Ctedra de Anlisis Estructural

Carrera de Ingeniera Civil

ACCIONES SISMICAS PARA DISEO ESTRUCTURAL

Carlos A. Prato

Fernando G. Flores

Ao 2007

CARACTERIZACION DE LAS ACCIONES SISMICAS

1. INTRODUCCION

Las acciones ssmicas son movimientos oscilatorios complejos de la corteza terrestre que pueden analizarse desde distintos puntos de vista segn el objetivo del estudio, desde la naturaleza del mecanismo de generacin o foco, las caractersticas del medio de transmisin de las ondas desde el foco hasta el punto de observacin, de la distribucin espacial y temporal de las componentes de desplazamientos, hasta aspectos estadsticos e histricos.

En este curso nos concentraremos en los efectos que provocan sobre las construcciones. En particular nos interesa reconocer que los sismos resultan de la propagacin de perturbaciones originadas por la liberacin de energa de deformacin acumulada en la corteza a travs de un mecanismo de ruptura. Dichas perturbaciones viajan a travs de la corteza como "ondas ssmicas" que se propagan con diversos mecanismos de deformacin elstica.

Las ondas ssmicas estn constituidas por dos tipos bien diferenciados de movimientos:

i) Ondas de cuerpo: Son perturbaciones que se generan en el foco y se propagan sin ser afectadas por las condiciones de contorno de la corteza, tales como discontinuidades y bordes libres. En un medio elstico e istropo es posible identificar dos tipos de ondas de cuerpo de naturaleza diferente:

* Ondas de corte, o distorsionales, tambin conocidas como ondas "S", que se caracterizan por generar en el punto por el que atraviesan deformaciones del tipo distorsionales o desviadoras. Estas ondas tienen la caracterstica de involucrar desplazamientos en un plano perpendicular a la direccin de propagacin. La velocidad de propagacin de las mismas en un medio elstico istropo de mdulo de corte G y de densidad de masa es igual a

SGV

=

* Ondas volumtricas, tambin conocidas como ondas "P", que se caracterizan por producir a su paso deformaciones volumtricas exclusivamente. Para un medio elstico e istropo de mdulo elstico E, mdulo de Poisson , y densidad , la velocidad de propagacin de estas ondas es:

( )( )( )

11 2 1P

EV

=

+

La relacin entre VP y VS depende del mdulo de Poisson; para = 0.20 resulta VP/VS = 1,6 , por lo que las ondas P llegan al sitio de observacin de un sismo antes que las ondas S.

ii) Ondas superficiales: Son perturbaciones con una configuracin ms compleja y de gran diversidad, que se generan cuando ondas de cuerpo inciden en superficies libres. La amplitud del movimiento asociada a este tipo de ondas disminuye con la distancia a la superficie. Este tipo de ondas incluye las ondas tipo "Rayleigh" con desplazamientos en el plano de propagacin y las ondas tipo "Love" con desplazamientos perpendiculares a la direccin de propagacin (stas son ondas de corte superficiales).

Es interesante destacar que las ondas de cuerpo se propagan en un medio elstico e istropo con velocidades VS y VP independientes de la forma de la onda. Esto significa que toda perturbacin asociada a una onda de cuerpo no cambia de forma, tanto en el espacio como en el tiempo (ambas variables estn relacionadas a travs de la constante VS, o VP). Esta propiedad se conoce como carcter NO DISPERSIVO del medio elstico para las ondas de cuerpo.

Por el contrario, las ondas superficiales presentan una velocidad de propagacin dependiente de su forma (o contenido de frecuencias) debido a la variacin de las propiedades mecnicas de los estratos superficiales en funcin de la profundidad. Esta caracterstica hace que las ondas superficiales sean habitualmente DISPERSIVAS, es decir que cambian su forma en el proceso de propagacin.

Los movimientos ssmicos, tal como se perciben en un punto de la superficie de la corteza terrestre, estn constituidos por la superposicin de ondas de cuerpo y superficiales que arriban al sitio de observacin desde el foco siguiendo caminos diversos, y sufriendo en los mismos distintas modificaciones al atravesar medios de diferentes caractersticas mecnicas y al incidir en superficies libres y discontinuidades. Esta combinacin de ondas da origen a lo que se denomina "AMBIENTE SISMICO".

El trmino ambiente ssmico se utiliza para describir la combinacin de tipos de ondas que constituyen el campo de desplazamientos, velocidades y aceleraciones; este campo vara en funcin de la posicin del punto de observacin y del instante de tiempo considerado. Esto implica que los registros ssmicos en puntos prximos son en general diferentes, ya sea en las fases de las componentes del movimiento y/o en las amplitudes de las mismas, en funcin de las caractersticas del ambiente ssmico.

