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CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS RESISTENTES A SISMOS.

Una edificación que ha sido diseñada y construida con una configuración estructural óptima, que posee dimensiones adecuadas y materiales con una resistencia suficiente para poder soportar sismos frecuentes se le denomina “edificación sismo resistente”, pero esto no asegura que no pueda existir un terremoto aún más fuerte que la resistencia que se ha provisto, siendo de esta manera capaz de recibir daños.

Sin embargo, esta propiedad es entregada a algunas construcciones con el fin de ayudar a prevenir la muerte de las personas que se encuentren en su interior, pues pese a que se puedan presentar daños, la estructura no colapsará previniéndose de esta manera daños totales de propiedad y de vidas humanas.

Explicación Imagen n°1:

Los edificios para ser construidos de una manera adecuada, en zonas donde existen riesgos de ocurrencia de terremotos, deben ser hechos cumpliendo algunos requisitos que serán nombrados a continuación:

1) Realizar una distribución homogénea de la masa y rigidez de la construcción.

2) Que en la construcción exista cohesión entre las estructuras que la componen, gracias al implemento de materiales fortificados.

3) Realizar juntas antisísmicas: que consisten en la construcción de muros, o columnas dobles, cada una independiente de la otra.

4) Realizar una fortificación de los tabiques en toda su longitud, para que de esta manera prevenir accidentes al interior del edificio.

5) Las fundaciones deben ser amortiguadores de hormigon o de materiales poliméricos, con el fin de dar posibilidad de que oscile el edificio pero sin que se desmorone durante la ocurrencia de un terremoto.

6) En edificios de más de 5 plantas no se puede utilizar divisiones interiores hechas de ladrillo.

Explicación Imagen n°2:Claves de un edificio para que sea resistente a terremotos.

1) Al realizar los refuerzos sísmicos es necesario considerar:

Materiales duros, para poder disipar la mayor cantidad de energía posible. Rigidez: disminuye posibilidades de deformación. Fijación de instalaciones, ventanas, tabiques dentro de la estructura, para

que no ocurran peligros de lesión o muerte a los ocupantes de la edificación.

Bajo peso: Mientras menor sea la masa de la estructura más esfuerzos sísmicos será capaz de resistir.

Estabilidad en la estructura. Cimentaciones duras para disminuir ondas sísmicas que se produzcan.

2) Realizar construcciones con planta compacta para que la edificación sea más estable. Los ángulos en las plantas no son recomendables, a menos que se consideren como espacios separados entre sí.

3) Para hacer una construcción más resistente a terremotos se debe construir las cimentaciones con refuerzos que sean de hormigon. En los muros se recomienda realizar refuerzos de madera contrachapada, y ayudarlas por medio de estructuras auxiliares exteriores. En los muros, y tabiques realizar refuerzos que se encuentren tensionados. Crear gran cantidad de apoyos verticales.

4) Una pregunta que se da a conocer la imagen n°2: ¿Por qué las casa japonesas no se caen?

- poseen el espacio necesario entre casa y casa para que la edificación oscile libremente y no golpee a otras, generando de este modo el efecto domino.

- Buena distribución del peso: los pisos inferiores son más amplios, y son los que soportaran toda la carga. Son simétricos.

- Estructura: utiliza materiales de características elásticas como lo son la madera y el hormigón.

VARIABLES QUE INFLUYEN EN EL DAÑO DE LAS ESTRUCTURAS TRÁS RECIBIR ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LA ACCIÓN SÍSMICA

Pero, el hecho de tener un mayor conocimiento y tecnología no asegura que las cosas construidas vayan a soportar algún huracán, tornado, o cualquier fenómeno de la naturaleza.

En chile, uno de los fenómenos que con mayor frecuencia causa estragos son los sismos, de mediana y, sobre todo, de gran intensidad.

En el pasado 27 de febrero se pudo apreciar que muchos edificios construidos hace muy pocos años presentaron grandes fallas estructurales las cuales dejaron inhabitables a dichos inmuebles.

Si bien es cierto que el terremoto sufrido por Chile en 2010 fue uno de los grandes movimiento telúricos del último tiempo, dejo a la vista que muchas cosas no se estaban realizando bajo una correcta supervisión y criterio, hoy en día es impensado que en muros de hormigón armado se utilice fierro liso para la enfierradura, siendo esto un hecho que quedó al descubierto tras el colapso de muros en un edificio de reciente construcción.

Lo anterior deja en claro que no solo la acción sísmica es la causante de que las estructuras colapsen, sino que también existe una fuerte influencia humana en la resistencia final que tendrán los distintos tipos de edificaciones construidas.

Finalmente se deja en claro que hay muchas variables, externas a la acción sísmica, que influyen en la resistencia final de una construcción y por lo tanto tienen directa relación con la cantidad de daño presentado tras un terremoto como el vivido el 27 de febrero de 2010.

A continuación se dan a conocer una serie de factores que influyen en la capacidad que presenta un proyecto de construcción de resistir las distintas fuerzas sísmicas que se presentan en un movimiento de gran intensidad.

