domingo, 4 de noviembre de 2012

Principios de diseño sísmico

INTRODUCCIÓN

Diagrama de configuraciones de construcción irregulares y regulares. Las configuraciones irregulares son edificios con una configuración irregular (en forma de T, plan en forma de L, plan en forma de U, planta cruciforme, otras formas complejas, múltiples torres, los niveles de partidas, historia inusualmente alta, historia inusualmente baja, retrocesos y uniforme hacia el exterior apariencia, pero la distribución no uniforme de masas), los edificios con los cambios bruscos en la resistencia lateral (

La esencia del diseño sísmico éxito es triple. En primer lugar, el equipo de diseño debe tener un enfoque multirriesgo hacia el diseño que tiene en cuenta los posibles efectos de las fuerzas sísmicas, así como todos los riesgos mayores que una zona es vulnerable. En segundo lugar, los requisitos basados ​​en el rendimiento, que puede superar los requisitos mínimos de seguridad de vida de las actuales normas sísmicas, se debe establecer para responder adecuadamente a las amenazas y los riesgos derivados de los peligros naturales en la misión del edificio y de sus ocupantes. En tercer lugar, y tan importante como los otros, porque las fuerzas sísmicas son dinámicos y cada edificio responde de acuerdo a su complejidad de diseño propio, es esencial que el trabajo del equipo de diseño en colaboración y tener un entendimiento común de los términos y métodos utilizados en el proceso de diseño sísmico .

Además, por regla general, los edificios diseñados para resistir los terremotos también debe resistir explosión (terrorismo) o del viento, sufren menos daño. Por ejemplo, ¿el Edificio Federal de Oklahoma diseñadas siguiendo los estándares de diseño sísmico, los daños causados ​​por la explosión habría sido mucho menor (véase el Informe de FEMA BPAT - Publicación 277 ). Para obtener más información, consulte WBDG el diseño de edificios para resistir las amenazas explosivas sección de Protección Sísmica vs Blast.

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DESCRIPCIÓN

Alrededor de la mitad de los estados y territorios en los Estados Unidos-más de 109 millones de personas y empresas-y 4,3 millones de la mayoría de las otras regiones pobladas de la tierra están expuestos a riesgos derivados de los peligros sísmicos. Sólo en los EE.UU., el costo directo promedio de los daños del terremoto se estima en $ 1 mil millones / año, mientras que las pérdidas indirectas de negocios se estima que exceda los $ 2 mil millones / año.

Sismicidad Mapa de los Estados Unidos que muestra las áreas que son muy altos en la costa oeste, las Carolinas, Tennessee y noroeste. Las áreas de alto y moderado rodean estas zonas muy altas.

La figura. 1. Sismicidad de los Estados Unidos

A. Origen y Medición de Sismos
Tectónica de placas, la Causa de los terremotos

Los terremotos son el choque agitación, laminados, o repentina de la superficie de la tierra.Básicamente, la corteza terrestre se compone de una serie de "placas" que flotan en el interior, continuamente en movimiento (de 2 a 130 milímetros por año), se extiende desde el centro, hundiéndose en los bordes, y se regenera. La fricción causada por placas que chocan, se extiende, o subducida (se desliza la placa de debajo de la otra) se acumula subraya que, cuando se suelta, provoca un terremoto a irradiar a través de la corteza en un movimiento de onda compleja, produciendo fallo a tierra (en la forma de la superficie de falla [una división en la tierra], deslizamientos de tierra, licuefacción, o hundimiento), o tsunami. Esto, a su vez, puede causar daños menores en cualquier lugar de la devastación total del ambiente construido cerca de donde ocurrió el terremoto.