Desde el punto de vista del proyectista de estructuras que resistan las acciones ssmicas, describir el ambiente ssmico es un problema demasiado complejo, y que presenta enormes incertidumbres relacionadas con aspectos tales como:

1) Naturaleza del foco.

2) Caractersticas tectnicas de la regin, y mecnicas de los materiales atravesados por las ondas desde el foco hasta el punto de observacin en la superficie.

3) Topografa de la zona circundante al punto de observacin.

4) La existencia de estratos de rocas y sedimentos en el punto de observacin, configuracin geomtrica de dichos estratos y caractersticas mecnicas de los materiales.

5) La presencia de construcciones de peso o rigidez significativa en las

proximidades del punto de observacin. El ambiente ssmico puede ser modificado por las construcciones, dando origen al efecto conocido como "INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA".

El fenmeno de interaccin suelo-estructura puede ser discriminado en dos aspectos diferentes:

a) Interaccin "cinemtica": es el fenmeno asociado a la modificacin del ambiente ssmico como consecuencia de una inclusin rgida o casi rgida en un medio deformable. Esto ocurre con las plateas de fundacin asentadas en suelos cuya rigidez es muy inferior a la propia de la platea.

b) Interaccin "dinmica": es el fenmeno asociado a la modificacin de amplitudes y frecuencias como consecuencia del acoplamiento dinmico entre la superestructura y el suelo de fundacin.

Ambos efectos se combinan de manera tal que los movimientos del suelo en la superficie libre en el lugar de observacin, cuando no hay efectos producidos por construcciones, son muy diferentes de los observables en el mismo punto una vez construida la estructura, para el mismo evento ssmico. Los movimientos ssmicos no afectados por construcciones se denominan "movimientos de campo libre" en contraste con el movimiento que resulta de la interaccin entre suelo y estructura.

Por lo general, las aceleraciones mximas medibles en la fundacin de una estructura de masa y rigidez significativas son inferiores a las del campo libre en ese mismo punto. Adems se espera una mayor correlacin entre los movimientos de dos puntos diferentes de la fundacin con respecto a los correspondientes al campo libre. La interaccin cinemtica y dinmica se puede decir que "plancha" o "suaviza" los acelerogramas propios de un sismo.

2. ACCIONES SISMICAS PARA DISEO DE ESTRUCTURAS

A pesar de las dificultades resultantes de la complejidad de los movimientos ssmicos, es necesario identificar los aspectos ms relevantes a los efectos del diseo de estructuras. Estos son:

a) Distancia del sitio a las fuentes reconocidas de actividad ssmica, y caractersticas (magnitud y frecuencia de ocurrencia) de dicha actividad. Este aspecto se tiene en cuenta por el Reglamento para Diseo Sismorresistente (INPRES-CIRSOC 103) mediante la zonificacin ssmica del pas.

b) Tipos de suelo y espesores de los estratos en el sitio.

c) Caractersticas dinmicas de la estructura, descriptas a travs de modos y frecuencias propias, amortiguamiento, capacidad para soportar acciones inelsticas cclicas, materiales y detalles de diseo en uniones, y fundaciones.

d) Grado de seguridad requerido dependiente de la Funcin de la construccin de que se trate: edificio pblico, hospitales, plantas generadoras de energa,

edificios habitacionales, edificios industriales, obras de infraestructura, etc.; o del Tipo de estructura: edificio regular en altura, edificio irregular, sistema constructivo (hormign armado colado in-situ, hormign prefabricado, acero soldado, etc.), represas de hormign o de tierra, puentes y viaductos, etc.

A los efectos del diseo de estructuras es habitual suponer que el ambiente ssmico corresponde a ondas ssmicas P y S que se propagan verticalmente, lo que implica que stas inciden con igual magnitud y fase en todos los apoyos de la estructura.

Se trata de una idealizacin por dems simplificada de la realidad, pero resulta aceptable dada la diversidad de diferentes combinaciones de ondas potencialmente factibles. Esta simplificacin resulta de razonable aplicacin en la mayora de las estructuras cuyas dimensiones en planta no superan un cuarto de longitud de onda del perodo dominante del sismo de diseo.

Por ejemplo, para una construccin en suelo tipo I del reglamento en zona ssmica 4, el perodo dominante del espectro de aceleracin para diseo est comprendido entre 0.2 y 0.4 segundos. Adoptando para esta estimacin un valor medio de 0.3 segundos y suponiendo un suelo de velocidad media de propagacin de ondas VS = 500 m/s, la longitud de la onda dominante es 0.3 x 500 = 150 m, por lo que no habra duda de aplicar este criterio para dimensiones en planta de 37.5 m. Para una distancia del doble de este valor, o sea 75 m, es posible imaginar que si la onda dominante que produce el sismo no viaja verticalmente sino que se trata de una onda de corte superficial (tipo Love), los dos puntos considerados puedan estar en contratase (semi-