Lo anterior será dividido en 3 categorías:- Factores relacionados con estudios previos.- Factores relacionados con el diseño y cálculo estructural.- Factores relacionados con la materialidad.- Factores relacionados con el movimiento sísmico.

Factores relacionados con estudios previos

Antes de comenzar con la ejecución de cualquier tipo de proyecto, se deben realizar una serie de estudios previos que permitan dar el visto bueno a las obras, el estudio de mecánica de suelos es uno de ellos.

La mecánica de suelos permite conocer las distintas características que presenta el suelo de fundación.

Si se realizan los estudios de manera correcta se obtendrán una serie de recomendaciones de construcción y diseño para las fundaciones de la edificación.

Si lo anterior se cumple fielmente, lo más probable es que la estructura no falle debido a problemas en las fundaciones y/o en el terreno.

Por otro lado, si los estudios no se llevan a cabo de la manera correcta y/o no se siguen las recomendaciones dadas en el informe de mecánica de suelos, lo más probable es que se produzcan fallas importantes en las fundaciones y/o en el terreno sobre el cual se estableció el proyecto.

Por ende, es importante realizar un buen estudio de mecánica de suelos, seguir las recomendaciones de diseño y construcción dadas en dicho estudio para que la estructura soporte de la mejor manera los esfuerzos producidos por la acción sísmica.

Imagen N° 3 : “Posible desplazamiento vertical producido por cambios en el terreno de fundación”.

Fuente: Marcos Carvallo (2010). Análisis constructivo edificio Esmeralda.

Factores relacionados con el diseño y cálculo estructural.

El diseño y cálculo estructural son las etapas más importantes de los proyectos, las cuales son determinantes a la hora de obtener la máxima resistencia que presentara cualquier tipo de construcción frente a la acción de cargas externas siendo un ejemplo las fuerzas sísmicas.

Los errores de diseño y cálculo estructural por lo general se traducen en el colapso de algún elemento de la edificación, o lo que es peor, en el colapso de la estructura completa.

A continuación se dan a conocer una serie de puntos importantes a considerar en esta etapa.

- Factores de seguridad: Los factores de seguridad empleados en el cálculo de la estructura debe concordar con las condiciones de obra y materiales utilizados.

Por lo general, en Chile se emplean buenos factores de seguridad, los cuales reducen las posibles fallas, pudiéndose apreciar en la gran cantidad de edificaciones que no sufrieron daños tras el terremoto de febrero de 2010.

- Longitud de la planta: Las plantas muy largas aumentan la probabilidad de que se produzcan fallas, ya que, al tener sobre el terreno un elemento continuo y demasiado extenso se producirá diferentes solicitaciones en los extremos del elemento, debido a la distancia entre ellos y a las características del suelo, las cuales pueden variar en grandes distancias.

La solución a lo anterior es tener elementos grandes pero separados, es decir, construir bloques independientes, los cuales en su conjunto conformen al elemento original.

Otra posible solución será hacer juntas constructivas, similar a lo anterior, pero con la diferencia de que se obtiene un elemento continuo pero independiente entre sí.

- Plantas con diseños complejos: La creación de plantas complejas aumenta la probabilidad de que se produzcan daños en la estructura, lo anterior se debe a que al existir un diseño de planta de gran complejidad los esfuerzos soportados en un extremo serán distintos a los soportados en el centro de la planta, por lo que se podrían producir fallas debido a las cargas que una parte de la planta traspasara al resto de esta.

Lo anterior se puede solucionar con la incorporación de juntas constructivas, las cuales otorgan continuidad e independencia entre los elementos que conforman la planta.

Imagen N°4: “Ejemplo plantas complejas”.

Fuente: Universidad de Costa Rica. Laboratorio de ingeniería sísmica. (s.f.). ¿Qué es el daño sísmico estructural?

- Menor resistencia de pilares que en vigas: Para toda estructura donde existan estos elementos se entiende que las cargas soportadas por las vigas serán repartidas a los pilares, es por esto, que si los pilares fallan provocaran un colapso completo de la estructura, lo que conlleva a que los pilares y muros estructurales deben ser más resistentes que las vigas o losas.

- Juntas de hormigonado: Muchas veces cuando se está hormigonando un elemento se debe realizar en varias partidas, debido al tamaño de lo que se construye o a factores externos, en esos casos se deben realizar juntas de hormigonado, las cuales no deben ser al azar.

Lo ideal es que las juntas de hormigonado sean establecidas por el calculista para reducir al mínimo las posibles fallas. Es por eso, que frente a la situación en que se debe realizar una junta, se deben tener nociones de diseño estructural para dar la mejor solución posible en terreno, en el caso de que la complejidad sea mayor, se deberá comunicar al calculista para que de la mejor solución.

