monografia ingenieria estructural
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INGENIERÍA ESTRUCTURAL
Curso: Metodología del Aprendizaje I
Docente: Dr. Edwards Jesús Aguirre Espinoza
Alumna: Catherine Sylvie Valencia Villalba
Código: 2011221877
CUSCO PERÚ
2011
NIVERSIDAD ALAS PERUANAS - FILIAL CUSCOEscuela Profesional de Ingeniería Civil
INDICE
INDICE..............................................................................................................................................1
Capítulo 1 : INTRODUCCIÓN....................................................................................................3
Capítulo 2 : OBJETIVOS..............................................................................................................5
Capítulo 3 : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA..................................................................6
Capítulo 4 : MARCO TEORICO..................................................................................................7
I PUENTES.............................................................................................................................7
1) Los primeros puentes.................................................................................................7
2) Los puentes modernos...............................................................................................8
a) Puentes de tirantes.................................................................................................8
b) Puentes colgantes o de tirantes.........................................................................9
c) Puentes en arco de acero.....................................................................................9
d) Puentes en arco de hormigón.............................................................................9
e) Puentes en arco de piedra.................................................................................10
f) Puentes de vigas trianguladas..........................................................................10
g) Puentes de pontones...........................................................................................10
h) Puentes móviles.....................................................................................................11
II : EDIFICACIONES............................................................................................................12
1) CARGAS DE UN EDIFICIO.........................................................................................12
a) Cimientos.....................................................................................................................13
i) Condiciones del suelo..................................................................................................13
ii) Tipos de cimientos.......................................................................................................14
iii) Nivel freático................................................................................................................15
b) Estructura....................................................................................................................15
i) Edificios de una o dos plantas......................................................................................16
ii) Edificios de varias plantas............................................................................................17
c) Muros exteriores (fachadas) y cubiertas......................................................................18
d) Separaciones interiores...............................................................................................19
e) Control ambiental........................................................................................................19
f)Sistemas eléctricos y de comunicación.............................................................................19
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g) Transporte vertical.......................................................................................................20
h) Suministro de agua y eliminación de residuos.............................................................20
III : PRINCIPIOS DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL EN ZONAS SÍSMICAS..............21
1) ANTECEDENTES..........................................................................................................21
2) Capacidad de predicción.........................................................................................22
3) Desempeño inadecuado..........................................................................................23
4) Estrategia de las normas vigentes.......................................................................23
5) Selección del sitio.......................................................................................................24
6) Acciones de diseño....................................................................................................24
a) Aceleración máxima del terreno..................................................................................24
b) Acción simultánea de varias componentes..................................................................25
c) Caracterización de las acciones de diseño...................................................................26
i) Espectros de respuesta elástica...................................................................................26
ii) Espectros de diseño.....................................................................................................27
d) Configuración y Estructuración....................................................................................27
i) Irregularidades en planta.............................................................................................28
ii) Irregularidades en elevación........................................................................................28
iii) Estructuración..............................................................................................................28
iv) Verificación de la seguridad.........................................................................................29
Capítulo 5 : CONCLUSIONES..................................................................................................30
Capítulo 6 : BIBLIOGRAFIA......................................................................................................31
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Capítulo 1 : INTRODUCCIÓN
El termino ingeniería estructural se aplica a la especialidad de la ingeniería civil
que permite el planeamiento y el diseño de las partes que forman el esqueleto
resistente de las edificaciones más tradicionales como edificios urbanos,
construcciones industriales, puente, estructuras de desarrollo hidráulico y otras.
El esqueleto estructural forma un sistema integrado de partes, denominadas
elementos estructurales: vigas, columnas, losas, zapatas de cimentación y otros.
A menudo se requiere resolver problemas de elevada complejidad que se
resuelven mediante técnicas de elementos finitos que obligan a penetrar en los calculo
diferencial e integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones
diferenciales y métodos numéricos.
El Ejercicio Profesional
La actividad profesional del ingeniero estructural se inicia con un bosquejo
arquitectónico de la futura edificación, en el cual se comienzan a definir las
dimensiones generales tanto en planta como en alzado. Compara las alternativas
referentes al material básico de construcción: la conveniencia de usar concreto
reforzado o pre esforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada,
aluminio u otras posibilidades más recientes. Asimismo define previamente las
dimensiones longitudinales y transversales de los elementos estructurales. En la
ingeniería estructural de las obras urbanas, el trabajo entre arquitectos e ingenieros
resulta a menudo inseparable.
Definidas las características geométricas preliminares se pasa al proceso de pre
dimensionamiento de los elementos estructurales: dimensiones de las vigas y
columnas, características de la cimentación, definición de escaleras, muros de
contención, posición de ductos de aire acondicionado. Luego se evalúa las cargas que
soportara la edificación: cargas muertas que son cargas que no varían dentro de la
estructura ni a lo largo del tiempo; cargas vivas que varían en espacio o en el tiempo,
por el ejemplo, el peso de los ocupantes y los muebles.
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El ingeniero a cargo debe analizar las fuerzas de reacción y deformaciones que
del esqueleto resistente debido a las cargas. Para esto muchos ingenieros. Muchos
ingenieros disponen de programas computarizados en sus oficinas para la solución de
los problemas corrientes. Algunos de los programas empleados tienen capacidades
graficas que generan dibujos de las fuerzas internas y deformaciones para muchos
estados de carga. Si las fuerzas internas ( torsión, momento flexor y cortante)
obtenidas del análisis resultan compatibles con las resistentes y las deformaciones se
suponen terminada la primera fase del procedimiento. Se pueden cometer errores al
confiar demasiado en los resultados automatizados. Si algo falla y no hay quien revise
el producto automatizado puede haber consecuencias como pérdidas humanas y de
capital.
Luego se procede al refinamiento del diseño: se trata de llegar a un modelo que
resulte de modo razonable más económico y funcional; al decir razonable queremos
decir que se tenga en cuenta la facilidad constructiva de lo que se analiza y se diseña.
La fase de elaboración de los planos debe ser ejecutada por ingenieros de alta
experiencia buscando que en definitiva los planos contengan lo que se debe de
construir. Los planos de construcción deben de ser claros, indicando los materiales a
usar, detalles de refuerzo, con las indicaciones precisas de las dimensiones y de las
etapas previstas. Además deben de ser elaborados previendo que el constructor no se
vea obligado a tomar medidas a escalas ni hacer deducciones.
El ingeniero civil maneja diversos materiales en la especialidad estructural.
Materiales homogéneos como el acero, la madera, el aluminio. El acero es el de mayor
uso en perfiles de grandes dimensiones como los de sección I de alma llena, canal,
angulares. Otro material muy utilizado es el resultado de la combinación del acero y el
concreto, llamándose concreto reforzado o armado. El acero se denomina por su
resistencia a la fluencia, siendo comunes las resistencias de 2800 Kgf/Cm2 (grado 40) y
4200 Kgf/Cm2 (grado 60); los diámetros generalmente utilizados en Republica
Dominicana son 3/8", ½", ¾" y 1", en longitudes que varían desde los 20 hasta los 60
pies. El concreto utilizado varia su resistencia dependiendo del elemento en que se
vaya a utilizar por ejemplo: 180 Kgf/Cm2 usado en zapatas de muros y en
construcciones de un nivel; 210 Kgf/Cm2 usados en lozas, vigas y obras asimilables;
para columnas se puede usar desde 280 Kgf/Cm2 a 400 Kgf/Cm2.
El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre el
comportamiento de los materiales con los cuales se construyen las edificaciones.