Foto ejemplo de fracaso, deslizamientos de tierra - Alaska, 1964Ejemplo de fotografía de licuefacción daños Niigata, Japón 1964

La figura. 2 Izquierda:. Fallo a tierra, deslizamientos Alaska, 1964 y Derecho: Licuefacción de daños Niigata, Japón 1964

Foto de Saada Hotel (antes)-Agadir, Marruecos, 1960Foto de Saada Hotel (después) de los temblores de tierra de daños Agadir, Marruecos, 1960

La figura. 3 Izquierda:. Saada Hotel (antes)-Agadir, Marruecos, 1960 y Derecho: Hotel Saada (después) de los temblores de tierra de daños Agadir, Marruecos, 1960

Medición de fuerzas sísmicas

Con el fin de caracterizar o medir el efecto de un terremoto en el suelo (también conocido como el movimiento del suelo), las siguientes definiciones son de uso general:

  • La aceleración es la tasa de cambio de velocidad, medida en "g" s a 980 cm / seg ² o 1,00 g.
    • Por ejemplo,
      • 0,001 g ó 1 cm / s 2 es perceptible por las personas
      • 0,02 g o 20 cm / seg 2 hace que las personas pierdan el equilibrio
      • 0,50 g es muy alto, pero los edificios pueden sobrevivir si la duración es corta y si la masa y la configuración tiene suficiente amortiguación
  • Velocidad (o velocidad) es la tasa de cambio de posición, medida en centímetros por segundo.
  • El desplazamiento es la distancia desde el punto de reposo, medida en centímetros.
  • La duración es la duración de tiempo de los ciclos de choque persiste.
  • La magnitud es el "tamaño" del terremoto, medida por la escala de Richter, que oscila entre 1-10.La escala de Richter se basa en la amplitud máxima de ciertas ondas sísmicas, y los sismólogos estiman que cada unidad de la escala de Richter es un aumento de 31 veces de la energía.Escala Momento magnitud es una medida reciente que es cada vez más frecuente.

Si el nivel de aceleración se combina con la duración, el poder de destrucción se define. Por lo general, la mayor duración, la aceleración menos el edificio puede soportar. Un edificio puede soportar aceleración muy elevada durante un tiempo muy cortos en proporción con las medidas de amortiguación incorporados en la estructura.

La intensidad es la cantidad de daño del terremoto provoca localmente, lo que puede ser caracterizado por el nivel 12 Modified Mercalli Scale (MM) en donde cada nivel designa una cierta cantidad de destrucción correlacionada con aceleración del suelo. Terremoto daño puede variar dependiendo de la distancia desde el origen (o epicentro), las condiciones locales del suelo y el tipo de construcción.

B. Efectos de sismos en edificios

Sísmica Terminología (Para las definiciones de los términos utilizados en esta página de recursos, consulte Glosario de Terminología Sísmica )

Las medidas mencionadas sísmicos se utilizan para calcular las fuerzas que los terremotos imponen a los edificios. Los temblores de tierra (empujando hacia atrás y hacia adelante, hacia los lados, arriba y abajo) genera fuerzas internas dentro de los edificios llamados la fuerza de inercia (F inercial), que a su vez provoca daños más sísmico.

F = masa inercial (M) X Acceleration (A).

Cuanto mayor es la masa (peso de la construcción), mayores son las fuerzas de inercia interno generado. Construcción ligera con menos masa suele ser una ventaja en el diseño sísmico. Una mayor masa genera mayores fuerzas laterales, lo que aumenta la posibilidad de columnas que se desplaza, fuera de plomo, y / o la deformación bajo carga vertical (P Efecto delta).

Los terremotos generan ondas que pueden ser lento y largo, o corto y brusco. La longitud de un ciclo completo en segundos es el periodo de la onda y es la inversa de la frecuencia. Todos los objetos, incluyendo edificios, tienen un periodo natural o fundamental a la que vibran si sacudida por un shock.El periodo natural es una consideración primordial para el diseño sísmico, aunque otros aspectos del diseño del edificio también pueden contribuir a un menor grado a las medidas de mitigación. Si el período de la onda de choque y el periodo natural del edificio coinciden, entonces el edificio "resonar" y su vibración aumentará o "amplificar" varias veces.

Diagrama que ilustra la determinación de la altura del edificio Período Fundamental. El diagrama muestra el equipo en 0,05, un edificio de un piso de 0,1 a 0,5, edificio de 4 pisos en el 1,0 a 2,0, 10-20 construcción de una historia a otra Citicorp 40 en 7,0.