Para entender un poco la situación, las juntas de hormigonado cortan al elemento, ya que se pierde continuidad con el hormigón, es por eso, que frente a las acción de fuerzas sísmicas lo más probable es que el elemento falle en la junta de hormigonado, en caso de que esta sea realizada en el lugar menos apropiado, es por eso, que si se realiza en la zona del elemento menos solicitada se reduce bastante la probabilidad de que el elemento falle en la junta.

- Piso blando: Estos pisos por lo general son aquellos ubicados en la parte de acceso de muchos edificios, son pisos en los cuales se eliminan elementos estructurales como muros y pilares para obtener mayor espacio para estacionamientos o accesos.

Lo anterior disminuye la rigidez de los elementos estructurales del piso, lo que provoca fallas como la observada en la siguiente imagen n°5.

Con esto solo se aumenta la carga en los elementos que están soportando a toda la estructura por lo que frente a la acción de un terremoto probablemente fallen en zonas donde las solicitaciones sean mayores.

Imagen N° 5: “Falla por piso blando”

Fuente: Pamela Otarola (2010). Estudio de caso – Edificio vista hipódromo.

- Poca redundancia: En los edificios donde se tiene piso blando se presenta poca redundancia de elementos estructurales. La redundancia tiene relación con la mayor o menor presencia de elementos estructurales, a mayor redundancia mayor cantidad de elementos y a menor redundancia menor cantidad.

Lo anterior se puede ejemplificar fácilmente: si se tiene una estructura soportada por 2 pilares y uno de estos falla, la estructura completa colapsara; en cambio, si se tiene la misma estructura pero soportada por 6 pilares y si uno de estos falla, lo más probable es que la estructura se mantenga intacta, o con menos daños.

Es por eso, que siempre se debe buscar tener la mayor redundancia, es decir, tener la mayor cantidad de elementos estructurales en una edificación.

- Confinamiento deficiente: si se tiene un muro o pilar con poco confinamiento, lo más probable es que este elemento falle frente a la acción de una fuerza sísmica.

Lo anterior se debe a que el hormigón al ser sometido a compresión y no tener el suficiente soporte, tendera a expandirse, por lo que, si no se disponen de estribos ubicados y puestos de forma correcta, se presentaran fallas en el elemento.

Lo anterior se pudo observar en varios edificios de la región metropolitana tras el terremoto de 2010, pues tras dicho sismo, se modificó la norma chilena que se estaba empleando la cual permitía que los estribos cerraran en 90°, para luego tras la modificación, sea obligación que los estribos cierren en 135°, mejorando con esto el soporte de los elementos.

Imagen N°6:”Modificación al ángulo de cierre de los estribos”

Fuente: CIPER (s.f.). Salvavidas de acero. Recuperado de:http://ciperchile.cl/wp-content/uploads/Diagrama-I.pdf

Imagen N°7 : “Falla por pandeo debido al poco confinamiento”

Fuente: Pamela Otarola (2010). Estudio de caso – Edificio vista hipódromo.

- Torsión entre pisos (Edificación en altura): Este tipo de fenómeno se produce por la asimetría entre la ubicación de los elementos rígidos y los distintos pisos de una estructura.

Lo anterior se debe a que se produce una excentricidad entre los centros de masa y rigidez de los pisos.

Para evitar este tipo de efecto se deben materializar los distintos elementos de forma simétrica, para evitar que se produzcan diferentes centros de gravedad y rigidez.Imagen N° 8: “Torsión producida por la asimetria de centros de gravedad entre pisos”.

Fuente: Universidad de Costa Rica. Laboratorio de ingeniería sísmica. (s.f.). ¿Qué es el daño sísmico estructural?

Factores relacionados con la materialidad

Los materiales conforman en su conjunto toda la estructura, por lo que la resistencia de la construcción dependerá en gran medida de ellos. Si se emplean materiales incorrectos posiblemente la edificación sufra algún tipo de daño debido a la acción sísmica.

A continuación se dan a conocer algunas recomendaciones de materiales óptimos, inapropiados y algunos efectos producidos en ellos debido a la falta de cuidados, relacionándolos con el terremoto ocurrido el pasado 27 de febrero en Chile.

- Fierro: En chile existen dos grandes empresas productoras de acero, Gerdau Aza y CAP, la primera utiliza fierro reciclado para elaborar barras de fierro nuevas mientras que CAP realiza todo el procesamiento necesario para obtener acero.

Ambas empresas cumplieron todos los estándares de calidad y seguridad, fallas de material no fueron vistas en los daños producidos por el terremoto, esto se debe a la gran ductilidad del hierro y al trabajo en conjunto que realiza con el hormigón.

- Cemento: Por lo general, el cemento utilizado en Chile es de buena calidad, en la mayoría de los casos, las fallas estructurales producidas por el terremoto del 27-F no se debieron a fallas de este material, en Chile las empresas dedicadas al rubro de la preparación y distribución de hormigón se rigen por altos estándares de calidad por lo que las fallas vistas en elementos estructurales debido a este material no fueron apreciadas.

Donde se presentaron fallas fue en elementos no estructurales, en donde la preparación de hormigón se lleva a cabo por maestros en betonera en donde en muchos casos no se lleva un control estricto de lo que se está haciendo.