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Capítulo 2 : OBJETIVOS
Los Objetivos que se plantean para el desarrollo de la siguiente monografía son:
Profundizar los conocimientos acerca de la Ingenieria Estructural.
Conocer la aplicación de la Ingeniería Estructural en la vida
cotidiana del Ingeniero Civil, para su correcta aplicación en su desarrollo
profesional.
Conocer con profundidad los conceptos y materiales usados en las
diferentes estructuras.
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Capítulo 3 : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La Ingeniería Estructural a es un tema amplio que se debe de llegar a profundizar de una
manera muy significante a lo largo del recorrido de la formación profesional de un Ingeniero Civil,
ya que para un buen y correcto desempeño profesional es muy importante conocer esta rama de
la Ingeniería Civil.
Además de ser una de las ramas importantes en el Campo de la Ingeniería Civil resulta ser
una rama imprescindible en el la formación ya que toda “estructura” depende de un buen estudio
de Ingeniería.
Es así que a lo largo del desarrollo de la presente vamos a ver la Importancia de la
Ingeniería Civil.
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Capítulo 4 : MARCO TEORICO
I PUENTES
Puente, estructura que proporciona una vía de paso sobre el agua, una
carretera o un valle. Los puentes suelen sustentar un camino, una Carretera o una vía
férrea, pero también pueden transportar tuberías y líneas de distribución de energía.
Los que soportan un canal o conductos de agua se llaman Acueductos. Los puentes
construidos sobre terreno seco o en un valle y formados por un conjunto de tramos
cortos se suelen llamar viaductos; se llaman pasos elevados los puentes que cruzan las
autopistas y las vías de tren. Un puente bajo, pavimentado, sobre aguas pantanosas o
en una bahía y formado por muchos tramos cortos se suele llamar carretera elevada.
1) Los primeros puentes
Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno o más
troncos para cruzar un arroyo o atando cuerdas y cables en valles estrechos. Este tipo
de puentes todavía se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo a la distancia
entre dos apoyos) son un desarrollo de estas formas elementales. El método de colocar
piedras para cruzar un río, mejorado con troncos situados entre las piedras para
comunicarlas, es el prototipo de puente de múltiples tramos. Los postes de madera
clavados en el fondo del río para servir de apoyo de troncos o vigas permitieron
atravesar corrientes más anchas y caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete,
se utilizan todavía para atravesar valles y ríos en los que no interfieren con la
navegación. El uso de pilas de piedra como apoyo para los troncos o maderos fue otro
avance importante en la construcción de puentes con vigas de Madera. La utilización
de flotadores en lugar de apoyos fijos creó el puente de pontones. Los puentes de
vigas de madera han sido los más utilizados desde la antigüedad, aunque según la
tradición se construyó un puente de arco de ladrillos hacia el 1800 a.C. en Babilonia.
Otros tipos de construcción, como los puentes colgantes y el cantiléver, se han
utilizado en la India, China y Tíbet. Los puentes de pontones los utilizaban los reyes
persas Darío I y Jerjes I en sus expediciones militares.
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Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera, uno de los
cuales se describe con detalle en la obra Comentarios sobre la guerra de las Galias de
Julio César. Sin embargo, los puentes romanos que se mantienen en pie suelen
sustentarse en uno o más arcos de piedra, como el puente de Martorell cerca de
Barcelona, en España, construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en Rímini,
Italia, del siglo I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene tres niveles de arquerías
que elevan el puente a 48 m sobre el río Gard, con una longitud de 261 m; es el
ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido en el siglo I a.C. La
utilización de arcos de medio punto derivó más tarde en la de arcos apuntados. Los
arcos modernos suelen ser escárzanos o con forma semielíptica, ya que permiten
tramos más largos sin interrumpir la navegabilidad y con altura moderada. El puente
sobre el río Tweed (1803) en Kelso, Escocia, ejemplo de puente de arco semielíptico,
fue diseñado por el ingeniero británico John Rennie.
Los puentes de vigas tienen limitada la longitud de los tramos por la resistencia
de las vigas. Esta limitación se supera ensamblando las vigas en triángulos. Leonardo
da Vinci esbozó puentes de este tipo, y el arquitecto italiano Andrea Palladio
probablemente construyó varios. En Suiza se construyeron dos puentes de vigas
trianguladas en 1760. Sin embargo, la construcción de este tipo de puentes no se
desarrolló a gran escala hasta después de 1840
2) Los puentes modernos
Los puentes actuales se identifican por el fundamento arquitectónico utilizado,
como cantilever o de tirantes, colgantes, de arco de acero, de arco de hormigón, de
arco de piedra, de vigas trianguladas o de pontones. Cuando es necesario respetar el
paso de barcos por debajo del puente y no es posible construirlo a la altura precisa se
construyen puentes móviles. A continuación se indican algunos ejemplos importantes
de los diferentes tipos de puentes.
a) Puentes de tirantes
Este tipo de puente se caracteriza porque los tramos no se sujetan por sus
extremos, sino cerca del centro de sus vigas. El Puente de Normandía, de 2.200 m
de longitud, inaugurado en 1995, atraviesa el estuario del Sena desde Le Havre a
Honfleur, en Francia. Su tramo central tiene una longitud de 856 m. Está diseñado
para soportar vientos de hasta 120 kilómetros por hora. El puente de Forth, sobre el
estuario de Forth en Queensferry, Escocia, es un puente ferroviario de acero con dos
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tramos principales de 520 m cada uno, y una longitud total de 1,6 km; fue
construido entre 1882 y 1890 por los ingenieros John Fowler y Benjamín Baker. El
puente de Québec, sobre el río San Lorenzo (Québec, Canadá), terminado en 1917,
tiene un tramo principal de 550 m; soporta una carretera y una vía de tren de dos
carriles. El puente de Carquinez Strait, cerca de San Francisco, Estados Unidos,
terminado en 1927, tiene dos tramos de 335 m y unos tramos de anclaje de 152 m;
fue diseñado para resistir terremotos. El puente Howrah, sobre el río Hooghly en
Calcuta, la India, tiene un tramo principal de 457 m, y se inauguró en 1943. El Gran
Puente de Nueva Orleans (1958) sobre el río Mississippi (Estados Unidos) tiene un
tramo principal de 480 m. El Puente de Barrios de Luna sobre el embalse de Barrios
de Luna, en España, es el mayor puente del mundo atirantado de hormigón. Entró
en funcionamiento en 1985 y cubre una luz de 440 metros.
b) Puentes colgantes o de tirantes
El ingeniero estadounidense de origen alemán John Roebling diseñó y
construyó en 1846 un puente colgante de 308 m sobre el río Ohio en Wheeling,
Virginia, Estados Unidos. Fue el primer puente colgante de cables construido en el
mundo. El Golden Gate, en San Francisco, Estados Unidos, inaugurado en 1937,
tiene un tramo central de 1.280 m suspendido de unas torres de 227 m de altura.
Tiene un margen de altura de 67 m. El puente sobre el estrecho del Bósforo en
Estambul, Turquía, tiene un tramo central de 1.079 m. Se inauguró en 1973 y
constituye la primera comunicación permanente de autopista entre Europa y Asia.
Hasta 1995, el puente de Humber era uno de los puentes colgantes más largos del
mundo. Se construyó en 1980 en el estuario del río Humber, en Inglaterra, con un
tramo central de 1.410 m. El puente colgante más alto, 321 m sobre el nivel del
agua, atraviesa el Royal Gorge sobre el río Arkansas, en Colorado, Estados Unidos.