La figura. 4. La altura es el principal determinante del período fundamental, cada objeto tiene su propio período fundamental en el que se va a vibrar. El período es proporcional a la altura del edificio.

El suelo también tiene un período que varía entre 0,4 y 1,5 seg., El suelo muy blando ser 2,0 seg.Suelos blandos generalmente tienen una tendencia a aumentar la agitación tanto como 2 a 6 veces en comparación con la roca. Además, el período del suelo coincidiendo con el periodo natural del edificio amplifican grandemente la aceleración de la construcción y por lo tanto es una consideración de diseño.

Diagrama que ilustra los modos de vibración edificio. El primer modo se muestra la construcción de balanceo hacia la derecha. El segundo modo muestra el edificio arqueándose hacia la izquierda. El tercer modo muestra el edificio haciendo una onda.

La figura. 5. Los edificios altos se someterá a varios modos de vibración, pero para los propósitos sísmicos (excepto para edificios muy altos) el período fundamental, o primer modo es por lo general el más significativo.

Factores de diseño sísmico

Los siguientes factores afectan y se ven afectados por el diseño del edificio. Es importante que el equipo de diseño comprende estos factores y tratar con ellos con prudencia en la fase de diseño.

Torsión: Los objetos y edificios tienen un centro de gravedad, un punto que permita el objeto (edificio) sin rotación equilibrada ocurriendo. Si la masa se distribuye uniformemente a continuación, el centro geométrico de la planta y el centro de masa pueden coincidir. Desigual distribución de la masa se posiciona el centro de masa fuera del centro geométrico causando "torsión" generar concentraciones de tensión. Una cierta cantidad de torsión es inevitable en cada diseño del edificio. Disposición simétrica de masas, sin embargo, dará lugar a la rigidez equilibrada contra cualquier dirección y mantener la torsión dentro de un intervalo manejable.

Amortiguación: Edificios en general son pobres a los resonadores choque dinámico y disipar las vibraciones mediante la absorción de la misma. La amortiguación es una velocidad a la que se absorbe la vibración natural.

Ductilidad: La ductilidad es la característica de un material (como el acero) para doblar, flexión, o moverse, pero no sólo después de la deformación considerable se ha producido. No dúctiles materiales (como el hormigón armado mal) no abruptamente por desmoronando. Buena ductilidad se puede lograr con articulaciones cuidadosamente detalladas.

Resistencia y rigidez: La fuerza es una propiedad de un material para resistir y soportar las fuerzas aplicadas dentro de un límite de seguridad. La rigidez de un material es un grado de resistencia a la deflexión o la deriva (Drift ser una historia horizontal-a-historia desplazamiento relativo).

La construcción de Configuración: Este término define el tamaño de un edificio y la forma y los elementos estructurales y no estructurales. Configuración del edificio determina la forma en las fuerzas sísmicas se distribuyen dentro de la estructura, su magnitud relativa, y las preocupaciones problemáticas de diseño.

  • Edificios regulares de configuración tiene muros de corte o resistentes Moment-frames o marcos arriostrados y tienen en general:
    • Estatura baja proporción de Base
    • La misma altura piso
    • Planes simétricos
    • Secciones y alzados uniformes
    • Resistencia a la torsión máximo
    • Poca capacidad y redundancia
    • Caminos directos de carga
  • Edificios irregulares de configuración son aquellos que difieren de la "Regular" definición y presentan concentraciones problemáticas de tensión y torsión.

Diagrama de configuraciones de construcción irregulares y regulares. Las configuraciones irregulares son edificios con una configuración irregular (en forma de T, plan en forma de L, plan en forma de U, planta cruciforme, otras formas complejas, múltiples torres, los niveles de partidas, historia inusualmente alta, historia inusualmente baja, retrocesos y uniforme hacia el exterior apariencia, pero la distribución no uniforme de masas), los edificios con los cambios bruscos en la resistencia lateral ("blandos" niveles más bajos, grandes aberturas en muros de corte, columnas Jof interrupción, la interrupción de las vigas, y aberturas de diafragma), y edificios con cambios bruscos en la lateral rigidez (muros de cortante en algunas historias, marcos resistentes a momento, en los demás, la interrupción de la transmisión vertical, elementos resistentes, cambios abruptos en el tamaño de los miembros, y los cambios dramáticos en relación lío / rigidez). Los edificios con una configuración regular son muros de corte, marcos barced y marcos resistentes a momento.Foto del edificio derrumbado

Izquierda: la fig. 6. Configuraciones de construcción irregulares y regulares Ver ilustración ampliada
Derecha: la fig. 7. Edificios raramente anular-se desintegran o "panqueque"

First Story Soft es una discontinuidad de fuerza y rigidez para la carga lateral en el nivel del suelo.

