Comportamiento Estructural

Diseño sísmico

Módulo 2 2021

Oficina de Educación

Virtual USTA

Comportamiento Estructural

Módulo 2 Diseño sísmico

Autora Olga Lucía Vanegas Alfonso

2021

Oficina de Educación

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DIRECTIVOS SANTO TOMÁS Fr. José Gabriel Mesa Angulo, O.P Rector Fr. Eduardo González Gil, O. P. Vicerrector Académico General Fr. Wilson Fernando Mendoza Rivera, OP. Vicerrector Administrativo y Financiero General Fr. Javier Antonio Castellanos, O.P. Decano División de Educación Abierta y a Distancia Ing. Carlos Eduardo Balanta Reina Decano Facultad de Ciencias y Tecnologías AUTOR DISCIPLINAR División de Educación Abierta y a Distancia Facultad de Ciencias y Tecnologías Especialización en Patología de la Construcción Comportamiento Estructural Módulo 2: Diseño sísmico Autora : Olga Lucía Vanegas Alfonso ASESORÍA Y PRODUCCIÓN Mg. Carlos Eduardo Álvarez Martínez Coordinador Oficina de Educación Virtual Mg. Wilson Arley Sánchez Pinzón Asesor tecnopedagógico, corrector de estilo y diseñador instruccional Prof. Diego Fernando Jaramillo Herrera Diseñador gráfico Oficina de Educación Virtual Universidad Santo Tomás Sede Principal - Bogotá

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Diseño sísmico

Módulo 2

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CONTENIDO DEL MÓDULO 2 Problematización - Situación de aprendizaje - Contexto

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Preguntas orientadoras

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Análisis instruccional (Síntesis de contenido)

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Metodología

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Introducción – Presentación

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1. Diseño sísmico de edificios

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1.1 Criterios del diseño sísmico

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1.2 Objetivos del diseño sísmico

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1.3 Aspectos principales del diseño sísmico

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1.4 Normativa

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2. Hormigón 2.1 Materiales 3. Acero

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3.1 Costo

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3.2 Uso

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3.3 Sostenibilidad

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3.4 Durabilidad

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3.5 Resistencia a desastres naturales

17

3.6 Tiempo de construcción

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3.7 Ventajas tienen las construcciones metálicas

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4. Mampostería.

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4.1 Tipos de mampostería

18

4.1.1 Mampostería ordinaria

18

4.1.2 Mampostería en seco

19

4.1.3 Mampostería confinada

19

4.1.4 Mampostería estructural

20

4.1.5 Mampostería decorativa

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5. Elementos no estructurales muros divisorios

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5.1 Elementos no estructurales

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5.2 Muros divisorios

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Bibliografía / Webgrafía

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PROBLEMATIZACIÓN SITUACIÓN DE APRENDIZAJE - CONTEXTO Prevención, diagnóstico y solución de las afectaciones en infraestructura y edificaciones. Las actuales problemáticas que presentan las construcciones en el tiempo debido a factores naturales que lo rodean y aunado a los procesos constructivos empleados, pueden evidenciar afectaciones mecánicas, químicas y biológicas, que determinan la estabilidad global y la conservación de la edificación e infraestructura, así como las condiciones de habitabilidad. Por lo anterior, es necesario la identificación y gestión de estrategias para la intervención y diagnóstico de las patologías, orientadas a una construcción duradera, mediante acciones conducentes que nos permitan identificar, prevenir y remediar problemas asociados a los materiales involucrados en la infraestructura y edificaciones con el fin de mejorar la calidad de vida de las personas, las comunidades y sociedad; teniendo como base los principios del enfoque del desarrollo sostenible y la identidad cultural, en contextos urbanos y rurales.

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PREGUNTAS ORIENTADORAS ¿Cuáles estrategias y acciones se puedan implementar para mitigar las afectaciones que presentan la edificación o infraestructura, desde los aspectos físicos, químicos o biológicos, que pueden incidir en su comportamiento durante la vida útil de la edificación? ¿Qué tipo de alternativas de solución se deben implementar para mitigar las afectaciones en las construcciones teniendo en cuenta la sostenibilidad ambiental o patrimonio cultural?