El puente colgante de Belgrano, situado sobre el río Paraná, tiene una longitud de
2.000 m. En 1998 se inauguró en Lisboa el puente Vasco da Gama, el mayor puente
de toda Europa, con casi 18 km de longitud, y casi 15 km sobre el agua. Este
puente, situado en la desembocadura del río Tajo, aliviará el tránsito de vehículos
por el puente 25 de Abril, inaugurado en 1966 y con 1.013 m de luz. También en
1998 se abrió el puente del estrecho de Akashi, en Japón con un vano central de
unos 1.990 metros.
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c) Puentes en arco de acero
El ingeniero estadounidense James Buchanan Eads construyó el primer
puente de acero sobre el río Mississippi en Saint Louis, Missouri, en el año 1874. El
puente ferroviario Hell Gate, sobre el río East, en Nueva York, era el puente de arco
de acero más largo del mundo cuando se inauguró en 1917, con un tramo principal
de 298 m. El puente que atraviesa el río Niágara desde Queenston, Ontario, Canadá,
a Lewiston, Nueva York, Estados Unidos, inaugurado en 1965, utiliza un arco de
acero de 305 metros.
d) Puentes en arco de hormigón
Durante el comienzo del siglo XX, el desarrollo del hormigón armado
proporcionó grandes progresos a la construcción de puentes con arcos de hormigón.
El puente del Esla, sobre el río Esla, en España, con un tramo central de 197 m, se
construyó en 1940. El puente de Gladesville (1964) en Sydney, Australia, se eleva
46 m sobre el río Parramatta con un arco de hormigón de 305 m. En Croacia se
construyó un puente de arco de hormigón de 390 m de longitud y 67 m de altura en
1979. El puente Tancredo Neves se sitúa sobre el cañón del río Iguazú y une la
localidad de Puerto Iguazú (Argentina) con la ciudad de Foz do Iguaçu (Brasil).
La construcción de viaductos se ha efectuado con puentes de arcos múltiples
de hormigón. El viaducto ferroviario Tunkhannock, en Pennsylvania, Estados Unidos
(1916), tiene 724 m de longitud y está formado por diez arcos de 55 m y dos de 30
m. El viaducto para automóviles Columbia, también en Pennsylvania, tiene una
longitud de 2.090 m y está formado por 28 arcos de hormigón de 56 metros.
e) Puentes en arco de piedra
El desarrollo del tren provocó la reutilización de los arcos de medio punto en
la construcción de puentes, realizados con piedra tallada en los lugares donde esto
resultaba económico. El viaducto de piedra de Ballochmyle, que cruza el río Ayr
cerca de Mauchline, en Escocia, tiene un tramo soportado por un arco de medio
punto de 55 m. Un viaducto de 3.658 m compuesto por 222 arcos de piedra
comunica la ciudad de Venecia con tierra firme. El tramo soportado por arco de
piedra más grande, de 90 m, es el puente de Syra, en Plauen, Alemania; se terminó
en 1903. No se ha seguido construyendo puentes con arcos de piedra por su alto
coste.
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f) Puentes de vigas trianguladas
La construcción de puentes con vigas de acero trianguladas o reticuladas se
ha empleado mucho por su bajo coste. Desarrollos recientes han aumentado la
longitud de los tramos, así como la utilización de estructuras reticuladas continuas.
En los últimos años se ha desarrollado la llamada construcción ortotrópica, en
la cual unas planchas de acero de refuerzo actúan al mismo tiempo como soporte de
la calzada y como soporte de las vigas transversales y de las vigas maestras
longitudinales. Inaugurado en 1967, el mayor puente de este tipo es el San Mateo-
Hayward, en San Francisco, Estados Unidos.
g) Puentes de pontones
Son puentes flotantes permanentes, a diferencia de las estructuras
temporales militares, que se instalan en lugares donde las condiciones locales lo
hacen necesario. Un puente flotante de 466 m atraviesa el río Hooghly, en Calcuta,
la India; soporta una carretera a 8,2 m sobre el agua con 14 pares de pontones de
hierro, de 48 m de largo y 3,1 m de ancho.
h) Puentes móviles
Además de las secciones de algunos puentes de pontones, los tramos
móviles pueden ser basculantes (puentes levadizos), giratorios o de elevación
vertical, según las necesidades locales. El primer tipo de puente basculante fue el
ala abatible de madera que servía para cruzar el foso de los castillos y que se
elevaba con cadenas desde el interior. Este tipo de puente, con uno o dos tramos de
bisagra y contrapesados, es apropiado para vías navegables estrechas con mucho
tráfico. El Puente de la Torre (1894) sobre el río Támesis, en Londres, es el ejemplo
más famoso de este tipo de construcción.
Los puentes giratorios tienen un tramo móvil montado sobre un pivote o
plataforma giratoria en su centro. El tramo más largo de este tipo de puente, con
166 m, es el de un puente para trenes y automóviles, terminado en 1927 que cruza
el Mississippi en Fort Madison, Iowa, Estados Unidos.
Los puentes de elevación vertical se utilizan para tramos largos donde es
necesario despejar toda la anchura del canal y a una altura considerable. El tramo
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de elevación vertical más largo transporta una vía de tren sobre Arthur Kill, entre
Staten Island y Elizabeth, Nueva Jersey, Estados Unidos; se construyó en 1959. El
tramo mide 170 m y tiene un margen de altura de 9,5 m cerrado y 41 m levantado.
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II : EDIFICACIONES
1) CARGAS DE UN EDIFICIO
Las cargas que soporta un edificio se clasifican en muertas y vivas. Las cargas
muertas incluyen el peso del mismo edificio y de los elementos mayores del
equipamiento fijo. Siempre ejercen una fuerza descendente de manera constante y
acumulativa desde la parte más alta del edificio hasta su base. Las cargas vivas
comprenden la fuerza del viento, las originadas por movimientos sísmicos, las
vibraciones producidas por la maquinaria, mobiliario, materiales y mercancías
almacenadas y por máquinas y ocupantes, así como las fuerzas motivadas por cambios
de temperatura. Estas cargas son temporales y pueden provocar vibraciones,
sobrecarga y fatiga de los materiales. En general, los edificios deben estar diseñados
para soportar toda posible carga viva o muerta y evitar su hundimiento o derrumbe,
además de prevenir cualquier distorsión permanente, exceso de movilidad o roturas.
Principales elementos de un edificio
Los principales elementos de un edificio son los siguientes:
a) los cimientos, que soportan y dan estabilidad al edificio;
b) la estructura, que resiste las cargas y las trasmite a los cimientos;
c) los muros exteriores que pueden o no ser parte de la estructura
principal de soporte;
d) las separaciones interiores, que también pueden o no pertenecer
a la estructura básica;
e) los sistemas de control ambiental, como iluminación, sistemas de
reducción acústica, calefacción, ventilación y aire acondicionado;
f) los sistemas de transporte vertical, como ascensores o
elevadores, escaleras mecánicas y escaleras convencionales;
g) los sistemas de comunicación como pueden ser
intercomunicadores, megafonía y televisión por circuito cerrado, o los más
usados sistemas de televisión por cable, y 8) los sistemas de suministro de
electricidad, agua y eliminación de residuos.