Discontinuos muros de corte no se alinean sistemáticamente una sobre la otra causa "suaves" los niveles.

Variación en la resistencia y rigidez del perímetro tales como un frente abierto en el nivel del suelo suele causar excentricidad o torsión.

Esquinas reentrantes en las formas de H, L, T, U, +, o [] desarrollar concentración de tensión en la esquina reentrante y torsión. Diseños sísmicos debe separar adecuadamente las esquinas reentrantes o fortalecerlos.

El conocimiento del período del edificio, la torsión, la amortiguación, la ductilidad, resistencia, rigidez y configuración puede ayudar a determinar los dispositivos sísmicos más apropiadas de diseño y estrategias de mitigación a emplear.

C. Estrategias de Diseño Sísmico y dispositivos

Diafragmas: pisos y techos se puede utilizar como rígidos planos horizontales, o diafragmas, para transferir las fuerzas laterales verticales de elementos resistentes, tales como paredes o marcos.

Muros de corte: Estratégicamente ubicados paredes rígidas son muros de corte y son capaces de transferir las fuerzas laterales de los pisos y los techos a la fundación.

Pórticos arriostrados: marcos verticales que transfieren las cargas laterales de los pisos y los techos de las fundaciones. Al igual que los muros de corte, pórticos arriostrados están diseñados para soportar cargas laterales, pero se utilizan en muros de cortante son prácticos.

Resistentes a Momento-Frames: Columna / manga uniones de los marcos resistentes a momento, están diseñados para soportar tanto esfuerzo cortante y flexión eliminando así las limitaciones de espacio de sólidos muros de cortante o marcos arriostrados. Las articulaciones de la columna / viga están cuidadosamente diseñado para ser rígido aún para permitir una cierta deformación para la disipación de energía aprovechando la ductilidad del acero (hormigón armado puede ser diseñado como un marco Momento resistente también).

Foto de concéntrico ejemplo braced frameFoto ejemplo de marco excéntrico preparó, con vigas de enlace

La figura. 8 A la izquierda:. Frame concéntrico Braced y derecha: Marco excéntrico Braced, con vigas de enlace

Los dispositivos de disipación de energía: Haciendo la estructura del edificio más resistente aumentará sacudiendo lo que puede dañar el contenido o la función del edificio. Los dispositivos disipadores de energía se utilizan para minimizar temblando. Energía se disipará si los materiales dúctiles deformarse de una manera controlada. Un ejemplo es el uso de aparatos ortopédicos excéntricas por lo que la deformación controlada de los miembros de la estructura disipa energía. Sin embargo, esto no será eliminar o reducir el daño al contenido del edificio. Una solución más directa es el uso de dispositivos de disipación de energía que funcionan como amortiguadores de choque en un automóvil en movimiento. El período de la construcción se alargó y el edificio "capear" la agitación dentro de un rango tolerable.

Ejemplo de soporte de aislamiento de base

La figura. 9. Rodamientos de aislamiento de base se utilizan para modificar la transmisión de las fuerzas desde el suelo hasta el edificio

Aislamiento de la Base: Esta estrategia de diseño sísmico consiste en separar el edificio desde los cimientos y actúa para absorber los golpes. Como el suelo se mueve, el edificio se mueve a un ritmo más lento porque los aisladores disipar una gran parte del choque. El edificio debe estar diseñado para actuar como una unidad, o "caja rígida", de altura adecuada (para evitar el vuelco) y tienen conexiones flexibles de utilidad para acomodar el movimiento en su base.Aislamiento de la Base es más fácil de incorporar en el diseño de la nueva construcción. Los edificios existentes pueden requerir alteraciones a ser más rígido para moverse como una unidad con bases separadas de la superestructura para insertar la Base aisladores. El espacio adicional (un "foso") debe ser proporcionada para el desplazamiento horizontal (el edificio entero se mueve hacia atrás y adelante un pie entero o más). Base Aislamiento de adaptación es una operación costosa que es más comúnmente adecuado en instalaciones de alto valor de los activos y pueden requerir parcial o la eliminación completa de los ocupantes del edificio durante la instalación.

