Son importantes la preparación del terreno, las excavaciones, los cimientos, las
capas aisladoras, la mampostería, los techos, la electricidad, las obras hidráulicas y
sanitarias, los cielos rasos, la carpintería... en fin, una extensa lista de exigencias
cuya función, además de la apariencia estética final, es la de crear estructuras
capaces de soportar los sismos.
Actualmente, en este aspecto, las construcciones no se realizan por catálogo ; es
decir, para un arquitecto es obvio e indispensable el uso de mejores estructuras, atrás
quedó la construcción sismo resistente como un lujo más, todos son conscientes de
su necesidad.
Para ello, los expertos tienen un cuidado muy especial en el diseño, en la
construcción y en la interventoría; por ejemplo, para obras de más de 25 unidades de
vivienda o de más de 200 metros cuadrados hay que tener en cuenta la respuesta
sísmica del suelo, sus especificaciones y obviamente, la calidad real de los
materiales.
En ese caso, la supervisión técnica de profesionales (ingenieros civiles y arquitectos)
es muy importante.
Diseño estructural En el diseño estructural son básicos tres sistemas: el de pórtico,
que resiste cargas verticales y sísmicas; los muros estructurados, que resisten los
movimientos en un alto grado, y el sistema dual que combina los anteriores.
Hay muros de soporte tradicionales; están dispuestos para aguantar el peso del techo
y del entrepiso y de paso sirven como medio para transmitirlo al suelo.
Los mixtos, que son de otra clase, se utilizan como apoyo en los muros exteriores;
en los interiores de la planta se disponen columnas y en algunos casos se utilizan las
vigas de hormigón armado.
La tercera clase de sistemas estructurales la conforman los Independientes; son los
característicos de las construcciones contemporáneas. Un esqueleto monolítico
armado o una estructura de perfiles de hierro que soporta el peso de la casa, incluso
de las paredes.
También es importante informarse y asesorarse acerca de los sistemas de
cimentación, ya que las bases son las que soportan las cargas que si son óptimas
ayudan a contrarrestar, en mediana medida, los daños estructurales.
La idea es que resistan las fuerzas verticales y horizontales que se generan durante
un temblor, que soporten sismos de intensidad intermedia para que los acabados no
sufran, aunque se deterioren las estructuras; también es necesario que soporten
sismos de intensidad alta; en este caso, lógicamente se dañarían, entre otros, los
enchapados, pero pueden ser reparados dijo el ingeniero Telésforo Chacón.
Alto riesgo...
Dentro de las pautas que debe conocer el común de la gente, están los requisitos de
alto riesgo, que a la postre son indispensables para todas las construcciones.
Los arquitectos e ingenieros hacen énfasis en el concreto reforzado (con armadura
de hierro), en la calidad del acero estructural y en la mampostería.
Hay que tener en cuenta que las edificaciones requieren de una resistencia sísmica
adecuada en todas las direcciones; eso garantiza la estabilidad de las estructuras.
Para ello, es importante cerciorarse no solo de su resistencia total, sino de su rigidez;
así se establece el adecuado transporte de las cargas, aspecto clave para el diseño de
los cimientos.
No hay que alarmarse si dentro del proyecto de construcción de un edificio sismo
resistente, se plantea la posibilidad de utilizar materiales prefabricados; es una
opción válida, siempre y cuando el análisis arroje resultados óptimos de resistencia
y de capacidad.
Es importante saber sobre el tema; la situación es compleja, pero no alarmante si se
toman las medidas necesarias.
La responsabilidad es de todos; de los profesionales con obras óptimas y, en casos
eventuales, de los propietarios con una actitud solidaria.
4. Configuración de un edifico sismo resistente
Llamamos configuración a un conjunto de características que tiene toda estructura, y
que según como se ha diseñado será el comportamiento del edificio ante las cargas
gravitatorias o las cargas dinámicas.
La importancia de alcanzar una configuración adecuada se destaca haciendo un
sencillo análisis, para cargas estáticas una tonelada sobre una viga es soportada por
esta y trasmitida hasta llegar al terreno. El caso de las cargas sísmicas no es tan
simple, los sismos producen esfuerzos que fluctúan rápidamente, y para calcularlos
necesitamos conocer las características dinámicas del edificio. Inclusive conociendo
estas características, los movimientos de un sismo y la interacción con la estructura
son tan complejos que los valores exactos de las fuerzas del terremoto tiene un
grado de incertidumbre elevado.
4.1. Escala
Las solicitaciones sísmicas son función del tamaño del edificio. Las cargas que
actúan sobre una vivienda pequeña son resistidas por la estructura de la misma
sin grandes inconvenientes. Pero cargas proporcionales en un edificio generan
esfuerzos que no son directamente proporcionales, sino superiores. Las fuerzas
de inercia, que originan las solicitaciones sísmicas son mas elevadas mientras
más masa tiene el edificio.