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a) Cimientos
El diseño de la estructura de un edificio depende en gran medida de la
naturaleza del suelo y las condiciones geológicas del subsuelo, así como de las
transformaciones realizadas por el hombre en esos dos factores.
i) Condiciones del suelo
Si se pretende construir un edificio en una zona con tradición sísmica,
se deberá investigar el tipo de suelo a una profundidad considerable. Es
evidente que deberán evitarse las fallas en la corteza terrestre bajo la
superficie. Ciertos suelos pueden llegar a licuarse al sufrir terremotos y
transformarse en arenas movedizas. En estos casos debe evitarse construir
o en todo caso los cimientos deben tener una profundidad suficiente para
alcanzar zonas de materiales sólidos bajo el suelo inestable. Se han
encontrado suelos arcillosos que se llegan a expandir hasta 23 cm o más al
someterlos a largos periodos de humedecimiento o secado, con lo que se
producen potentes fuerzas que pueden cizallar o fragmentar los cimientos y
elevar edificios poco pesados. Los suelos con alto contenido orgánico llegan
a comprimirse con el paso del tiempo bajo el peso del edificio, disminuyendo
su volumen inicial y provocando el hundimiento de la estructura. Otros
tienden a deslizarse bajo el peso de las construcciones.
Los terrenos modificados de alguna forma suelen tener un
comportamiento diferente, en especial cuando se ha añadido o se ha
mezclado otro tipo de suelo con el original, así como en aquellos casos en
que el suelo se ha humedecido o secado más de lo normal, o cuando se les
ha añadido cemento u otros productos químicos como la cal. A veces el tipo
de suelo sobre el que se proyecta construir varía tanto a lo largo de toda la
superficie prevista que no resulta viable desde el punto de vista económico
o no es posible edificar con seguridad.
Por tanto, los análisis geológicos y del suelo son necesarios para
saber si una edificación proyectada se puede mantener adecuadamente y
para hallar los métodos más eficaces y económicos.
Si hay una capa rocosa firme a corta distancia bajo la superficie de la
obra, la resistencia de la roca permitirá que la extensión sobre la que
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descanse el peso de la construcción no tenga que ser demasiado grande. A
medida que se van encontrando rocas y suelos más débiles, la extensión
sobre la que se distribuirá el peso deberá ser mayor.
ii) Tipos de cimientos
Los tipos de sistemas de cimentación más comunes se clasifican en
profundos y superficiales. Los sistemas superficiales se encuentran a poca
distancia bajo la base del edificio, como las losas continuas y las zapatas.
Los cimientos profundos se extienden a varios metros bajo el edificio, como
los pilotes y los pozos de cimentación (figura 1). La elección de los cimientos
para un edificio determinado dependerá de la fortaleza de la roca y el suelo,
la magnitud de las cargas estructurales y la profundidad del nivel de las
aguas subterráneas.
Los cimientos más económicos son las zapatas de hormigón armado,
empleados para edificios en zonas cuya superficie no presenta dificultades
especiales. Estos cimientos consisten en planchas de hormigón situadas
bajo cada pilar de la estructura y una plancha continua (zapata continua)
bajo los muros de carga
Los cimientos de losa continua se suelen emplear en casos en los que
las cargas del edificio son tan grandes y el suelo tan poco resistente que las
zapatas por sí solas cubrirían más de la mitad de la zona de construcción.
Consisten en una losa de hormigón armado, que soporta el peso procedente
de los soportes. La carga que descansa sobre cada zona de la losa no es
excesiva y se distribuye por toda la superficie. En las cimentaciones bajo
edificios de gran envergadura, las cargas se pueden repartir por medio de
nervaduras o muros cruzados, que rigidizan la losa.
Los pilotes se emplean sobre todo en zonas en las que las
condiciones del suelo próximo a la superficie no son buenas. Están
fabricados con madera, hormigón o acero y se colocan agrupados en pilares.
Los pilotes se introducen a determinada profundidad dentro de la roca o
suelo y cada pilar se cubre con una capa de hormigón armado. Un pilote
puede soportar su carga tanto en su base como en cualquier parte de su
estructura por el rozamiento superficial. La cantidad de pilotes que debe
incluirse en cada pilar dependerá de la carga de la estructura y la capacidad
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de soporte de cada pilote de la columna. Los pilotes de madera o vigas son
troncos de árboles, con lo que su longitud resulta limitada. En cambio, un
pilote de hormigón puede tener una altura aceptable y se puede introducir
por debajo del nivel freático. En edificios muy pesados o muy altos se
emplean pilotes de acero, llamados por su forma pilotes en H, que se
introducen en la roca, a menudo hasta 30 m de profundidad. Con estos
pilotes se alcanza más fácilmente una mayor profundidad que con los pilotes
de hormigón o madera. Aunque los pilotes de acero son mucho más caros,
su coste está justificado en los grandes edificios, que suelen representar una
importante inversión financiera.
Los cimientos de zapatas rígidas se emplean cuando hay un suelo
adecuado para soportar grandes cargas, bajo capas superficiales de
materiales débiles como turba o tierra de relleno. Un cimiento de zapatas
rígidas consiste en unos pilares de hormigón construidos en forma de
cilindros que se excavan en los lugares sobre los que se asentarán las vigas
de la estructura. Estos cimientos soportan las cargas del edificio en su
extremo inferior, que suele tener forma de campana.
iii) Nivel freático
La construcción de los cimientos puede complicarse debido a la
existencia de agua subterránea por encima del nivel previsto para los
cimientos. En estos casos, los laterales de la excavación pueden no estar
seguros y derrumbarse. La operación de bajar el nivel del agua por bombeo
requiere la instalación previa de planchas entrelazadas en los lados de la
excavación para evitar derrumbamientos. Cuando la cantidad de agua en
una excavación es excesiva, los métodos de bombeo ordinarios, que extraen
a la superficie tierra suelta mezclada con agua, pueden minar los cimientos
de edificios vecinos. Para evitar los daños que puede causar el drenaje al
remover el suelo, se emplean sistemas de puntos de drenaje y desagüe. Los
puntos de drenaje consisten en pequeñas picas o tuberías con un filtro en
uno de sus extremos, y se introducen en el suelo de modo que el filtro, que
impide que la tierra entre junto con el agua, quede bajo el nivel del agua.
Esta pequeña tubería está conectada a una tubería múltiple que se
comunica por un tubo flexible a una bomba de agua. Así se extrae el agua
bajo la excavación sin peligro para los edificios próximos. El sistema de
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desagüe puede incluso ahorrar la instalación de planchas en los lados de la
excavación, siempre que no se prevea que el suelo pueda deslizarse sobre
la obra debido a su composición o a las vibraciones de maquinaria o tráfico
pesado en las cercanías.
b) Estructura
Los elementos básicos de una estructura ordinaria son suelos y cubierta
(incluidos los elementos de apoyo horizontal), pilares y muros (soportes
verticales) y el arriostramiento (elementos diagonales) o conexiones rígidas
para dar estabilidad a la estructura.
i) Edificios de una o dos plantas
En el caso de edificios bajos es posible una mayor variedad de formas y
estilos que en los edificios grandes. Además del sistema de pórticos —también
utilizado en grandes edificios—, las pequeñas edificaciones pueden tener
cubiertas a dos aguas, bóvedas y cúpulas. Una estructura de un solo piso puede
consistir en una solera de hormigón directamente sobre el suelo, muros
exteriores de albañilería soportados por una losa (o por zapatas continuas,
alrededor del perímetro del edificio) y una cubierta. En edificios bajos, el uso de
pilares interiores entre los muros de carga es un método muy común. También
pueden emplearse pilares espaciados, apoyados en losas o zapatas, pero en
este caso los muros exteriores se soportan por los pilares o están colocados
entre éstos. Si la luz de cubierta del tejado es corta, se utilizan entarimados de
apoyo, hechos de madera, acero u hormigón para formar la estructura del
techo.