Foto ejemplo de fluidos amortiguadores viscosos

La figura. 10. Disipación de energía pasiva incluye la introducción de dispositivos tales como amortiguadores de fricción para disipar el terremoto de producción de energía o deformación.

Los materiales utilizados para elastómeros sonaisladores de caucho natural, caucho de alto amortiguamiento, u otro elastómero en combinación con piezas de metal. Frictive Aisladores también se utilizan y se hacen principalmente de piezas de metal.

Los edificios altos no puede ser aislado o base-que se vuelque. Al ser muy flexibles en comparación con edificios de baja altura, su desplazamiento horizontal tiene que ser controlado. Esto se puede lograr por el uso de amortiguadores, que absorben una buena parte de la energía haciendo que el desplazamiento tolerable. La adaptación de edificios existentes es a menudo más fácil que con amortiguadores con base de aisladores, especialmente si la aplicación es externo o que no interfiera con los ocupantes.

Hay muchos tipos de amortiguadores se utilizan para mitigar los efectos sísmicos, incluyendo:

  • Amortiguadores Hysteric utilizar la deformación de las piezas metálicas
  • Visco-elástico amortiguadores estirar un elastómero en combinación con piezas metálicas
  • Amortiguadores Frictive usar metal o de otras superficies de fricción
  • Amortiguadores viscosos comprimir un fluido en un dispositivo de tipo pistón
  • Amortiguadores híbridos utilizan la combinación de elastómero y metal o de otras partes
D. Control de Daños no estructurales

Todos los artículos que no son parte del sistema estructural, son considerados como "no estructurales", e incluyen elementos tales como la creación de:

  • Revestimiento exterior y muro cortina
  • Parapetos
  • Toldos y carpas
  • Chimeneas y pilas
  • Particiones, puertas, ventanas
  • Falsos techos
  • Las vías de salida y entrada
  • Mecánicos, Eléctricos y Equipo de comunicaciones
  • Ascensores
  • Mobiliario y equipo

Estos artículos deben ser estabilizados con un corsé para evitar su daño o destrucción total.Maquinaria y equipo de construcción puede ser equipado con dispositivos de aislamiento sísmico, que son versiones modificadas de la vibración estándar aisladores.

Las pérdidas derivadas del daño no estructural puede ser un múltiplo de las pérdidas estructurales. La pérdida de negocio y el fracaso de las empresas de todo fue muy alto en la Loma Prieta, Northridge, y los terremotos de Kobe debido a daños sísmicos tanto estructurales como no estructurales.

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APLICACIÓN

Los principios y estrategias de diseño y construcción sísmico se aplican en un enfoque sistemático que coincide con una respuesta adecuada a las condiciones específicas a través de los siguientes pasos principales:

1. Analizar las condiciones del sitio

La ubicación y las características físicas del sitio son las influencias primarias del proceso de diseño.Las siguientes preguntas pueden servir como una lista de verificación para identificar los objetivos de diseño sísmico.

  1. ¿Dónde está la ubicación de la falla más cercana?
  2. ¿Hay no consolidadas natural o provocados por el hombre se llena la actualidad?
  3. ¿Hay alguna posibilidad de deslizamientos o licuefacción en o cerca del sitio?
  4. ¿Hay transporte vulnerable, la comunicación y las conexiones de servicios públicos?
  5. ¿Existen materiales peligrosos en el lugar para estar protegido?
  6. ¿Hay posibilidad de maltrato por los edificios adyacentes?
  7. ¿Existe la exposición al potencial de inundación de tsunami, seiche o rotura de la presa?