En general, los daños observados tras el terremoto no se debieron, en gran medida, al hormigón utilizado para su construcción.

- Áridos (Grueso y fino): La utilización de áridos grueso es transversal para toda obra en donde se elaboren elementos de grandes dimensiones. Por lo general, la utilización de árido grueso chancado mejora la adherencia con el cemento, por lo que se obtienen buenos resultados.

Lo mismo ocurre para el árido liso, pero en menor medida, ya que por su condición de superficie lisa y plana se obtiene un poco menos adherencia con el cemento.

Cuando se emplea arena para la preparación de hormigón se debe tener mucho cuidado en la dosificación, ya que la arena produce una segregación entre los elementos que se utilizan para la elaboración de hormigón.

- Mampostería: La mampostería cuando se utiliza en elementos estructurales debe ser la más resistente que existe, con una colocación adecuada se obtendrán mejores resultados frente a la acción de fuerzas sísmicas.

La incorporación de fierro mejora en gran medida la flexibilidad de toda la estructura.

Tal vez la parte más crítica de la estructura construida con mampostería se produce entre las uniones de la mampostería con los elementos de confinamiento como vigas y pilares, es por ello que se debe poner especial énfasis en realizar la mejor unión posible entre estos elementos con el fin de obtener mejores resultados frente a la acción de cargas producidas por la acción sísmica.

Factores relacionados con el movimiento sísmico

Este tipo de factores tiene directa relación con el sismo. La resistencia de la estructura no solo depende de su materialidad, de su diseño y de los estudios previos, también depende del tipo de sismo al cual es sometida, de las ondas que este movimiento genera y que son las que impactan a la estructura.

A continuación se dan a conocer las características más importantes relacionadas con los movimientos telúricos que se producen en Chile.

Tipo de Onda: Una teoría aceptada sobre el origen de los sismos es que durante los movimientos de las placas tectónicas se producen deformaciones de las mismas en las fallas geológicas, las cuales producen tensiones que al ser mayores a la resistencia de los suelos, producen rupturas y súbitas liberaciones de energía.

El lugar en donde se produce esto es conocido como Hipocentro. La proyección vertical sobre la superficie se denomina Epicentro.

La perturbación producida por los sismos, se propaga por rocas y suelos en forma de ondas sísmicas, las cuales pueden ser de dos tipos: ondas internas (Ondas Primarias y Secundarias) y ondas superficiales (Ondas de Love y Rayleigh).

Ondas internas

- Ondas Primarias: Son ondas que viajan más rápido, con amplitudes menores y frecuencias mayores.

Suelen tener por tanto, periodos menores. Investigaciones reciente han demostrado el efecto destructivo de las ondas primarias en edificaciones de baja altura cuyas frecuencias naturales son más altas, por lo que entran directamente en resonancia con los sismos y pueden generar efectos destructivos.

Es importante en estos casos, que las estructuras resistan a la compresión por sobre los demás esfuerzos, pues por su menor inercia en comparación con los edificios más altos, liberan energía en términos de cinética.

- Ondas Secundarias: Son las ondas más destructivas, pues tienen mayor amplitud y menor frecuencia. Su periodo es mucho mayor que las ondas primarias.

Estas ondas entran en resonancia con edificaciones en altura (sobre 20 pisos), los que al experimentar una mayor inercia que los de baja altura, sufren daños graves, grietas y dependiendo de otros factores, daños estructurales. En estos casos, es muy importante que los elementos estructurales gocen de grandes resistencias a compresión, tracción y flexión.

Ondas superficiales

- Ondas de Love: son ondas que producen movimientos horizontales de corte, por lo general se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación y su amplitud decrece con la profundidad. Tienen el 90% de la velocidad que presentan las ondas S y su velocidad es levemente mayor a las ondas Rayleigh.

- Ondas de Rayleigh: Son ondas que producen un movimiento elíptico en el suelo y ocurre en el plano de propagación de la onda. Su movimiento es similar al de una ola, en donde se mueve de arriba abajo y de un lado al otro. Presentan un 70% de la velocidad que tienen las ondas S

Factores relacionados con la base y sus fundaciones

Distribución de masas y rigideces en planta

Para evitar vibraciones torsionales mayores, las masas y rigideces deberán estar distribuidas sobre la planta de tal forma que el centro de masa y el centro de rigidez o torsión, se encuentren lo más cerca posible.

Esta proximidad se obtiene por regla general, en base a una adecuando la forma del edificio, en su distribución de masas, rigideces y fundaciones, buscando la mayor simetría posible para mantener bajas las vibraciones torsionales, por ende la rigidez a torsión debe ser alta. Para ello se fundamental colocar elementos de arriostramiento sobre el perímetro de la edificación que ayuden a redistribuir los esfuerzos.

Fundación y sótano

La fundación debe ser diseñada de tal manera que el edificio bajo carga sísmica se desplace en conjunto, vibrando como un único sólido.