Cada material de la estructura tiene su propia relación peso-resistencia,
costo y durabilidad. Como regla general, cuanto mayor sea la luz de cubierta o
techo, más complicada será la estructura que lo soporte y habrá menos
posibilidades para escoger los materiales apropiados. Dependiendo de la
longitud de la luz, la cubierta podrá tener una estructura de vigas
unidireccionales (figura 2a) o una estructura de vigas bidireccionales, apoyadas
en vigas maestras de mayor tamaño que abarquen toda la extensión de la luz
(figura 2b). Los apuntaladores son sustituibles por cualquiera de esos métodos y
pueden tener una profundidad de menos de 30 cm o más de 9 m, y se forman
entrelazando los elementos de tensión y compresión en forma de triángulos.
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Suelen ser de madera o acero, aunque también se pueden hacer de hormigón
armado. La estructura de un edificio de una sola planta también puede consistir
en un armazón de techo y muros en combinación, afirmados entre ellos o
hechos de una sola pieza. Las formas posibles de la estructura son casi infinitas,
incluida la variedad de tres lados de un rectángulo afirmados en un conjunto
llamado armadura (figura 2c), la de forma de iglesia de lados verticales y techo
inclinado (figura 2d), la de parábola (figura 2e) y la de semicírculo o cúpula.
La estructura básica y los muros exteriores, suelos y techo pueden estar
hechos como un todo unido, muy parecido a una tubería rectangular con los
extremos abiertos o cerrados. Estas formas pueden moldearse en plástico.
ii) Edificios de varias plantas
La forma más frecuente de construcción de edificaciones es el
entramado reticular metálico. Se trata en esencia de los elementos verticales
que aparecen en las figuras 3a, 3b y 3c, combinados con una estructura
horizontal. En los edificios altos ya no se emplean muros de carga con
elementos horizontales de la estructura, sino que se utilizan generalmente
muros-cortina, es decir, fachadas ligeras no portantes.La estructura metálica
más común consiste en múltiples elementos de construcción, como se recoge
en la figura 3c. Para estructuras de más de 40 plantas se emplean diversas
formas de hormigón armado, acero o mezcla de estos dos. Los elementos
básicos de la estructura metálica son los pilares verticales o pies derechos, las
vigas horizontales que abarcan la luz en su mayor distancia entre los pilares y
las viguetas que cubren la luz de distancias más cortas. La estructura se
refuerza para evitar distorsiones y posibles derrumbes debidos a pesos
desiguales o fuerzas vibratorias. La estabilidad lateral se consigue conectando
entre sí los pilares, vigas y viguetas maestras, por el soporte que proporcionan a
la estructura los suelos y los muros interiores, y por las conexiones rígidas en
diagonal entre pilares y entre vigas (figura 3a). El hormigón armado puede
emplearse de un modo similar, pero en este caso se deben utilizar muros de
hormigón en lugar de riostras, para dar una mayor estabilidad lateral.
Entre las nuevas técnicas de construcción de edificios de cierta altura se
encuentran la inserción de paneles prefabricados dentro del entramado
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metálico, las estructuras suspendidas o colgantes y las estructuras estáticas
compuestas.
En la técnica de inserción se construye una estructura metálica con un
núcleo central que incluye escaleras de incendios, ascensores, fontanería,
tuberías y cableado eléctrico. En los huecos entre las estructuras horizontales y
verticales se insertan paneles prefabricados en forma de cajón. Éstos permitirán
efectuar transformaciones posteriores en el edificio.
En la técnica colgante (figura 3b), se construye un núcleo central
vertical, y en su parte superior se fija una fuerte estructura horizontal de
cubierta. Todos los pisos a excepción de la planta baja quedan sujetos al núcleo
y a los elementos de tensión que cuelgan de la estructura de la cubierta. Una
vez terminado el núcleo central, las plantas se van construyendo de arriba a
abajo.
En la técnica de apilamiento o estructura estática compuesta (figura 3c)
se colocan paneles prefabricados en forma de cajón con la ayuda de grúas
especiales, unos sobre otros, y posteriormente se fijan entre ellos.
En edificios de más de 40 plantas el acero se considera el material más
adecuado. Sin embargo, los últimos avances en el desarrollo de nuevos tipos de
hormigón compiten con el acero. Los edificios de gran altura a menudo
requieren soluciones estructurales más elaboradas para resistir la fuerza del
viento y, en ciertos países, la fuerza de terremotos. Uno de los sistemas de
estructura más habituales es el tubo exterior estructural, empleado en la
construcción del World Trade Center (411 m) en Nueva York. En él, con pilares
separados y conectados firmemente a vigas de carrera horizontales sobre el
perímetro del edificio, se consigue la fuerza suficiente para soportar las cargas y
la rigidez necesaria para reducir las desviaciones laterales. En este caso, para el
tubo estructural se empleó una mezcla de hormigón y materiales de
construcción compuestos, hechos de elementos estructurales de acero
encofrados con hormigón armado.
En los edificios de gran altura se suele utilizar una combinación de acero
y hormigón armado. La elevada relación resistencia-peso del acero es excelente
para los elementos de luz horizontal. Los hormigones de alta dureza pueden
aportar de un modo económico la resistencia a la fuerza de compresión
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necesaria en los elementos verticales. Además, las propiedades de la masa
interna y la humedad del hormigón ayudan a reducir los efectos de las
vibraciones, uno de los problemas más usuales en los edificios de gran altura.
c) Muros exteriores (fachadas) y cubiertas
Los muros de cortina o fachadas ligeras son el tipo más frecuente de
muros no portantes, y se pueden montar a pie de obra o en origen. Son
elementos cuya superficie o piel exterior se ha tratado con material de
aislamiento, barreras de vapor o aislamientos acústicos, y una superficie interior
que puede formar parte de los muros de cortina o unirse a ellos. La capa
exterior puede estar hecha de metales (acero inoxidable, aluminio, bronce),
albañilería (hormigón, ladrillo, baldosa) o vidrio. Para las fachadas también se
utiliza piedra caliza, mármol, granito y paneles de hormigón prefabricados.
El método tradicional de construcción de las cubiertas es colocar rollos
de tela asfáltica laminada cubiertos de grava, sobre los elementos de hormigón
o acero de la estructura. También se utilizan materiales sintéticos en lugar de
rollos de tela asfáltica. Hay algunos en forma de hierba y alfombras hechas de
plástico que se pueden instalar en zonas recreativas del tejado a bajo coste.
d) Separaciones interiores
Los métodos tradicionales de división interna de los edificios han
consistido en muros de albañilería de 10 a 15 cm de espesor de hormigón, yeso
o piedra pómez, pintados o encalados; también se han utilizado estructuras de
madera o metal cubiertas con listones de madera enyesados. El uso de cartón
yeso y madera laminada está muy extendido.