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ANÁLISIS INSTRUCCIONAL (SÍNTESIS DE CONTENIDO) MÓDULO 2. DISEÑO SÍSMICO

1. Diseño sísmico de edificios 1.1 Criterios del diseño sísmico 1.2 Objetivos del diseño sísmico 1.3 Aspectos principales del diseño sísmico 1.4 Normativa 2. Hormigón 2.1 Materiales 3. Acero 3.1 Costo 3.2 Uso 3.3 Sostenibilidad 3.4 Durabilidad 3.5 Resistencia a desastres naturales 3.6 Tiempo de construcción

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ANÁLISIS INSTRUCCIONAL (SÍNTESIS DE CONTENIDO) MÓDULO 1. GENERALIDADES Y CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

3.7 Ventajas tienen las construcciones metálicas 4. Mampostería. 4.1 Tipos de mampostería 4.1.1 Mampostería ordinaria 4.1.2 Mampostería en seco 4.1.3 Mampostería confinada 4.1.4 Mampostería estructural 4.1.5 Mampostería decorativa 5. Elementos no estructurales muros divisorios 5.1 Elementos no estructurales 5.2 Muros divisorios

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METODOLOGÍA Diseño sísmico de edificios, detalles constructivos y patologías en: Resistencia, detalles constructivos, hormigón, acero, mampostería, elementos no estructurales muros divisorios y elementos de fachada, vulnerabilidad sísmica y sistemas de reforzamiento conceptos sobre evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificios existentes y de las posibles alternativas para el reforzamiento sísmico, amenaza sísmica, sismo, espectro del diseño sísmico, estudios de amenaza sísmica, control técnico, tipos de cargas, columnas, vigas, armaduras y marcos.

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INTRODUCCIÓN – PRESENTACIÓN El diseño sísmico se encarga del estudio del comportamiento estructural de las edificaciones, durante el proceso de diseño se determina la resistencia que tiene que soportar una construcción teniendo presentes las cargas vivas, muertas, el índice de actividad sísmica de la zona. El diseño sísmico se planteó luego de realizar un análisis a diferentes estructuras y determinar que las fallas se presentaba pues no se contaban con materiales y procesos adecuados para el buen desarrollo de la edificación, de igual manera no se tenía presente el uso y las cargas que deberá soportar la estructura lo que producía que al momento de presentarse un evento sísmico las cargas a las que se sometían las estructuras eran muy fuertes y por eso fallaban.

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1. DISEÑO SÍSMICO En la actualidad en el campo de la construcción han visto varios cambios significativos en el desarrollo de las edificaciones debido a que se implementan estrategias para mitigar los daños causados por movimientos sísmicos. Para que una edificación cumpla con dichos requerimiento es indispensable plantearlos desde el momento de su diseño de esta manera se determinan los materiales que se van a implementar, teniendo en cuenta el uso de la edificación y las dimensiones que deben cumplir. Es indispensable que se lleve a cabo un buen estudio geotécnico ya que debido a esto se realiza el diseño de la cimentación y se garantiza la estabilidad d la edificación, en el estudio geotécnico se obtiene la información geológica y geotécnica de la zona a intervenir, para ellos se deben realizar sondeos con maquinarias especializadas y así garantizar por medios de análisis la buena calidad del terreno.

9. Figura 1 Fuente : Estudios geotécnicos y control de material (GMD)

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1.1 Criterios del diseño sísmico • La estructura no debe sufrir deformaciones de gran magnitud , con el fin que no se genere un alto grado de pánico al momento del evento sismológico. • El daños que se presente en el edificio debe ser mayormente en lo elementos no estructurales, los elementos estructurales no deberán sufrir ningún tipo de daño y en el caso de presentar no debe ser tan significativo. • Si se presenta daño significativo en la estructura se debe prever que no se presente colapso durante el sismo.

