La construcción sismorresistente es una rama de la ingeniería civil que se especializa en el estudio del comportamiento de edificios y estructuras bajo impacto sísmico en forma de sacudidas de la superficie terrestre, pérdida de capacidad portante del suelo, olas de tsunami y el desarrollo de métodos y tecnologías para la construcción de edificios resistentes a impactos sísmicos.
La construcción resistente a terremotos puede considerar cualquier sitio de construcción como una fortificación , pero diseñada para defenderse contra un enemigo específico: un terremoto o desastres provocados por terremotos (por ejemplo, un tsunami).
Las principales tareas de la construcción sismorresistente:
Una estructura sismorresistente no tiene por qué ser voluminosa y costosa, como por ejemplo la pirámide de Kukulkán en la ciudad de Chichén Itzá . Actualmente, la herramienta más eficaz y rentable en la construcción sísmica es el control de vibraciones de la carga sísmica y, en particular, el aislamiento sísmico , que permite la construcción de edificios relativamente ligeros y económicos.
La carga sísmica es uno de los conceptos básicos en la ingeniería sísmica y la teoría de la resistencia sísmica y significa la aplicación de la excitación vibratoria de un terremoto a varias estructuras.
La magnitud de la carga sísmica en la mayoría de los casos depende de:
La carga sísmica ocurre en las superficies de contacto de una estructura con el suelo , ya sea con una estructura vecina [2] , o con una onda gravitacional de tsunami generada por un terremoto. Pone a prueba constantemente la resistencia sísmica de una estructura y, a veces, supera su capacidad de resistir sin destrucción.
La resistencia del acero es unas 10 veces mayor que la del hormigón y la mampostería o la mampostería más fuertes , por lo que la resistencia a los terremotos de una estructura generalmente se logra mediante el uso de un marco o paredes de acero potentes que pueden resistir el terremoto calculado sin una destrucción completa y con pérdidas mínimas. de vida. Un ejemplo de tal edificio es el edificio de dormitorios de la Universidad de Berkeley , reforzado con una armadura externa de acero antisísmico.
La construcción sismorresistente, sin embargo, no pretende construir un edificio virtualmente indestructible: es más factible y económicamente factible permitir que el edificio "flote" sobre el suelo en movimiento. Para resolver este problema , se utilizan protectores sísmicos , un tipo de aislamiento sísmico , que aumenta drásticamente la resistencia sísmica de los edificios [3] .
El análisis sísmico es una herramienta en ingeniería sísmica que sirve para comprender mejor el desempeño de edificios y estructuras bajo carga sísmica . El análisis de resistencia sísmica se basa en los principios de la dinámica estructural [4] y el diseño antisísmico . El método más común para analizar la resistencia sísmica fue el método de los espectros de reacción [5] , el cual ha sido desarrollado en la actualidad [6] . Sin embargo, los espectros de reacción son buenos solo para sistemas con un grado de libertad . El uso de la integración paso a paso con diagramas de resistencia sísmica tridimensional [7] resulta más efectivo para sistemas con muchos grados de libertad y con no linealidad significativa bajo las condiciones del proceso transitorio de acumulación cinemática.
El estudio de la resistencia sísmica es necesario para comprender el funcionamiento real de edificios y estructuras bajo carga sísmica. Los estudios son de campo (natural) y sobre plataforma sísmica . Es más conveniente probar un modelo de construcción en una plataforma sísmica que recrea vibraciones sísmicas.
Los ensayos concomitantes sobre una plataforma sísmica se suelen realizar cuando es necesario comparar el comportamiento de varias modificaciones de una estructura bajo la misma carga sísmica [8] .
El control de vibraciones es un sistema de dispositivos que sirven para reducir la carga sísmica en los edificios. Estos dispositivos se pueden clasificar en pasivos, activos e híbridos [9] .
Muros de mampostería secaArtículo principal: Mampostería en seco
Los primeros constructores que prestaron especial atención a la resistencia sísmica de las estructuras capitales (en particular, los muros de las edificaciones) fueron los Incas y otros antiguos habitantes del Perú. Las peculiaridades de la arquitectura inca son inusualmente minuciosos y densos (de modo que incluso las hojas de un cuchillo no pueden insertarse entre los bloques) encajando bloques de piedra (a menudo de forma irregular y varios tamaños) entre sí sin el uso de morteros [10] . Debido a esto, la mampostería no tenía frecuencias resonantes y puntos de concentración de esfuerzos, teniendo resistencia adicional de la bóveda . Durante sismos de pequeña y mediana fuerza, dicha mampostería permaneció prácticamente inmóvil, y durante sismos fuertes, las piedras “bailaron” en sus lugares, sin perder su posición relativa, y al final del sismo se apilaron en el mismo orden [11 ] . Estas circunstancias permiten considerar la colocación en seco de muros como uno de los primeros dispositivos en la historia del control pasivo de vibraciones de los edificios.
Amortiguador sísmicoUn amortiguador sísmico es un tipo de aislamiento sísmico utilizado para proteger edificios y estructuras de terremotos potencialmente dañinos [13] .