Para conseguir mayor flexibilidad dentro de los edificios se emplean
sistemas intercambiables y desmontables cuya única restricción es el espacio
que queda entre los pilares. Estas separaciones pueden estar hechas de
materiales metálicos, paneles prefabricados de cartón yeso, sistemas de
cortinas plegables a modo de acordeón, o en caso de problemas de ruidos,
cortinas plegables en sentido horizontal o vertical. Los materiales ligeros suelen
tener el inconveniente de no aislar los ruidos y no proteger adecuadamente la
intimidad. No obstante las nuevas tendencias incluyen la instalación de
separaciones ligeras pero utilizando cada vez más materiales que reduzcan y
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limiten el ruido. En muchos edificios los únicos muros de albañilería son los
muros contra incendios, entre los que se incluyen los huecos de ascensores,
escaleras y pasillos principales.
e) Control ambiental
En muchos países se han desarrollado importantes avances en sistemas
de control de calefacción, refrigeración, ventilación, iluminación y de sonidos. En
la mayoría de los grandes edificios se ha estandarizado el aire acondicionado
para todo el año. Algunas zonas de los edificios se refrigeran incluso en invierno,
dependiendo de la distancia entre los muros exteriores y del calor que pueden
generar la iluminación, los equipos eléctricos o la actividad humana dentro del
edificio. Al mejorar el nivel y la calidad de la iluminación, el coste de los
sistemas mecánicos y eléctricos en los edificios grandes ha crecido en mayor
medida que en las casas familiares. Estos costes pueden llegar a suponer un
tercio o un cuarto del coste total de la construcción.
f) Sistemas eléctricos y de comunicación
La extensión del uso de electricidad, teléfono, equipos de transmisión por
fax, circuitos cerrados de televisión, intercomunicaciones, alarmas y sistemas
de seguridad, ha supuesto un aumento en la cantidad de cableado que se
instala en los edificios. Los cables principales se tienden verticalmente en
conductos abiertos que se ramifican por cada planta a través de los techos de
las mismas o debajo de las baldosas.
La electricidad que necesitan los edificios ha aumentado a causa de los
numerosos y complejos equipos que se instalan. Para evitar las consecuencias
de fallos en el suministro se suelen instalar equipos generadores de emergencia
en muchos edificios, que en algunos casos, como en zonas alejadas, disponen
de sus propios sistemas para generar energía. Cuando se utilizan generadores
diesel o de turbina de gas, el calor que producen las máquinas puede
aprovecharse para otros usos del edificio.
g) Transporte vertical
Los ascensores por cable, de control automático y alta velocidad, son el
tipo de transporte vertical más utilizado en edificaciones de altura. Los edificios
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bajos y las plantas inferiores de los edificios comerciales suelen tener Escaleras
mecánicas. En caso de incendio debería contarse al menos con dos vías de
salida de la zona principal del edificio. Por ello, además de los ascensores y las
escaleras mecánicas, todos los edificios, incluso los más altos, deben disponer
de dos escaleras protegidas a lo largo de todo el edificio.
h) Suministro de agua y eliminación de residuos
Los edificios deben contar con un sistema de tuberías de suministro de
agua para beber, lavado, cocinado, instalaciones sanitarias, sistemas internos
de extinción de incendios (ya sea con tuberías y mangueras fijas o por
aspersores automáticos), sistemas de aire acondicionado y calderas.
La eliminación de los desperdicios secos y húmedos en los edificios se
lleva a cabo por medio de una gran variedad de sistemas. Un método muy usual
es verter los desperdicios líquidos a tuberías conectadas a la red de
alcantarillado.
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III : PRINCIPIOS DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL EN
ZONAS SÍSMICAS
1) ANTECEDENTES
Durante tiempos históricos se tiene conocimiento de terremotos que han
ocasionado destrucción en ciudades y poblados de todos los continentes de la tierra.
Un elevado porcentaje de los centenares de miles de víctimas cobradas por los sismos,
se debe al derrumbe de construcciones hechas por el hombre; el fenómeno sismo se
ha ido transformando así en una amenaza de importancia creciente en la medida en
que las áreas urbanas han crecido y se han hecho más densas. Las soluciones
constructivas más duraderas han sido aquellas capaces de resistir las acciones
externas y del uso; entre las acciones externas, en vastas extensiones de nuestro
planeta, deben incluirse las acciones sísmicas.
Hasta hace poco, las soluciones adoptadas para resistir las acciones sísmicas se
desarrollaron esencialmente analizando los efectos de los terremotos en las
construcciones, sin el apoyo teórico de causas y características de los sismos, ni de
información cuantitativa sobre la naturaleza de los movimientos del terreno. Un
ejemplo de adaptación progresiva a las sacudidas telúricas, lo constituye las
edificaciones de la segunda capital de Guatemala, hoy mejor conocida como Antigua.
Algunas de sus edificaciones, monumentos en la actualidad, han resistido con daños
moderados las acciones de los sismos en una de las zonas más activas de Centro
América, durante varios siglos; las soluciones constructivas, con muros de 4 y 5 m de
grosor, bóvedas de 60 cm de espesor, contrafuertes, columnas de esbeltez reducida,
etc., fue el resultado de un proceso de prueba y error durante los siglos XVI, XVII y
parte del XVIII.
La incorporación y desarrollo de la Resistencia de Materiales en el proyecto de
las edificaciones facilitó la predicción cuantitativa del estado de tensiones en las
construcciones. De igual modo la aplicación de procedimientos de análisis y la
incorporación del acero en la construcción, incrementaron sensiblemente la seguridad
en las edificaciones. mediados del presente siglo, los problemas específicos de la
Ingeniería Sísmica progresivamente dejan de ser resueltos en base a observaciones y
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comienza a desarrollarse una disciplina fundamentada sobre bases científicas, con un
cuerpo organizado de conocimientos, programas de investigación para entender
ciertos problemas no resueltos y una fértil interacción entre ciencias básicas de un lado
(geofísica, sismología), y la experiencia de ingenieros proyectistas y constructores por
el otro.
2) Capacidad de predicción
La idea prevalente sobre el vocablo predicción es el de un pronunciamiento
determinístico sobre un evento futuro de naturaleza no determinística tal como la
magnitud, sitio, día y hora de un futuro sismo. Una revisión sobre este aspecto y sus
implicaciones de prevención, permite afirmar lo siguiente:
a) No se poseen aún teorías generales en base a las cuales se
puedan hacer predicciones confiables sobre futuros sismos. De una manera
general, la predicción debe verse como una probabilidad condicional a ser
revisada a medida que se produce nueva información. Para ello se requiere
como mínimo. Lo dicho también es aplicable a algunos aspectos de la
Ingeniería Sismorresistente. La mayoría de los Códigos de diseño y mapas
de zonificación sísmica, que en su momento representaron la mejor
predicción sobre las acciones de diseño antisísmico se han ido ajustando en
el transcurso del tiempo y es previsible que año sufran modificaciones. Con
frecuencia estos cambios están motivados, justificados y/o aceptados, como
consecuencia de los efectos constatados de un determinado terremoto.
b) La estrategia más eficiente para limitar las pérdidas materiales,
es la de proyectar y construir utilizando racionalmente los conocimientos de
la Ingeniería Sismorresistente.
c) La experiencia demuestra que una vez admitida una predicción,
es posible tomar medidas de defensa civil que reduzcan sustancialmente el
riesgo de pérdidas de vidas así como de cierto tipo de pérdidas indirectas.
A los fines de la Ingeniería Estructural interesa enfocarnos en la
capacidad de pronosticar la respuesta y el desempeño de edificaciones
existentes bajo la acción de sismos. Es decir, dada una edificación ubicada
en cierto escenario sísmico, evaluar las consecuencias de esa exposición.
El esquema operativo de los algoritmos diseñados para tal evaluación
es el que se da en el cuadro 1.
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Cuadro 1.
Caracterización del
escenario sísmico
Caracterización de la
edificación expuesta
Respuesta
Vulnerabilidad a sismos
Consecuencias de la exposición
La secuencia anterior es válida, tanto para e edificaciones como para
conjuntos dispuestos en una o más localidades.
3) Desempeño inadecuado
En el proyecto de edificaciones que puedan quedar sometidas a acciones
sísmicas, es fundamental entender su comportamiento probable: cómo se va a
deformar, cuales son sus regiones críticas y, sobre todo, evitar fallas prematuras que
limiten la reserva resistente de la estructura. En aquellos casos donde sea previsible
que la estructura entre en el rango inelástico, debe garantizarse una conducta dúctil.