El problema de la escala se visualiza analizando el comportamiento de un
péndulo. Sin conocer las dimensiones absolutas del péndulo es imposible
calcular el periodo de oscilación del mismo. Si el péndulo es una bolilla con un
hilo de unos centímetros de longitud el péndulo oscilará de un extremo a otro en
menos de un segundo, en cambio si el péndulo es una bola de demolición con
una soga de 20 metros, se visualiza un periodo de oscilación de mas de un
segundo.
4.2. Simetría
Con el término simetría describimos una propiedad geométrica de la
configuración del edificio. Un edificio es simétrico respecto a dos ejes en planta
si su geometría es idéntica en cualquiera de los lados de los ejes. Este edificio
será perfectamente simétrico. La simetría puede existir respecto a un eje
solamente. También existe simetría en elevación, aunque es más significativa
desde el punto de vista dinámico la simetría en planta. La simetría en altura no
es perfecta porque todo edificio tiene un extremo fijo al terreno y libre el otro.
La falta de simetría tiende a producir excentricidad entre el centro de masa y el
centro de rigidez, y por lo tanto provocará torsión en planta. A medida que más
simétrico es el edificio, disminuyen el riesgo de concentración de esfuerzos, el
momento torsor en planta y el comportamiento de la estructura es más
predecible.
La asimetría tiende a concentrar esfuerzos, el ejemplo más común es el caso de
las esquinas interiores. Aunque un edificio simétrico puede tener esquinas
interiores como es el caso de las plantas en cruz. En este caso la planta del
edificio es simétrica pero no es una planta regular.
Existe simetría estructural si el centro de masa y el centro de rigidez coinciden
en la planta. La simetría es conveniente también a la forma del edificio sino
también a la distribución de la estructura. La experiencia de edificios con daños
severos en terremotos mostró casos en que la asimetría estructural fue la causa
del daño severo o el colapso de la estructura.
4.3. Altura
La altura de un edificio influye directamente en el periodo de oscilación, si
aumenta la altura aumenta el periodo. Si un edificio alto tiene un periodo
cercano a 2 segundos es probable que su aceleración sea menor que un edificio
más bajo, de 5 a 10 pisos, con periodo de ½ segundo. Los registros de terremotos
indican que los sismos concentran su energía y mayores aceleraciones en
periodos cercanos a ½ segundo.
Algunos reglamentos limitaban la altura de los edificios en áreas sísmicas, pero
en las normas actuales, la tendencia es que la limitación sea un producto de la
calidad del diseño. El Código de Construcciones Sismo Resistentes de Mendoza
exige el análisis modal para edificios de gran altura.
4.4. Extensión en planta
Es fácil visualizar como un riesgo sísmico las fuerzas de vuelco en un edificio,
pero los edificios con gran desarrollo en planta presentan otros problemas para
su análisis. Cuando la planta es muy grande, aunque sea simétrica el edificio no
responderá como una unidad. Al calcular las fuerzas sísmicas, se supone que la
estructura vibra como un sistema en el que todos los puntos de una planta en el
mismo nivel y en el mismo lapso tienen el mismo desplazamiento, la misma
velocidad y la misma aceleración, con idéntica amplitud. Pero 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 las
bases del edificio a todo lo largo de este vibran asincrónicamente con
diferentes aceleraciones, provocando esfuerzos longitudinales de tracción,
compresión y desplazamientos longitudinales.
Un aumento de la longitud del edificio incrementa los esfuerzos en un nivel que
funciona como un diafragma de distribución horizontal. La rigidez del piso
puede ser insuficiente para redistribuir la carga horizontal originada por un
sismo.
Los esfuerzos causados por variaciones de temperatura, preexistentes o
provocadas por sismos son mayores en edificios con grandes dimensiones en
planta.
La solución para este tipo de edificios es diseñar una planta con suficientes
elementos sismo resistentes para acortar las luces del diafragma.
4.5. Distribución y concentración de masas
La distribución de las masas debe ser lo más uniforme posible, en cada planta
como en altura. Es conveniente que la variación de las masas piso a piso
acompañe a la variación de la rigidez. Si la relación masa-rigidez varia
bruscamente de un piso a otro se producen concentraciones de esfuerzos.
Se debe evitar la presencia de masas superfluas, tales como rellenos excesivos
en terrazas, terrazas con jardín, etc.
Es conveniente solucionar la provisión de agua con sistemas que eviten la
construcción de una reserva de agua voluminosa en el nivel mas alto del
edificio.