Se instalaron amortiguadores sísmicos sobre cojinetes de rodillos en un complejo residencial de 17 pisos en Tokio [14] .
Amortiguador de inerciaPor lo general , un amortiguador de masa sintonizado , también llamado amortiguador de inercia, que es uno de los dispositivos para el control de vibraciones, es un bloque de hormigón macizo instalado en un edificio de gran altura u otra estructura, que oscila a la frecuencia de resonancia de este objeto utilizando un mecanismo especial similar a un resorte bajo carga sísmica.
Para ello, por ejemplo, el amortiguador de inercia del rascacielos Taipei 101 está equipado con una suspensión pendular de bolas de acero de 660 toneladas situada entre los pisos 92 y 88. Otros dos amortiguadores de vibraciones de 6 toneladas están ubicados en la parte superior de la aguja y están diseñados para amortiguar las vibraciones de la parte superior del edificio.
Amortiguador de histéresisEl amortiguador histerético está diseñado para mejorar el funcionamiento de edificios y estructuras bajo carga sísmica debido a la disipación de la energía sísmica que penetra en estos edificios y estructuras. Existen básicamente cuatro grupos de amortiguadores de histéresis , a saber:
Cada grupo de amortiguadores tiene sus propios detalles, sus propias ventajas y desventajas, que deben tenerse en cuenta al usarlos.
Amortiguación en una configuración verticalLa configuración vertical de amortiguación ( ing. Control de elevación de edificios ) está diseñada para mejorar el funcionamiento de edificios y estructuras bajo carga sísmica al evitar vibraciones resonantes utilizando la dispersión de la energía sísmica que penetra en estos edificios y estructuras. Los edificios piramidales siguen llamando la atención de arquitectos e ingenieros también por su mayor resistencia a huracanes y terremotos.
No se requiere un perfil de construcción cónico para este método de control de vibraciones. Un efecto similar se puede lograr con la configuración adecuada de características tales como las masas de los pisos y su rigidez [16] .
Amortiguador de vibraciones multifrecuenciaUn amortiguador de vibraciones multifrecuencia ( Multi-Frequency Quieting Building System , MUK) es un sistema de dispositivos de control de vibraciones instalado en un edificio de gran altura u otra estructura que vibra a ciertas frecuencias resonantes de un objeto determinado bajo carga sísmica.
Cada MUK incluye una serie de diafragmas entre pisos, enmarcados por un conjunto de consolas sobresalientes con diferentes períodos de oscilaciones naturales y que funcionan como amortiguadores de inercia . El uso de MUK le permite hacer que el edificio sea tanto funcional como arquitectónicamente atractivo.
La base elevada del edificioLos cimientos de edificios elevados son una herramienta de control de vibraciones en la ingeniería sísmica que puede mejorar el rendimiento de edificios y estructuras bajo carga sísmica.
El efecto de la base elevada del edificio (BEZ) se basa en lo siguiente. Como resultado de múltiples reflexiones, difracción y disipación de ondas sísmicas en el proceso de su propagación dentro del POS, la transferencia de energía sísmica a la superestructura (parte superior del edificio) se ve muy debilitada [19] .
Este objetivo se logra mediante la selección adecuada de materiales de construcción, dimensiones estructurales, así como la configuración del POS para un sitio de construcción específico.
Soporte de plomo-cauchoLead Rubber Bearing es un aislamiento sísmico diseñado para mejorar el funcionamiento de edificios y estructuras bajo carga sísmica debido a la intensa amortiguación de la energía sísmica que penetra a través de los cimientos en estos edificios y estructuras. La imagen muestra el ensayo de un soporte de plomo-caucho fabricado a partir de un cilindro de caucho con núcleo de plomo.
Sin embargo, los sistemas mecánicamente compatibles, como las estructuras sísmicamente aisladas con una rigidez horizontal relativamente baja, pero con una importante fuerza de amortiguamiento, pueden experimentar sobrecargas significativas causadas por un terremoto solo por esta fuerza [20] .
Muelle amortiguadorEl aislador de base de resortes con amortiguador es un dispositivo aislante de diseño similar a un poste de plomo y caucho. Dos pequeñas casas de tres pisos con tales dispositivos, ubicadas en Santa Mónica, California , fueron probadas por el terremoto de Northridge en 1994. Un análisis de los resultados mostró que la durabilidad real de los edificios resultó ser varias veces peor de lo previsto [21] [22] .
Soporte de péndulo de fricciónFriction Pendulum Bearing es un aislamiento sísmico, que es una herramienta de control de vibraciones en la construcción resistente a terremotos, que puede mejorar el rendimiento de edificios y estructuras bajo carga sísmica, que consta de los siguientes elementos principales:
El estudio de la resistencia sísmica incluye tanto experimentos de campo como analíticos y de laboratorio destinados a explicar hechos conocidos o revisar puntos de vista generalmente aceptados a la luz de hechos recién descubiertos y desarrollos teóricos. El principal método práctico para obtener nuevos conocimientos sigue siendo el examen de estructuras dañadas por terremotos.
Las principales organizaciones de investigación en el campo de la resistencia sísmica son: