#47 Cómo diseñar cimentaciones sismorresistentes
#47 Cómo diseñar cimentaciones sismorresistentes
Valdivia (Chile). Domingo 22 de mayo de 1960. A las 15:11 hora local, el mayor terremoto registrado en el mundo deja a su paso casi 2.000 muertos y dos millones de personas damnificadas.
El sismo, de magnitud 9,5, provocó erupciones volcánicas y un maremoto que destruyó ciudades de la costa chilena hasta cruzar el océano Pacífico y causar víctimas en lugares tan lejanos como Japón, Hawai o Filipinas, a donde llegó más de 15 horas después.
El choque tectónico de las placas de Nazca y Sudamericana hace de América Latina un territorio especialmente afectado por la actividad sísmica.
Sismos y terremotos
Un sismo es un movimiento brusco de la Tierra causado por la liberación de energía acumulada durante un largo tiempo.
Estos movimientos suelen ser lentos e imperceptibles, pero en algunas ocasiones el desplazamiento libera una gran cantidad de energía, cuando una de las placas se mueve bruscamente contra la otra, rompiéndola y originando el terremoto.
Aunque para cuantificar la energía liberada por un terremoto se emplea comúnmente la escala sismológica de magnitud local o de Richter, denominada así en honor del sismólogo estadounidense Charles Francis Richter, los sismos con magnitud superior a 6,9 se miden con la escala sismológica de magnitud de momento, introducida en 1979 por Thomas C. Hanks y Hiroo Kanamori, que discrimina mejor en los valores extremos en los que la de Richter se satura.
Ondas sísmicas
Comprender en profundidad qué ocurre durante un sismo y cómo afecta a las edificaciones, requiere analizar la secuencia de ondas generadas y su evolución.
En una primera aproximación es importante distinguir entre ondas sísmicas corpóreas y superficiales.
Las ondas corpóreas poseen una mayor frecuencia que las superficiales y se clasifican en ondas primarias (P) y secundarias (S).
Las ondas P, esencialmente de compresión y en la dirección de propagación de la propia onda, se desplazan a través de rocas sólidas y fluidos, como el agua o las capas líquidas de la Tierra. La percepción de estas primeras ondas de pequeña amplitud explicaría la capacidad de algunos animales para anticipar la llegada de las ondas S.
Las ondas S, que no pueden propagarse en medios líquidos, son más lentas y son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
Una vez que la onda se aproxima a la superficie terrestre pierde frecuencia y gana en amplitud, lo que permite deducir la profundidad del terremoto en un registro sismográfico.
Dentro de estas ondas superficiales, podemos distinguir de nuevo dos tipos.
Las ondas de Love, nombradas así por el matemático británico AEH Love que elaboró su modelo matemático, producen un movimiento horizontal y su amplitud es mayor en la superficie.
Los efectos más devastadores de los terremotos son consecuencia de las llamadas ondas de Rayleigh, predichas por John William Strutt, conocido como Lord Rayleigh. Estas ondas mueven el suelo hacia arriba y hacia abajo, y también hacia adelante y hacia atrás en la dirección de su propagación.
Efectos locales
No podríamos completar nuestra comprensión del fenómeno sísmico sin introducir en la ecuación la influencia de las condiciones geológicas y topográficas durante o después de un terremoto.
Esto es lo que se conoce como efecto local e induce la modificación de la propagación de la onda sísmica alterando su duración, su amplitud y su frecuencia.
Diversos estudios han permitido realizar correlaciones entre la intensidad y las condiciones geológicas y topográficas específicas de la zona y su capacidad para amplificar el daño sísmico.
Los principales factores que determinan este efecto local son:
Las propiedades geológicas de los estratos atravesados.
La geometría de los estratos.
La topografía del terreno.
Las características de la propia onda sísmica
Cimentaciones sismorresistentes
Si bien existen manuales que caracterizan los daños sísmicos en las edificaciones y proponen soluciones de diseño y refuerzo bien contrastadas, éstos suelen centrar su atención en la configuración de muros y cubiertas.
Un estudio riguroso que sirva de base para una construcción sismorresistente debe partir de las interacciones que se generan en la interfaz entre el suelo y la edificación.
El sistema de cimentación elegido debe ajustarse a los aspectos geotécnicos y entender sus interacciones como un sistema único suelo-cimentación.
El punto de partida será la caracterización del suelo en base a parámetros extraídos de estudios geotécnicos.
Un listado no exhaustivo de estos parámetros incluiría:
Presión admisible del suelo.
Profundidad mínima de cimentación correspondiente a la presión admisible indicada.
Necesidad de considerar o no asentamientos diferenciales importantes.
Clasificación del suelo según lo indicado en la Norma de Diseño Sismorresistente (tipo de suelo y su período predominante).
Presencia de nivel freático, agentes químicos dañinos o problemas relacionados con la saturación del suelo.