El golpeteo entre edificaciones adyacentes ha sido la causa de daños
importantes y fallas prematuras de edificaciones de varias plantas, en especial cuando
estas se encuentran a diferente nivel.
Los grandes paños de pared de mampostería no reforzada deben evitarse, pues
se ha demostrado en múltiples ocasiones que resultan inestables durante sacudidas
sísmicas intensas. Por ejemplo, los muros de mampostería de fachada de la unidad de
reuniones del Centro Médico de México, sin refuerzos y uniones, perdieron estabilidad
con el terremoto del 19 de Septiembre de 1985.
4) Estrategia de las normas vigentes
A diferencia de otras sobrecargas, los sismos generan acciones dinámicas de
signo alternante; es decir, las oscilaciones de la edificación durante su respuesta,
superponen a las solicitaciones debidas a la gravedad terrestre otras de signo
alternante (pueden ser momentos flectores, fuerzas axiales o fuerzas cortantes).
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Bajo la acción de sismos fuertes, de la intensidad prevista en las normas, se
admiten daños estructurales importantes. Estos pueden incluso llegar a ser tan
importantes que, sin alcanzar el estado de ruina o inestabilidad, requieran la
demolición de la edificación.
5) Selección del sitio
Los bordes de mesetas —excepcionales por su vista panorámica— presentan
mayor azarosidad cuando se encuentran en áreas amenazadas por sismos,
especialmente son evidentes los fenómenos de inestabilidad de sus taludes por otras
acciones naturales. Algo similar puede decirse de las zonas al pié del talud.
En algunas normas se exige la evaluación de la estabilidad del talud cuando la
edificación se encuentra en sus cercanías.
Fenómenos de licuefacción en suelos sueltos saturados son frecuentes en las
riberas de ríos. Las pilas de este puente rotaron bajo la acción de un sismo y el tablero
simplemente apoyado del lado derecho se hundió en el río.
En áreas de topografía abrupta se observa un mayor movimiento del terreno.
Tal es el caso de área del Canal Beagle, en Viña del Mar, donde un conjunto de
edificaciones nominalmente iguales ubicadas en el tope de un cerro, sufrieron daños
importantes como consecuencia del terremoto de Marzo de 1985, a diferencia de otras
iguales ubicadas al pié del cerro, que no se dañaron.
6) Acciones de diseño
a) Aceleración máxima del terreno
Las acciones sísmicas establecidas en las normas se caracterizan por la
aceleración máxima de la componente horizontal y son seleccionadas a partir
de un estudio generalizado de la amenaza sísmica. En término medio y según el
país, se encuentran asociadas a probabilidades de excedencia que oscilan entre
10% y 40% en 50 años, lo cual representa períodos de retorno de 475 a 100
años.
De una manera general, en obras civiles muy importantes y en todas
aquellas donde el mal funcionamiento puede tener consecuencias catastróficas,
es necesario alcanzar un nivel consistente de protección contra las acciones
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sísmicas tanto en las edificaciones como en las instalaciones, sistemas y
componentes. Estos, además de soportar las acciones gravitacionales previstas,
deben quedar diseñados de modo tal que puedan resistir los efectos de aquellas
combinaciones de acciones cuya probabilidad de ocurrencia simultánea no se
considere remota.
Tabla 1. Criterios para la selección de los sismos de diseño (aceleración
máxima de la componente horizontal).
Objetivo de DiseñoPeriodo Medio de
RetornoCriterio de Diseño
Minimizar daños menores, o la disrupción de operación en plantas
industriales
1 a 2 veces la vida de la edificación
Respuesta elástica
Control de daños en componentes críticos. Estabilidad estructural
4 a 6 veces la útilRespuesta elástica.
Cedencia incipiente en las zonas más solicitadas
Estabilidad de embalsas. Interrupción de
funcionamiento de plantas nucleares.
Estabilidad de equipos en subestaciones
eléctricas de alto voltaje
De mil a 3 mil años Agotamiento resistente
Tabla 2. Coeficiente de importancia y períodos medios de retorno.
Ubicación de la localida
d
Ao (2)
Coeficiente de
Importancia□
A'o = □Ao
Probabilidad de que A'o sea excedido (2)
en un tiempo de:
Periodo
Medio de
Retorno (3)
(años)
1 año
50 años
100 años
Zona de peligro sísmico elevado(
1)
1,0 0,30g0,002
10,100 0,190 473
0,30g 1,2 0,36g0,001
20,059 0,115 818
1,5 0,45g0,000
60,031 0,061 1597
Zona de peligro sísmico modera do (1)
1,0 0,15g0,002
10,101 0,192 496
0,15g 1,2 0,18g0,001
00,050 0,098 973
1,5 0,225g 0,000 0,021 0,041 2374
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4
b) Acción simultánea de varias componentes
De una manera general, el movimiento del terreno debido a sismos
puede descomponerse en seis componentes: tres traslaciones y tres rotaciones.
Dado que la mayoría de las edificaciones responden esencialmente a las
componentes traslacionales horizontales (X e Y), es común que las
componentes rotacionales sean ignoradas totalmente y que el efecto de la
componente vertical (Z) sea despreciada; cuando esta componente o su efecto,
sea importante, es preciso incorporarlo y considerar el efecto combinado S
según la expresión: donde S representa el efecto debido a la componente
traslacional del movimiento del terreno indicada en el subíndice.
c) Caracterización de las acciones de diseño
i) Espectros de respuesta elástica
Los espectros describen la máxima respuesta de estructuras idealizadas
como un grado de libertad, sometidas a la acción de un movimiento sísmico
(acelerograma) conocido. El procedimiento a seguir para la determinación
rigurosa de los espectros se ilustra en la Figura 4. Los espectros para el diseño
(Figura 4d) se determinan a partir de estudios estadísticos de familias de
movimientos sísmicos, para osciladores con el mismo porcentaje de
amortiguamiento referido al crítico. En la Tabla 3 se dan valores para diferentes
tipos de materiales y niveles de tensiones.
Tabla 3. Valores de amortiguamiento.
Nivel de tensionesTipo y Condición de la
Estructura
Porcentaje de Amortiguamiento
Crítico (%)Tensiones de servicio
que no excedan un 50% de las cadentes
a) tuberías vitales; 1 a 2b)miembros de acero, soldados: concreto pretensado; concreto muy reforzado, con pequeños agrietamientos;
2 a 3
c) concreto armado con fisuración pronunciada
3 a 5
d) miembros de acero 5 a 7
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apernados; estructuras de madera.
Tensiones a nivel cedente o cercanos a la
cadencia
a) tuberías vitales 2 a 3b) miembros de acero, soldados; concreto pretensado sin pérdida completa de la pretensión;
5 a 7
c) concreto pretensado con pérdida la pretensión
a 10
d) concreto armado; 7 a 10
De una manera general, las condiciones del subsuelo influyen en los
contenidos frecuenciales del movimiento y por tanto en la forma de los
espectros. En la Figura 5 se describe en forma cualitativa cambios esperados en
la aceleración máxima del terreno y en las formas espectrales, para tres
registros: un sitio cercano ubicado en suelo firme ó roca (1), superficie de
depósito aluvional (2) y un sitio alejado en el suelo firme (3).
ii) Espectros de diseño
Tal como se indicó en la sección de estrategias de normas vigentes, es
común admitir que la edificación pueda hacer incursiones importantes en el
rango inelástico (post-elástico). Por esta razón en el diseño se utilizan espectros
de respuesta elástica a partir de un factor de reducción que depende del factor
de ductilidad D garantizando por el sistema resistente a sismos.