Por estas razones el edificio debe ser fundado a profundidad uniforme y sus elementos de fundación estar arriostrados a tracción y compresión.

Los sótanos con ocupación parcial y con fundaciones a distinta profundidades deben ser evitados. Si en construcciones importantes es imposible evitar cotas de fundación diferentes, los cimientos respectivos se deben separar mediante juntas o ejecutarse escalonadamente con la adecuada rigidez a flexión, los elementos de arriostramiento vertical pueden vincularse entre sí en forma adecuada solo si el sótano del edificio se diseña como una caja rígida.

Además para obtener esa caja rígida, las losas de fundación, muros y entrepisos se deben- ejecutar en hormigón armado, vinculándolos entre si y verificándolos a corte.

Algunas propiedades de la sismología son:

Los sismos producen vibraciones en el terreno, ocasionando en las estructuras esfuerzos de cargas verticales, horizontales y de torsión. Por lo que para poder evitar colapsos es necesario considerar todos estos tipos de esfuerzos, haciendo que sea necesario considerar lo siguiente:

1) Para poder evitar la torsión en las edificaciones es recomendable el diseño de plantas que sean simétricas y de carácter sencillo, sino es necesario verificar que los diafragmas tengan la rigidez y resistencia necesaria para distribuir las fuerzas inerciales entre los planos y las subestructuras verticales resistentes.

2) Los esfuerzos generados por las ondas sísmicas que actúan sobre la estructura, son proporcionales a la masa que esta posea, por lo que mientras más ligera sea la construcción, mayores esfuerzos será capaz de soportar.

3) El suelo de fundación se debe considerar como uno de los más importantes en la estructura del edificio, pues, en terrenos que son firmes se producen intensidades menores que en terrenos más blandos, viéndose esto reflejado en la variación de grados en la escala de Mercalli.

4) Para tener una mejor absorción de la energía transmitida por los terremotos, la estructura se debe diseñar con materiales que sean dúctiles como lo son el acero, la madera y el hormigón armado.

5) Los sismos atacan a las construcciones a través de la fuerza de inercia generada por su vibración, no por impactos.

TIPOLOGIAS DE ESFUERZOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS

Los esfuerzos generados producto de una tensión sobre las estructuras son fundamentalmente cinco, esfuerzos Normales (Compresión y Tracción), Corte, Flexión y Torsión.

En los sismos, según factores que se explicarán más adelante, es posible que actúen estos cinco tipos de esfuerzos de manera combinada y es de vital importancia comprenderlo de ésta manera en el diseño de estructuras.

Cuadro n°1: Tipologías de esfuerzos generados sobre cuerpos geométricos.

Fuente: Daniel Iglesias. (2013). Solicitaciones mecánicas de los materiales .Recuperado de:danybarker.wordpress.com

Fuerzas axiales y tangenciales

Para entender las tipologias de esfuerzos es prudente comenzar por el análisis de fuerzas. Al referirse a fuerzas, se da por entendida su representación vectorial y como efecto, la suma de éstas en un vector resultante. Al trazar una sección transversal sobre un cuerpo cualquiera, dicho vector resultante (o al menos su linea de acción) intersecará la sección en un punto.

Si se mueve el vector resultante sobre su linea de acción en una distancia tal que la cola del vector coincida con la sección, entonces podremos descomponerlo en dos componentes, una componente axial, perpendicular a la sección, y otra componente tangencial, sobre la sección.

En el caso de la imagen 10, tenemos un vector resultante M, talque su componente axial corresponde al vector Mt y su componente tangencial Mf.

Imagen n°10: Fuerzas axiales y tangenciales


Fuerzas concéntricas y excéntricas

Se definirá una fuerza concéntrica como la fuerza cuya línea de acción intersecte al centroide del cuerpo sobre el que actúa. Análogamente, una fuerza excéntrica se definirá como la fuerza cuya línea de acción interseca con un punto cualquiera de la sección tal que ese punto no corresponda ser el centroide del cuerpo sobre el que actúa. En la imagen 11, vemos una columna sometida a esfuerzas excéntricas (derecha) y concéntricas (izquierda) respectivamente.

Imagen n°11: Fuerzas concéntricas y excéntricas

Fuente: Salvador Cruz. (2014). Mecánica de materiales. En columnas. Recuperado de:

http://salvador-mendoza.blogspot.com/2011/11/54-columnas.html

Esfuerzos Normales (Compresión y Tracción)

Un esfuerzo normal se define como tal cuando en una superficie actúa una tensión generada por fuerzas axiales a una sección transversal del cuerpo y concéntrica a este (Imagen 11). En ese caso, existen dos posibilidades, que el sentido de la fuerza sea negativo o positivo, es decir, en dirección al centroide o en dirección opuesta a éste respectivamente.

Cuando el sentido sea positivo, se estará en presencia de un esfuerzo de tracción y en caso contrario, de compresión. En casos donde las columnas son de longitud mayor, la compresión provoca un efecto de pandeo, por el cual muchas columnas fallas antes que por el esfuerzo de compresión.