1.2 Objetivos del diseño sísmico • Evitar daños de gran magnitud en las estructuras que se puedan presentar posterior a un evento sísmico. • No debe excederse el Estado límite de supervivencia ni para sismos extraordinarios que tengan una muy pequeña probabilidad de ocurrencia

Figura 2 Daños presentados en una estructura luego de un evento sísmico Fuente : casetas de México 2018

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1.3 Aspectos principales del diseño sísmico (NINA .R 2015) plantea los siguientes aspectos que deben tenerse presentes al momento de realizar un diseño sísmico adecuado. • Selección de un sistema estructural adecuado: que debe ser capaz de absorber y disipar energía introducida por el sismo. • El Análisis Sísmico: Los reglamentos definen las acciones sísmicas para calcular la respuesta de la estructura, y proporcionan métodos de análisis. • El dimensionamiento de las secciones: métodos innovadores del diseño por capacidad. • Detallado de la estructura: Para el comportamiento dúctil de los miembros de la estructura es necesario el detallado de los mismos y de sus conexiones para proporcionarles capacidad de deformación antes del colapso.

1.4 Normativa Toda edificación debe cumplir con las normas establecidas según las entidades de cada país, en el caso de Colombia los encargados de estipular los diferentes reglamentos son: • La ley 400 de 1997 • La ley 1229 de 2008 • Resoluciones expedidas por la comisión asesora permanente del régimen de construcciones sismo resistentes del gobierno nacional. • la NSR 10 • Normas ICONTEC

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2. HORMIGÓN El tipo de hormigón ( concreto) que se debe utilizar en una estructura sismo resistente es reforzado y debe cumplir con 5 variables fundamentales: • Rigidez • Masa • Resistencia • Capacidad dúctil • Peligro sísmico

Figura 3 Concreto reforzado Fuente : BH Concretos

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(Vidaud, Frometa, Vidaud 2019) Se entiende por control de calidad al conjunto de acciones y decisiones que se toman, bien para cumplir las especificaciones, o bien para comprobar que estas hayan sido cumplidas (Jiménez, García y Morán, 2000). Este proceso se representa según el modelo de la Figura 4. En este sentido deben estudiarse en detalles y por separado las distintas fases del proceso constructivo y los sujetos responsables de las mismas.

Figura 4 Modelización del Control de Calidad en construcción. Adaptado de Jiménez, et. al., (2000)

El material más utilizado en las construcción es el hormigón armado, pero también son las construcciones que más dificultades presentan durante su proceso de construcción, se debe tener un cuidado especial con el manejo de los materiales en el proceso de construcción y que de esta manera no se vea afectada ni la estructura ni el concreto como tal.

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Figura 5 Daños en estructuras de hormigón armado durante el sismo de Haití en enero 2010. Fuente: Fierro, 2010

En el titulo C de la NSR 10 se plantean las características que debe cumplir el concreto para ser utilizado de manera estructural, es uno de los materiales más utilizados en la construcción de edificaciones en general debido a sus buenas características y propiedades físicas y químicas.

2.1 Materiales los materiales que se emplean para realizar una mezcla correcta de concreto son : • Cemento portland • Agua • Agregados finos • Agregado gruesos • Aditivos

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3. ACERO El acero es considerado como un material de construcción dúctil y versátil, gracias a esto es bastante utilizado en la construcción de edificaciones gracias a sus propiedades químicas el acero se puede moldear mucho más fácil que el hierro, las temperaturas a las cuales se funde el acero son 1400 y 1500°. (En Obra 2017) El hierro fue el primer metal que se usó industrialmente en la práctica para las estructuras sustentantes. Poco a poco se fue introduciendo como material de construcción, primero con elementos de fundición y, finalmente, con los elementos tubulares que facilitan la esbeltez de las modernas estructuras metálicas.

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Figura 6 Estructuras sismo resistentes Fuente : laminas y aceros 2021

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Para seleccionar un material se debe tener en cuenta el uso que se dará a la estructura, también tener presente el tiempo y costo que se tiene destinado a la elaboración del proyecto.

3.1 Costo Siempre es indispensable tener en cuenta gastar lo menos posible haciendo uso de buenos materiales por este motivo el acero es un material adecuado para reducir significativamente la inversión.

3.2 Uso Como se mencionó anteriormente es indispensable saber qué uso se dará a la estructura para determinar que tipo de elementos en acero se deben utilizar garantizado estabilidad y resistencia.

3.3 Sostenibilidad Al construir estructuras en acero se reducen los altos niveles de contaminación durante el proceso, lo que hace significativamente sostenible un proyecto.