4.6. Densidad de la estructura en planta
En edificios antiguos se observa una gran cantidad de muros de gran tamaño
con función estructural. También se comprobó que muchos de ellos han
funcionado bien a largo de siglos en zonas sísmicas. Llevando las cargas
gravitatorias y sísmicas hasta el terreno por vías directas.
Cuando tenemos la mayor presencia de estructura en planta baja el edificio está
mejor preparado para soportar la fuerza cortante de planta baja, la acumulada de
los pisos superiores y las cargas gravitatorias acumuladas. Muchos proyectos
modernos se alejan de esta configuración, y por razones estéticas la planta baja
tiene pocos elementos.
La configuración sísmica más eficiente es la que tiene la mayor cantidad de
elementos verticales en la base, que es donde más se necesitan.
Una medida estadística puede ser la “densidad de la estructura en planta” a
nivel del terreno, definida como el área total de todos los elementos
estructurales verticales dividida por el área bruta del piso.
4.7. Rigidez
La rigidez se confunde con resistencia, pero son dos conceptos diferentes, en
tanto la resistencia es la capacidad de carga que puede soportar un elemento
estructural antes de colapsar, la rigidez mide la capacidad que un elemento
estructural tiene para oponerse a ser deformado.
Se dice que un cuerpo es más rígido cuanto mayor sea la carga que es necesario
aplicar para alcanzar una deformación dada. Analíticamente la rigidez de un
elemento se expresa mediante el cociente entre la carga y la deformación que
esta produce.
En las estructuras modernas de edificios es común adoptar soluciones con
pórticos, que se construyen con vigas y columnas unidas en sus nudos,
constituyendo un elemento con continuidad estructural. La unión entre
diferentes componentes de una estructura tiene una influencia decisiva en su
rigidez, o lo que es lo mismo en su deformabilidad.
Matemáticamente la flexibilidad se define como la inversa de la rigidez, o sea
como el cociente entre la deformación y la carga que produce esa deformación.
4.8. Esquinas
Las esquinas de los edificios resistentes plantean problemas especiales. Las
esquinas exteriores pueden sufrir concentraciones de esfuerzos si el movimiento
sísmico tiene dirección diagonal respecto a la planta, aunque el resto de los
elementos esté menos solicitado.
La esquina interior o entrante es una característica muy común de la
configuración general de un edificio, que en planta tiene forma de L, H, U, T o
planta en cruz.
Estas formas plantean dos problemas. Por un lado tienden a producir
variaciones de rigidez y, por tanto, movimientos diferenciales entre las partes
del edificio, causando una concentración de esfuerzos en la esquina entrante.
El otro problema, y más importante, es la torsión. Esta se produce por a no
existir coincidencia entre el centro de masas y el centro de rigidez. Las fuerzas
del sismo provocan una rotación que distorsiona el edificio. La magnitud de las
solicitaciones que provoca el sismo depende las longitudes y alturas de las alas
y sus relaciones alto/ancho.
Para prevenir daños por esquinas interiores conviene separar la planta en dos
cuerpos mediante juntas sísmicas, o reforzar la estructura en la zona de la
esquina con elementos capaces de absorber los esfuerzos que se producen.
4.9. Resistencia Perimetral
Para resistir los efectos de la torsión en planta es conveniente tener elementos
resistentes en el perímetro del edificio, es decir, ubicar elementos resistentes al
sismo en las fachadas del edificio.
Cuanto más alejado del centro de rigidez de la planta se ubique un elemento,
mayor es el brazo de palanca respecto a ese centro, y mayor será el momento
resistente que pueda generar. Para este efecto la planta más eficiente es la planta
circular, aunque otras formas funcionan satisfactoriamente. Siempre es
conveniente colocar elementos resistentes al sismo en el perímetro, ya sean
tabiques, pórticos, pórticos con diagonales con capacidad para resistir corte
directo y por torsión.
5. Conclusión
5.1. Primera conclusión:
El presente trabajo monográfico nos da a conocer e informa acerca de las
construcciones sismo resistentes, sus características, su elaboración y su
configuración para que así una construcción que nosotros próximos ingenieros
civiles vayamos a tomar en cuenta para nuestras próximas construcciones.
5.2. Segunda Conclusión:
El presente trabajo monográfico también nos llama a reflexión debido a que
algunas construcciones en todo el Perú no brindan seguridad a las personas,
construyendo edificaciones que no sean sismo resistentes y que en un sismo o
peor aún un terremoto pueda no solo afectar el factor económico, sino tmbn
podría cobrar vidas humanas.
BibliografíaArnold, C. y. (1991). Ssmoresistencia. México: Grupo Noriega. Obtenido de Características
elementales de una estructura sismorresistente.