Esfuerzos de Flexión

Un esfuerzo de Flexión se define como tal cuando en una superficie actúa una fuerza axial a una sección longitudinal del cuerpo y concéntrica a este. No deja de ser importante recalcar que el esfuerzo normal es provocado por una tensión, no así el de flexión.

En este último la fuerza provoca esfuerzos combinados de compresión y tracción en distintas secciones del cuerpo. En la imagen 12, se contempla claramente que al estar un cuerpo, sobre dos apoyos, experimentando un esfuerzo de flexión, la superficie adyacente al punto de aplicación de la fuerza estaría sometida a compresión; no así la superficie opuesta, que estaría siendo sometida a un esfuerzo de tracción. Cabe mencionar que entre estas dos secciones, existe una capa llamada fibra neutra. La fibra neutra es aquella sección longitudinal de tensión cero, es decir, no experimenta compresión ni tensión.

Imagen n°12: Esfuerzo a flexión.


Esfuerzos de Corte

El esfuerzo de corte se define como tal cuando dos fuerzas son opuestas, tangenciales a una sección transversal y excéntricas, pero muy próximas al centroide (se considerará concéntrica), actúan en direcciones opuestas. Es el caso de la Imagen 13, en donde el elemento sometido a esfuerzo de corte es el perno (y no las placas). En este tipo de situaciones, el elemento sometido a esfuerzo tiende a cortarse en dos.

Imagen n°13: Esfuerzo a corte.

Fuente: http://html.rincondelvago.com/0006575412.jpg

Esfuerzos de Torsión

///El esfuerzo de torsión, se define como tal cuando dos fuerzas tangenciales, excéntricas a una sección transversal del cuerpo y opuestas, actúan sobre él. En ese caso, la fuerza generará un momento torsor sobre el cuerpo.

Imagen n° 14: Esfuerzo de torsión, fuerza resultante actúa de manera excéntrica sobre el cuerpo.


Tabla n°2: Síntesis de Esfuerzos

Tipo de Fuerza Tipo de EsfuerzoAxial / Concéntrica Compresión / TracciónAxial / Excéntrica FlexiónTangencial / Concéntrica CorteTangencial / Excéntrica Torsión

Fuente: Elaboración Propia.

Esfuerzos combinados en estructuras

En una estructura común encontramos elementos principales de soporte, como son las Zapatas, los Pilares y Vigas. En estructuras compuestas como la de la Imagen 15, encontramos esfuerzos de compresión, en pilares y zapatas, y de flexión en vigas.

Si bien, no se evidencian esfuerzos de cortes por la simplicidad de la imagen, estos pueden estar presentes en uniones con pernos, entre vigas y/o en enfierradura en el interior de pilares y zapatas.

Sin embargo, debido a las cargas dinámicas efectuadas por la acción sísmica, las estructuras son puestas a pruebas, generalmente, con la totalidad de los esfuerzos simultáneamente. Es así como las ondas sísmicas, pueden generar un momento torsor en la estructura general, esfuerzo que recaería sobre columnas y vigas.

En otros casos, la acción puede ser tal que genere una especie de levantamiento de la estructura con respecto al suelo, en ese caso las zapatas actuarían a

tracción, caso que se evita debido a que suelos y hormigones trabajan de manera muy deficiente ante éste esfuerzo.

Imagen n°15: principales elementos de soporte de una estructura compuesta.

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Fuente: Área tecnológica. (s.f.). Elementos de estructuras de metal. Recuperado de: http://www.areatecnologia.com/estructuras/imagenes/elementos-estructuras-metal.jpg

ESFUERZOS A LOS CUALES SE VE SOMETIDA LA ESTRUCTURA AL SER SOMETIDA A MOVIMIENTOS SISMICOS, SEGÚN SU MATERIALIDAD.

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos81/diseno-sismico/image005.gif

Imagen n°16: modelación de edificio sometido a sismo

En la imagen 16, se vislumbra claramente un modelo de //un edificio cuyas columnas trabajan a compresión (y tracción al reaccionar), a flexión e incluso a torsión, así como también sus fundaciones, losas y vigas.

Tabla n°3: Esfuerzos de la estructura según materialidad.

Material y datos básicos:

Datos de Esfuerzos. Posibles soluciones.

Casas de barro y adobe:

Diseñadas por ladrillos y unidas por mortero de barro.

Muy susceptible a esfuerzos de corte, tensión y compresión, puesto que la separación de las paredes, esquinas y cruces se llevan a cabo fácilmente gracias a movimientos sísmicos. Cuando la estructura falla a flexión y a cizallamiento la construcción puede llegar a colapsar.

- Mezclar el barro y la arcilla, lo que genera una mayor cohesión, previniendo esfuerzos a tracción.

- Para las paredes: agregar madera bajo dinteles, y en las esquinas de elementos verticales, esto previene esfuerzos verticales provocados por sismos.

Edificios hechos de albañilería:

Son diseñados por mampostería con ladrillos y piedras, o bloques de hormigón.