3.4 Durabilidad Si se maneja de la manera adecuada al igual que los otros materiales, el acero puede durar significativamente, ya que resiste muy bien los efectos de la corrosión y el moho.

Figura 7 Elemento en acero no manejado adecuadamente Fuente arquitectura acero 2018

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3.5 Resistencia a desastres naturales Las estructuras se plantean para mantenerse en pie por un periodo largo de tiempo (En Obra 2017) El acero plantea varias ventajas en este ámbito, al ser un metal no inflamable es resistente a incendios ocasionados por accidentes o eventos naturales.

3.6 Tiempo de construcción (En Obra 2017) si el tiempo es dinero, entonces el acero es el material más ahorrador de la industria. Los clientes que quieren sus estructuras listas tan pronto como sea posible no tienen que buscar más, que este material.

3.7 Ventajas de las construcciones metálicas (En Obra 2017) • Facilidad de montaje y transporte debido a su ligereza . • Rapidez de ejecución • Facilidad de refuerzos y/o reformas sobre la estructura ya construida. • Ausencia de deformaciones diferidas en el acero estructural. • Valor residual alto como chatarra. • Ventajas de la prefabricación, los elementos se pueden fabricar en taller y unir posteriormente en obra de forma sencilla (tornillos o soldadura). • Buena resistencia al choque. • Las estructuras metálicas de edificios ocupan menos espacio en planta (estructuralmente) que las de hormigón, por ejemplo, con lo que la superficie habitable es mayor. • El material es homogéneo y de calidad controlada (alta fiabilidad)

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4. MAMPOSTERÍA En el artículo Mampostería y sus usos en la construcción de (cementos Cibao 2018) se expone que Mampostería, se conoce como el sistema tradicional de construcción que consiste en erigir muros y paramentos, para diversos fines, mediante la colocación manual de los elementos o los materiales que los componen (denominados mampuestos) que pueden ser ladrillos, bloques de cemento prefabricados, piedras talladas en formas regulares o no, entre otros. Son una solución tradicional y eficaz, empleada en construcciones durante mucho tiempo a lo largo de la historia. Este sistema permite una reducción en los desperdicios de los materiales empleados y genera fachadas portantes; es apta para construcciones en alturas grandes. La mayor parte de la construcción es estructural.

4.1 Tipos de mampostería 4.1.1 Mampostería ordinaria

18. Figura 8 Fuente: 123RF 2021

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4.1.2 Mampostería en seco

Figura 9 Fuente: piedra natural maestrazgo

4.1.3 Mampostería confinada

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Figura 10 Fuente: fundaciones mampostería confinada 2018

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4.1.4 Mampostería estructural

Figura 11 Fuente: SENA 2019

4.1.5 Mampostería decorativa

Figura 12 FFuente: arquiplus 2017

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5. ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES MUROS DIVISORIOS 5.1 Elementos no estructurales Durante el proceso de diseño de toda estructura se deben tener en cuenta los diseños no estructurales dentro de los que se encuentran: • Cielos rasos

• Puertas

• Paneles

• Instalaciones

• Ventanas Teniendo presente que dichos elementos no se deben considerar de gran peligro ante cualquier evento sísmico, en muchos códigos de diseño no se plantean normativas para esto elementos por este motivo se pueden presentan pérdidas significativas tanto de vidas como de elementos dentro de la estructura afectada.

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Figura 13 Elementos no estructurales Fuente: ArchDaily 2021