VALORES TIPICOS DE D
Sistema Resistente a sismos
Rango de valores de D
Acero bien detallado
Concreto armadoBien
detalladoDetallado
insuficientePórticos; elementos sometidos a la flexión
5 - 7 4 - 6 2,5 - 3,5
Pórticos y muros; dual 3 - 5 2 - 3Pórticos diagonalizados 3 - 4 2,5 - 3,5 1,5 - 2Muros estructurales 3 - 4 1,5 - 2Pórticos; elementos sometidos a la flexión
5 - 7 4 - 6 2,5 - 3,5
Las normas aceptan, implícita ó explícitamente, que bajo esas acciones
intensas las edificaciones comunes incursionen en el rango de deformaciones
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inelásticas; es decir, daños estructurales, que pueden incluso ser de naturaleza
irreparable.
De una manera general, se puede considerar que estos son los estados
previos a la condición límite de ruina o desplome; de hecho, parte importante de
las pérdidas materiales está representada por el riesgo de ruina o desplome de
la edificación. Es evidente de lo anterior, que la capacidad de predecir dicho
estado límite está asociada a una incertidumbre mayor y requiere consideración
especial.
d) Configuración y Estructuración
La experiencia ha demostrado que la configuración de la edificación y su
estructuración juegan un papel muy importante en el diseño a solicitaciones
sísmicas intensas. Los estudios analíticos confirman las observaciones de campo
según las cuales, edificaciones irregulares dan lugar a elevadas demandas
localizadas de resistencia y/o ductilidad; esto conduce a una respuesta
inadecuada, a menudo de consecuencias catastróficas, ya que la estructura
portante no alcanza a desarrollar íntegramente su capacidad portante.
i) Irregularidades en planta
Plantas de configuración irregular han tenido un mal desempeño a
sismos intensos. Por ejemplo plantas triangulares, generalmente ubicadas en
parcelas de la misma forma, conducen a distribuciones de rigidez asociadas a
fuertes torsiones.
Los extremos de plantas con entrantes pronunciados, con formas en U,C
ó H, tienden a responder de modo independiente al resto de la edificación
creando esfuerzos adicionales no previstos. Su corrección a posteriori es
posible, tal como se ilustra en este caso de Caracas afectado por el terremoto
de 1967.
ii) Irregularidades en elevación
Cambios bruscos en la distribución vertical de masas, resistencia o
rigidez conducen a situaciones altamente vulnerables a sismos, como la que se
ilustra. No es conveniente disponer grandes masas aisladas en las partes
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superiores de edificaciones elevadas pues durante la respuesta dinámica de la
edificación son de esperar amplificaciones importantes del movimiento. El
tanque de almacenamiento de agua en el último nivel del Centro de Oncología
(PB + 7 niveles), probablemente fue el causante de fallas en columnas; nótese
que la entrada de ambulancias se encuentra obstruida.
Otras irregularidades en elevación pueden ser creadas por elementos no
estructurales, cuya interacción con la estructura portante suele ser ignorada en
el modelo matemático, tal como se constata en el edificio de 10 plantas de la
figura.
iii) Estructuración
El sistema estructural debe definir claramente alineamientos resistentes
a las solicitaciones sísmicas, cuya contribución a la capacidad portante se pueda
cuantificar de modo inequívoco. El sistema reticulado celular ilustrado, eficiente
para sobrecargas gravitacionales, da lugar a estructuras excesivamente
flexibles y débiles, tal como se evidenció en el pasado terremoto de México en
1985.
La construcción de este edificio de 25 pisos, ubicado en una zona de
elevado peligro sísmico, fue detenida por ser inadecuada se estructuración en
su dimensión más larga.
iv) Verificación de la seguridad
Como resultado de estudios de investigaciones hechas hasta el presente,
es evidente que ha aumentado el nivel de confianza en la predicción tanto de
las acciones esperadas como de la respuesta probable. Tales estudios revelan
que el necesario balance entre seguridad y economía puede lograrse a costo de
un cierto riesgo, expresado como probabilidad de excedencia de ciertos estados
límites. Este aspecto plantea la necesidad de revisar la responsabilidad por
cierto tipo de daños como consecuencia de acciones sísmicas futuras, y así se
establece en las normas modernas.
En todo caso, toda edificación y cada una de sus partes debe tener la
resistencia, la rigidez y la estabilidad necesaria para comportarse
satisfactoriamente y con seguridad de alcanzar los estados límites que puedan
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presentarse durante su vida útil. De una manera formal, en la verificación de la
seguridad se pueden distinguir cuatro tipos de acciones: permanentes,
variables, accidentales y extraordinarias. Estas conducen a las siguientes
situaciones de diseño:
a) situaciones permanentes ó persistentes, cuya duración es del
mismo orden de la vida útil de la estructura;
b) situaciones variables ó transitorias, que, aún cuando son de
duración menor, tienen una elevada probabilidad de ocurrir a lo largo de la vida
útil de la edificación. Es el caso de las combinaciones de peso propio y
sobrecargas de servicio extremas;
c) situaciones accidentales, caracterizadas por su corta duración y
pequeña probabilidad de ocurrencia (sismos intensos, vientos, cambios
extremos de temperatura);
d) situaciones extraordinarias, que pueden presentarse en casos
excepcionales y dar lugar a catástrofes (explosiones, incendios, impactos, etc.).
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Capítulo 5 : CONCLUSIONES
En conclusión el estudiante de ingeniería civil debe tener curiosidad de
detenerse en las obras de construcción para observar los procesos constructivos para
irse empapando en lo que será su ejercicio profesional.
Todo buen profesional de la ingeniería estructural debe poseer sólidos
conocimientos sobre los materiales usados en las obras, esto unido al buen juicio y la
virtud de poder balancear correctamente la estética, las formas estructurales, las
técnicas constructivas.
El reto futuro de la ingeniería estructural consistirá en la determinación de las
propiedades básicas de los materiales de construcción tradicional y el desarrollo de
nuevos materiales más económicos, más livianos y más duraderos. Esto se hará
considerando la estructura molecular de los cuerpos y otros métodos sofisticados de
medición.
El campo de la ingeniería estructural esta estrechamente ligado a la
comparación sistemática de los resultados de los modelos analíticos con los
experimentales sometidos a los efectos de los efectos naturales como eventos
meteorológicos y sismológicos.
La ingeniería sísmica debe llamar nuestra atención ya que nuestro país se
encuentra dentro de la zona insular sísmica que abarca todo el caribe y Centroamérica.
La ingeniería sísmica tiene entre otras las siguientes funciones:
Identificar las áreas en las cuales se considere más probable la
ocurrencia de un sismo importante, en un plazo corto de tiempo;
Seleccionar los parámetros o indicadores que resulten más
confiables.
Contar con los medios adecuados para medirlos u observarlos
sistemáticamente durante lapsos de tiempo que suelen ser de varios años.
Que las estructuras no sufran daños bajo la acción de sismos
menores.
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Que las estructuras resistan sismos moderados, con algunos
daños económicamente reparables en elementos no estructurales
Que las estructuras resistan sismos intensos sin colapsar, aunque
con daños estructurales importantes
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Capítulo 6 : BIBLIOGRAFIA
Titulo de la obra: Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto
Autor: Universidad Nacional Autónoma de México
Titulo de la obra: Estructuras Sismo - Resistentes
Autor: Maria Graciela Fratelli
Titulo de la obra: Diseño de Estructuras en Concreto Armado.
Autor: Maria Graciela Fratelli
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