En Diciembre de 2011 terminé de cursar el Máster de Estructuras de la Universidad de Granada, como primer paso en mis estudios de posgrado.
El Trabajo Fin de Máster lo titulamos "Resonancia Suelo - Estructura y Norma de Construcción Sismorresistente Española (Aplicado a Pórticos de Hormigón Armado sometidos a Terremotos de Almería)". Mi tutor fue Rafael Gallego a quien agradezco su ayuda, como a otros profesores del Máster; entre ellos, Gerardo Alguacil, Amadeo Benavent-Climent, Enrique Hernández, Francisco Vidal, Francesc L. Almansa, etc.
A continuación dejo la introducción al Trabajo, por si a alguien le interesa:
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INTRODUCCIÓN
Este
trabajo estudia el tratamiento que la Norma de Construcción Sismorresistente
Española, “NCSE-02: Parte General y Edificación” (Ministerio de Fomento, 2002) y
“NCSP-07: Puentes” (Ministerio de Fomento, 2007) hace del efecto de resonancia
suelo-estructura, aplicado a los terremotos de Almería. Comparando el cálculo dinámico
modal según la Norma y el cálculo dinámico transitorio no lineal de estructuras
mediante acelerogramas de terremotos registrados en Almería, se pone de
manifiesto las deficiencias existentes; deficiencias por otro lado previsibles,
puesto que el análisis dinámico modal (con espectros de respuesta) es una
simplificación, teóricamente del lado de la seguridad, para poder calcular
estructuras con un nivel normal de conocimientos estructurales.
En
este trabajo se ha tratado el efecto de sitio desde el punto de vista tanto
estático como dinámico, destacando la importancia de caracterizar un terreno
dinámicamente. Estudios dirigidos por los profesores Pujades y Canas
(Rodríguez, 2005), diversas tesis doctorales (Song, 2010; Carrasco, 2009; Trigo,
2007), estudios de riesgo sísmico urbano en España como SISMIMUR (Murcia,
2006), SISMOSAN (Andalucía, 2007), SISMILOR (Lorca, actualmente en desarrollo),
etc., avalan la necesidad de analizar las características dinámicas de los
suelos. Puede resultar mucho más determinante calcular su periodo predominante
que su nivel de amplificación; dicho de otro modo, el efecto de sitio no
consiste en decir que un suelo blando amplifica mucho una señal sísmica y uno
duro no amplifica, sino que tan perjudicial puede resultar un suelo duro como
uno blando, si sus periodos predominantes de vibración están cercanos al
periodo fundamental de la estructura que cada uno sustenta.
Por
otra parte, como es lógico en la fase de diseño, la estimación del periodo
fundamental de una estructura es crucial. Sin embargo, el periodo de vibración,
aunque esté correctamente calculado a partir de la configuración geométrica de
la estructura (matriz de rigidez, de masas, etc.), puede sufrir variaciones a
lo largo de la vida útil de una estructura. Sin ir más lejos, la sobrecarga de
uso tiene una naturaleza variable; la hipótesis sísmica considera que cuando se
produce un evento sísmico, está actuando el 50% de la sobrecarga de uso. El
valor real de sobrecarga de uso que esté gravitando sobre la estructura cuando
llegue el terremoto, influirá en el periodo de vibración de la estructura en
ese momento. El periodo aumentará cuanta más masa tenga, y aunque su
aceleración espectral será menor al situarse en la rama descendente del
espectro de respuesta, su acción sísmica puede ser mayor al tener más cantidad
de masa.
Otro
factor importante es en la variabilidad del periodo fundamental de vibración de
una estructura (de edificación en este caso) es la existencia de tabiques,
cerramientos y particiones. Tradicionalmente, los programas convencionales de
cálculo de estructuras estiman el periodo de vibración considerando sólo la
configuración geométrica y las acciones gravitatorias. Los tabiques y
cerramientos se modelizan sólo a nivel de cargas gravitatorias, pero no se
tiene en cuenta su efecto arriostrante, y por tanto rigidizador. Este hecho
hace que el programa de cálculo común estime periodos mayores que los reales.