Son durables, y resistentes a los efectos de deformación.

- Tiene gran resistencia a compresión, pero muy mala a tracción. Terremotos crean esfuerzos a tracción.

- La distribución de muros debe ser balanceada para poder distribuir los esfuerzos de manera uniforme en la estructura.

- Son estructuras de gran peso lo que genera grandes fuerzas de inercia, transmitiéndose a la parte superior de las paredes. Si existe una mala cohesión entre la pared y el techo, se desprenden ocasionando el colapso de la estructura.

- El sismo genera un movimiento flector en la

- Como estas estructuras trabajan a tracción, se recomienda reforzar con elementos estructurales como lo pueden ser vigas, o columnas de amarre de hormigón armado.

- Preocuparse de que exista cohesión de las paredes con el piso y el techo, para no ocasionar su desprendimiento.

- Analizar de que la acción del diafragma en el techo este correcto.

estructura, ocasionando grietas y la desvinculación de paredes por uniones pobres.

Casas de madera:

Son construcciones de peso ligero.

- Son resistentes al corte, y por naturaleza son flexibles.

- Capaces de disipar energía sísmica, gracias a que durante un sismo, estos oscilan en su rango elástico, debido a los grados de libertad que posee. Si se sobrepasa ese rango de tensión/deformación, la estructura colapsa.

A lo largo de la historia se considera un material que se comporta bien frente a sismos.

- Analizar terreno donde se encuentre:Mientras más granular o de peor compactación sea el terreno, mayores serán las ondas sísmicas que se generaran sobre la estructura, haciéndola oscilar con mayor intensidad. En terrenos rocosos la energía puede ser disipada con mayor facilidad.

- Cuidar que la madera no se deteriore (pierde resistencia).

Edificios de hormigón armado:

Unión de hormigón y acero.

Su resistencia depende de su composición, de la relación agua/cemento que tenga, su grado de compactación y su granulometría.

- Logra que el diafragma sea rígido, lo que ayuda a disminuir la deformación.

- Resistente a esfuerzos de flexión, compresión, tracción y corte.

- Resistencia a corte, tracción y torsión es entregada por la enfierradura.

- Resistencia a compresión es entregada por el hormigón.

- Hormigón y acero

- Realizar una correcta dosificación del hormigon, para cumplir con resistencia requerida.

- Hacer buena vibración del hormigon, quedando una mezcla homogénea.

- Que tenga la enfierradura necesaria, según planos de cálculo.

- La solución a la inclinación no es la adecuada, pues al haber un sismo, los pesos

trabajan monolíticamente entregando resistencia a flexión.

muertos del edificio quedan sin contacto con su apoyo, provocándose grietas y fisuras. Los edificios de hormigon en este tipo de suelo (suelos blandos) requieren de un cimiento especial, utilizándose por lo general cimientos flotantes.

Edificios de estructura metálica:

- Poseen grandes resistencias a la tracción.

Se dividen en dos:

Baja altura; Resistentes a sismos, donde las fuerzas horizontales se desplazan hacia las llaves.

Gran altura: Con marcos estructurales rígidos, compuestos por vigas de doble T. Sufren daños, pero no colapsan.

- Usar medidas para que este material no se oxide, pues puede generar pérdidas en su resistencia.

Fuente: Elaboración propia.

EJEMPLO CALCULADO PARA INTERPRETAR UNA ESTRUCTURA AL SER SOMETIDA A UN MOVIMIENTO SISMOLÓGICO.

El modo en que los distintos elementos estructurales de una edificación reaccionan frente a un sismo, está dado por un gran número de variables, entre las cuales podemos mencionar, el material principal con el cual se construye, ya sea, de hormigón armado, albañilería confinada, acero o madera. También depende de la geometría de la estructura, del peso de esta, de la altura que tenga, entre otras.

Para ejemplificar, simplificar y demostrar los esfuerzos que sufre una estructura, se ha tomado como referencia un edificio de 4 pisos, con una altura de 2,4 metros por nivel, sin subterráneo, ubicado en una zona con suelo firme y correctamente compactado. El edificio se encuentra bajo un terreno plano, en condiciones estables y la aplicación de la fuerza de sismo recae sobre la estructura como muestra la imagen Nº17

Imagen n°17: Representación del edificio, sus fundaciones y la fuerza que recae sobre el por la acción del sismo.


Se ha elegido una fracción de la estructura, el cual incluye, muro, sobrecimiento y cimiento de una fundación corrida, imagen Nº18 e imagen Nº19.

Imagen n°18: Vista en 3D.

.

Fuente: Elaboración propia

Imagen n°19: Vista de la sección entre los pilares que será sometida a estudio.


Se eligió este conjunto de elementos estructurales, los cuales serán sometidos a una carga horizontal que afecta a la sección más amplia y a la sección menor del muro como carga puntual debido a 3 razones:

La primera, es que debido al fenómeno de pandeo la zona más desfavorable es aquella que tiene menor espesor, por ende la fuerza que se quiso aplicar es

perpendicular a la sección más amplia, a su vez también se quiso ejemplificar una fuerza de mayor magnitud sobre la sección menor, para ver por medio de resultados las diferencias pertinentes del caso.