Considere la posibilidad de la continuidad de la misión amenazas críticas o de negocios de la sismicidad en los sitios adyacentes o en otros lugares en los alrededores que pueden hacer que el sitio del proyecto o inaccesible provoca la pérdida de los servicios públicos, la amenaza de incendios, o la liberación de materiales tóxicos en el sitio. Llevar a cabo las investigaciones del subsuelo para descubrir los suelos sueltos o relleno sin control que podrían aumentar el movimiento del suelo. Hard suelos densos permanecer más estable, mientras que el rock denso sólido es la base del edificio más previsible y segura sísmicamente.

2. Establecer objetivos de diseño sísmico

Un enfoque basado en el desempeño sísmico de establecer objetivos de diseño se recomienda. Esto determina un nivel de comportamiento predecible edificio respondiendo al terremoto máximo considerado. Una evaluación de la amenaza / vulnerabilidad y análisis de riesgo se pueden utilizar para definir el nivel de rendimiento deseado para el proyecto de construcción. Algunos propusieron metas de desempeño sísmico de diseño son:

  • Cumplir con los códigos locales de construcción que ofrecen "Seguridad Humana", es decir que el edificio puede derrumbarse con el tiempo, pero no durante el terremoto.
  • Diseño para reparar daños estructurales, evacuación requerida del edificio, y la pérdida aceptable de negocio para determinado número de días.
  • Diseño de los daños reparables no estructural, la evacuación parcial o total, y la pérdida aceptable de negocio para determinado número de días debido a reparar.
  • Diseño de los daños reparables estructural, no requiere evacuación, y la pérdida aceptable de negocio para determinado número de días debido a reparar.
  • No hay daño estructural, daños no estructurales reparable, la evacuación no, y la pérdida aceptable de negocio para determinado número de días debido a reparar.
  • No hay daño estructural o no estructural, y sin pérdida de negocio causado por cualquiera (sin daños a los equipos de los propios inquilinos, tales como archivadores, estanterías, muebles, equipo de oficina, etc si no están adecuadamente anclados).

En cuanto a la magnitud del terremoto también puede ser estipulado como "baja", "moderada" o "grande" como otra matriz de amenaza de clasificación y el establecimiento de objetivos de rendimiento correspondientes de construcción.

3. Seleccionar / diseño apropiado Sistemas Estructurales

Objetivos de diseño sísmico puede influir mucho en la selección del sistema estructural más adecuada y los sistemas conexos de construcción del proyecto. Algunas opciones de tipo de construcción, y las correspondientes propiedades sísmicas, son los siguientes:

  • Marco de madera o de madera (absorción buena energía, peso ligero, enmarcando las conexiones son fundamentales).
  • Paredes reforzadas de albañilería (absorción de energía positiva si las paredes y los pisos están bien integrados; proporción de enjutas y pilares son fundamentales para evitar la formación de grietas)
  • Muros de hormigón armado (absorción de energía si bien las paredes y suelos bien integrados, proporción de los tímpanos y los muelles son fundamentales para evitar la formación de grietas)
  • Estructura de acero con mampostería de relleno en las paredes (absorción de energía bien si el tamaño de la bahía son pequeñas y plan de construcción es uniforme)
  • Estructura de acero, con férula (ortesis extensas, detalles y proporciones son importantes)
  • Estructura de acero, resistentes a momento (absorción de energía positiva, las conexiones son fundamentales)
  • Estructura de acero, reforzado excéntricamente (excelente absorción de energía, las conexiones son fundamentales)
  • Pre-cast estructura de hormigón (ejecutante pobres sin conexiones especiales de energía que absorben)

Detalles estructurales y arquitectónicos y control de calidad de la construcción es muy importante para asegurar la ductilidad y la amortiguación natural y para mantener los daños a un rango limitado y reparable. La posibilidad de daños estructurales y no estructurales no es probable que se elimine sin el uso prudente de los dispositivos disipadores de energía. El coste de la adición de disipar la energía de dispositivos está en el intervalo de 1-2% del coste estructural total. Esto no es un gran número, especialmente cuando se relaciona con el coste del ciclo de vida del edificio. Dentro de un ciclo de vida de 30-50 años el coste es insignificante.

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