Incluso
las normas sismorresistentes proporcionan expresiones para determinar el
periodo fundamental de una estructura de una manera simplificada; estas
expresiones raramente coinciden con los periodos que obtienen los programas de
cálculo convencionales. Por ejemplo, la NCSE-02 indica en su artículo 3.7.2.2.
para edificios con pórticos de hormigón armado (sin colaboración de pantallas
rigidizadoras), que el periodo fundamental puede estimarse como TF =
0.09· n, siendo n el número de plantas. Con esta expresión se obtienen valores
de periodos inferiores a los calculados con los programas, si bien, más
cercanos a la realidad.
El
periodo fundamental de vibración puede medirse exactamente sobre la cubierta de
un edificio, mediante las técnicas de ruido ambiental (microtremor).
Evidentemente la medición tiene lugar cuando el edificio ya está construido,
pero puede compararse con la estimación que tuvo lugar en la fase de diseño del
edificio. Existen estudios realizados con estas técnicas en la región de Murcia
(Navarro y otros, 2007) y en Portugal (Oliveira y Navarro, 2009) en los que
tras realizar un gran número de mediciones sobre edificios construidos de
hormigón armado, llegan a la conclusión de que se puede estimar el periodo
fundamental como TF = (0.054 ± 0.001)· n, siendo n el número de
plantas. Aunque este periodo obtenido depende de las circunstancias de cada
medición (las masas que en ese momento estuvieran gravitando sobre la
estructura, nivel de compartimentación del edificio, temperatura, etc.), resulta
ser del orden de la mitad al que se obtendría aplicando la expresión de la
NCSE-02, y muy inferior al que calculan los programas convencionales.
Una
posible explicación para calcular con periodos superiores a los reales, es que
cuando llega un terremoto a una estructura, dependiendo de la energía que le
introduce el sismo, se pueden empezar a colapsar los tabiques y cerramientos,
aumentando el periodo de la estructura, como reflejan estudios como el “Informe
del Sismo de Lorca del 11 de mayo de 2011” (IGN y otros, 2011). Si llegaran a
romperse todos los estos elementos no estructurales y no se produjeran daños en
vigas y pilares, el periodo podría coincidir con el que calculó el programa
convencional. Si el terremoto persiste, empezarían a producirse
plastificaciones en los elementos estructurales dependiendo de su nivel de
ductilidad, pero siempre a partir de este periodo. Pero en la realidad, esto no
ocurre así, tal y como se refleja en el estudio
anterior. Cuando llega un terremoto, los primeros elementos en romperse son
algunos tabiques y cerramientos, pero no todos. Obviamente pueden producirse
rótulas plásticas en elementos estructurales sin haber colapsado toda la
tabiquería. Es decir, el periodo fundamental de vibración que inicialmente
tiene una estructura (con sus tabiques) determina en gran medida el nivel de
daños que puede llegar a sufrir. Esto tiene vital importancia cuando el
edificio tiene un periodo real similar al del terreno, habiendo estimado uno
completamente distinto en la fase de diseño. Los efectos de esta resonancia “no
prevista” pueden ser catastróficos.
NOTA
DEL AUTOR:
La
metodología y procedimientos de cálculo de este estudio, no sólo se han
utilizado a nivel de investigación, sino que también han funcionado a nivel de
producción. Antes y durante la realización del Máster Universitario de
Estructuras, el autor ha estado trabajando en la empresa privada (Decisiones
Geoconstructivas, S.L.) y ha podido poner en práctica las técnicas recogidas en
este estudio (medición de las características dinámicas del terreno mediante
SPACs, mediciones reales de los periodos fundamentales de los edificios,
cálculo dinámico transitorio no lineal con registros reales, acelerogramas con
efecto de sitio, etc.).
El
autor tuvo la ocasión de visitar Lorca el día siguiente al terremoto del 11 de
mayo de 2011, y realizar posteriores visitas de trabajo para efectuar diversos
Informes de Evaluación Sísmica de distintas estructuras con la empresa en la
que trabajaba. Los trabajos de evaluación sísmica no se limitaron a describir
los daños visibles sufridos por los edificios, sino que mediante estás técnicas
de cálculo se pudieron comprobar los daños tanto visibles como ocultos.
Rubén Calvo Díaz
rubencadi@gmail.com
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