La segunda razón es que por un asunto de lógica estructural, en un edificio uniforme, el centro de masa se ubica y recaer sobre los ejes de coordenadas que hacen simétrica la geometría del edificio.

La tercera razón es que se extenderán los resultados para razonar sobre el movimiento total que realiza un edificio frente a un movimiento sísmico.

La estructura a estudio es de hormigón armado y sus dimensiones se mencionarán en la siguiente tabla:

Tabla n°4: Características ejemplo a evaluar.

E.ESTRUCTURAL LARGO (m) ANCHO (m) ALTURA (m)

CIMIENTO 10,0 1,5 1,0

SOBRECIMIENTO 10,0 0,8 0,2

MURO 10,0 0,4 2,4


Dada estas características se someterá a dos grados distintos de fuerza horizontal (que representaran distintas direcciones de un sismo) además de la intensidad, y estos afectan en el conjunto estructural.

CÁLCULOS.

Imagen n°20: representación del empotrado, Cimiento y Suelo.

.

Fuente: Elaboración propia

La fuerza del sismo 1 y sismo 2, esta aplicada sobre la altura máxima del muro, a una altura total de 3,6 mts (que incluye la altura de Cimiento, sobrecimiento y del muro).

Según datos otorgados por el profesor de estructuras de la PUC, Felipe Errázuriz, la fuerza a la que se somete un edificio frente a un sismo considerable de grado 6, es de 210Tf que se aplica sobre 2/3 de la altura total. (Dato variable).

Por ende la fuerza aplicada sobre el primer piso, es del orden de 50 a 80Tf. Es por eso que se ha considerado de forma arbitraria que la Fuerza del sismo 1 es de: 70Tf y la Fuerza del sismo 2 será de: 80Tf.

El peso del muro que recae sobre el eje coordenadas en el punto 0,0, que según dimensiones y otorgando una densidad de 2,45Tf/m 3 del Hormigón es de 64,19Tf.

Se estimará que sobre las vigas y los muros adyacentes de los pisos superiores y la cubierta del edificio se efectúa una carga por peso de 210Tf.

Sacando Inercias del empotrado del Cimiento como se muestra en la imagen anterior, los momentos con respecto al eje x e y, en cada caso según el sismo. Además de la fuerza Normal que actúa sobre el muro como el peso las estructura más el de los pisos superiores.

Las ecuaciones para cada tipo de Sismo es:

Frente al sismo 2:

Tensión máxima está dado por: Tx,y: 18,28 – 2,3x

Frente al sismo 1:

Tensión máxima está dado por: Tx,y: 18,28 – 89,9y

Tabla Nº5: Resultado de Cálculos.

Fuerza del Sismo (Tf)

Fibra Neutra(m)

Tensión Máxima (Tf/m2)

% Compresión

%Tracción

70Tnf 0,204 85,705- 49,145

63,6 36,4

80Tnf 7,934 No T a tracción- 4,72

100,0 0,0%

Fuente: Elaboración Propia

Debido a la gran diferencia de la acción de la fuerza independiente, y aun así tomando la de menor sección con una fuerza mayor. El pandeo sobre el muro ocurre sobre la sección más amplia, tomándose como empotrado abajo y empotrado móvil arriba.

Imagen n° 21: La fibra neutra se encuentra a 7,934m del centro y es paralelo al eje Y, lo cual quiere decir que todo el cuerpo está trabajando a compresión.


Imagen n°22: La fibra neutra se encuentra a 0,234m del centro del eje y es paralela al eje X, en

donde existe una fracción que trabaja a tracción y otra a compresión.


Como el Hormigón de resistencia convencional utilizado en los edificios medianos (en este caso particular de 4 pisos) es entre los rangos H20 hasta H30, significando que su resistencia varía entre los 20kg/cm2, hasta los 30kg/cm2, con lo que convertimos las tensiones máximas a kg/cm2.

Además se conoce que la resistencia a la tracción de estos hormigones es aprox. 1/3.de la resistencia a la compresión, dándose como resultados correspondientes el ocupar 30kg/cm2 por fuerzas a compresión y 10kg/cm2 por tracción.

Tabla Nº6: Resultados de conversión y diferencias.

Sismo R. tracción (kg/cm2)

R. compresión(kg/cm2)

Diferencia T.(kg/cm2)

Diferencia C.(kg/cm2)

70tonf 8,57 4,92 1,43kg 25.08

80tonf 0,0 0,47 10,0 29,53


La diferencia de esfuerzo a la tracción que se otorgo es de 1,43kg, lo que significa que es un elemento de baja seguridad, pues si se ocupa un hormigón H20, antes de que se fraccione u ocurra algún tipo de ruptura, el edificio habrá sufrido grandes deterioros. Esto se puede evitar si el esfuerzo a tracción otorgado por el acero frena el colapso.

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