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(OPS 1993) en el diseño sísmico de estructuras se concede generalmente poca importancia a estos elementos, al punto de que muchos códigos de diseño no incluyen normas de diseño al respecto. Quizás debido a ello la experiencia en temblores recientes muestra en muchos casos un excelente comportamiento de la estructura diseñada de acuerdo a los modernos criterios de sismo-resistencia, acompañado por desgracia de una deficiente respuesta de los elementos no estructurales. Sin embargo, si se tiene en cuenta las razones de seguridad de los ocupantes de una edificación y los transeúntes expuestos al riesgo de colapso de tales elementos, así como el costo de reposición de los mismos y las pérdidas involucradas en la suspensión de funciones del edificio mismo, puede comprenderse la importancia de considerar adecuadamente el diseño sísmico de los elementos no estructurales dentro del proyecto general de la edificación. En estructuras hospitalarias los problemas se presentan debido a las siguientes razones: • Durante un evento sísmico las instalaciones deben mantenerse en el mejor estado posible Un hospital siempre tiene un número significativo de personas en sus instalaciones por eso los elementos de fijación de los elementos no estructurales deben estar instalados correctamente • El movimiento de la estructura no puede generar daños en ninguna de las instalaciones debido a todos los aparatos médicos que se tienen • El costo de los elementos no estructurales debe ser acorde con el resto de la edificación, no se deben utilizar materiales de bajo costo que puedan fallar drásticamente.

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5.2 Muros divisorios Por lo general durante un sismo los elementos que más se ven afectados son los muros divisorios debido a que responden a fuerzas horizontales presentadas durante el evento, por tal motivo dichos elementos deben ser considerados importantes durante la construcción, no porque sean considerados no estructurales quiere decir que no puedan afectar trascendentalmente la respuesta de la estructura.

Figura 14 Instalaciones hospitalarias de equipamento Fuente: CosemarOzono

Para garantizar el comportamiento sísmico de estos elementos se debe hacer uso de materiales de óptima calidad, así como elementos que den amarre y soporte a estos muros con los elementos estructurales.

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Figura 15 Construcción muros divisorios Fuente: ARGOS 2021

Por lo general a los muros divisorios y de fachada no se les d la importancia necesaria pues al no ser estructurales no se suele hacer un estudio adecuado ante la respuesta sísmica de dichos elementos, en los planos no se ven reflejados detalles específicos de separación entre los muros y el marco que los rodea, al separar se un muro en mampostería del marco se corre riesgo de volcamiento.

Figura 16 Fuente. ARGOS 2021

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Figura 17 Daños observados en elementos estructurales y no estructurales Fuente: Pujol y Rodríguez 2017

Los daños presentados en los muros divisorios se causan principalmente por los desplazamientos laterales que sufre la estructura durante el evento sísmico y al no estar bien contemplados en el diseño estructural se presentan las fallas en los mismos.

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BIBLIOGRAFÍA / WEBGRAFÍA

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BIBLIOGRAFÍA / WEBGRAFÍA 1. (NINA .R 2015) https://www.monografias.com/trabajos81/diseno-sismico/diseno-sismico.shtml 2. (Vidaud, Frometa, Vidaud 2019). Control de calidad en estructuras de hormigón para la construcción en zonas de elevado peligro sísmico. 3. (Jiménez, García y Morán, 2000). https://www.redalyc.org/jatsRepo/1813/181358738016/html/index.html 4. OPS 1993. Mitigation de Desastres en las Instalaciones de la Salud - Volumen 4 : Aspectos de Ingenieria. http://helid.digicollection.org/en/d/Jm0057s/5.2.html#:~:text=En%20el%20dise% C3%B1o%20de%20toda,los%20movimientos%20de%20la%20estructura. 5. Norma sismo resistente NSR 10 (1997) .título A. Asociación colombina de ingeniería sísmica. 6. Norma sismo resistente NSR 10 (1997) .título C. Asociación colombina de ingeniería sísmica. 7. Norma sismo resistente NSR 10 (1997) .título G. Asociación colombina de ingeniería sísmica. 8. Norma sismo resistente NSR 10 (1997) .título F. Asociación colombina de ingeniería sísmica. 9. Norma sismo resistente NSR 10 (1997) .título C. Asociación colombina de ingeniería sísmica.

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BIBLIOGRAFÍA / WEBGRAFÍA

10. Diccionario actual (214) Definición sismicidad.https://diccionarioactual.com/sismicidad/ 11. Instituto nicaragüense de estudios territoriales (2021)https://webserver2.ineter.gob.ni/sis/amenaza/index.html 12. Beltrán. Y (2011). Metodología del diseño arquitectónico. Revista amorfa de arquitectura. 13. Argos (2020). MAMPOSTERÍA ESTRUCTURAL: EL QUÉ Y EL CÓMO. Asociación Colombiana de productores de concreto (ASOCRETO).

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