Coeficientes de empuje para el caso de muros de contención.
El cálculo de las cargas que la cimentación debe transmitir al terreno completa la relación de datos de partida para la elección del sistema de cimentación.
En el caso habitual de cimentaciones superficiales, las cuales transmiten la carga de las estructuras hacia un terreno ubicado a poca profundidad.
En este punto resulta especialmente práctico distinguir entre 2 tipos de terreno: granulares y cohesivos.
Un examen visual-manual in situ puede aportar esta información y arrojar las primeras conclusiones acerca del diseño de la cimentación.
En los suelos granulares, formados por partículas gruesas como la arena o la grava, la presión en los bordes de la cimentación es menor que en la zona central.
La presión ejercida por las cargas tiende a desplazar el suelo en los extremos lo cual disminuye la reacción.
En una cimentación profunda la fuerza ejercida por el peso propio del terreno impedirá que el suelo se desplace.
En los suelos cohesivos, con mayor contenido de arcillas, por el contrario, la presión en los bordes de la cimentación es mayor que en la zona central. El suelo que rodea el área cargada ejerce una fuerza de soporte sobre ella y la reacción se incrementa.
Formación recomendada
INICIO DEL CURSO: MIÉRCOLES 16 DE MARZO
Las shicras son bolsas de tejidos milenarios hechos a partir de fibras naturales, las cuales se rellenan de piedras y fueron utilizadas como base de las antiguas pirámides de la cultura Caral, Perú. Este tipo de cimentaciones ofrecen cualidades sismorresistentes que permitieron la perdurabilidad de sus monumentos.
Sesión 1: Origen, características y ventajas del sistema Shicras
Origen del sistema de shicras. Conceptos básicos de sismo resistencia. Ventajas constructivas de la cimentación de shicras. Descripción del sistema constructivo.
Sesión 2: Detalles constructivos del sistema Shicras
Reconocimiento y clasificación de los distintos tipos de suelos. Detalles del sistema constructivo. Alternativas constructivas según el tipo de suelo.
Sesión 3: Desempeño y diseño sismo resistente del sistema shicras
Ensayos experimentales realizados en Perú. Estimación del peso portante de la cimentación. Diseño sismo resistente de la cementación corrida.
Sesión 4: Proceso constructivo, puesta en obra y casos de estudio
Proceso constructivo de la propuesta shicras. Las cimentaciones antiguas de Caral y Chavín en Perú. La Casa Mandala, primer proyecto construido en Chile con el sistema de shicras.
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Estrategias de diseño
Para Gernot Minke, arquitecto e ingeniero alemán, divulgador e investigador referente mundial en construcción ecológica, las características más relevantes para el comportamiento de una estructura durante un sismo son las siguientes:
Resistencia contra fuerzas horizontales
Ductilidad o capacidad de la estructura para deformarse sin roturas.
Entre ambas características existe una interdependencia tan íntima que Minke formula esta expresión: “Calidad” del comportamiento frente al sismo = Resistencia x Ductilidad
De acuerdo con esta relación, una estructura sismorresistente bien diseñada podría tener una gran resistencia y una baja ductilidad, una resistencia baja y una ductilidad alta o valores medios tanto de resistencia como de ductilidad.
Esta relación entre resistencia y ductilidad explica por qué algunas viviendas de tapial de los siglos XVIII y XIX resistieron todos los sismos sin daños mayores, mientras que viviendas recientes construidas con adobes y ladrillos colapsaron.
Sin embargo, aún es posible plantearse una nueva posibilidad: aislar la estructura interponiendo elementos que permitan ajustar su período fundamental a la intensidad de las solicitaciones sísmicas.
Disipadores y aisladores sísmicos
Estos sistemas se colocan entre la subestructura y la superestructura de edificios y permiten mejorar la respuesta sísmica proporcionando amortiguamiento y absorción de energía adicional y reduciendo sus deformaciones.
Mientras que los disipadores sísmicos aseguran que no haya elementos estructurales sobrecargados como consecuencia de la deformación de los más solicitados, los aisladores sísmicos consiguen desacoplar la estructura del terreno y sus respectivos períodos, evitando que se produzca resonancia.
Fue en 1870 cuando Jules Touaillon presentó una solicitud de patente en Estados Unidos para sus planos de un aislador antisísmico para edificaciones.
En su dibujos se puede apreciar cómo la estructura del edificio apoya en un sistema de aislamiento que consiste en una serie de superficies esféricas cóncavas opuestas y separadas por bolas esféricas.
Muchos años después, después del gran terremoto de 1908 en Regio de Calabria (Italia) una comisión de ingenieros y profesores recomendaron separar los edificios de sus cimientos con una capa de arena o rodillos.
Pero, ¿Es en realidad la idea de Touaillon tan innovadora como parece? No te pierdas nuestra próxima gaceta si quieres saber más 😉
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