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Ingeniería Sismoresistente.


Sismilogía en
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Sísmica.



Análisis Sísmico de Edificios.



CAPÍTULO 1

PELIGROSIDAD Y ZONIFICACIÓN
SÍSMICA

Primera Parte.



Se presenta la metodología de cálculo para evaluar la peligrosidad sísmica, orientada a la zonificación sísmica de un País y al diseño sismo resistente de estructuras. Las diferentes etapas de evaluación se describen en forma crítica con la presentación de resultados encontrados en Venezuela, Colombia, Ecuador y Perú.

El capitulo se inicia describiendo la teoría de la deriva continental, composición de la tierra, las placas y microplacas tectónicas que conforman la corteza terrestre, el cinturón circunpacífico, y finaliza con la presentación de los mapas de zonificación sísmica de las normativas de los países bolivarianos indicados en el párrafo anterior, los mismos que son comparados a nivel de fronteras.

Es importante que el proyectista estructural conozca el significado de algunas variables que intervienen en el calculo de la peligrosidad sísmica, como son: el período de retorno, la vida útil de una estructura, la probabilidad de excedencia, la aceleración máxima del suelo a nivel de roca, la amplificación dinámica de las ondas sísmicas, la relación que existe entre magnitud y aceleración del suelo, de igual forma la relación que existe entre magnitud e intensidad sísmica, etc. En fin existen una serie de variables que están involucradas en forma directa o indirecta con la evaluación de la peligrosidad sísmica, las mismas que se indican en el presente capitulo.

Si se desconoce o se evalúa en forma incorrecta la peligrosidad sísmica de una zona, en la cual se piensan realizar obras ingenieriles como puentes, edificios, obras hidráulicas, etc. El calculo estructural que se realice no estará bien, a pesar de que se utilicen programas muy sofisticados para el análisis estático y dinámico de las estructuras. De ahí la gran importancia de conocer sobre la temática de la peligrosidad sísmica, que se aborda en el presente capítulo, toda vez que es la base para la definición de espectros de diseño que se van a utilizar en el análisis sísmico de las estructuras. En este mismo contexto, es fundamental conocer cuales son los sismos de análisis que propone VISION 2000 para controlar y evaluar el desempeño estructural de una edificación; se indican los sismos de análisis con la realización de un caso práctico.

En la medida que el proyectista estructural tenga un mayor conocimiento sobre el comportamiento de los sismos, su papel será fundamental en el diseño y reforzamiento de las edificaciones. Será fundamental en el sentido de que sabrá que hacer para minimizar la vulnerabilidad estructural.

 

 

 

1.1 ORIGEN DE LOS SISMOS

 

Para entender el origen de los sismos, es necesario hablar sobre: deriva continental, la composición de la tierra, placas tectónicas y las microplacas, temas que son abordados en el presente apartado. Por otra parte, se indica los países cuya sismicidad está asociada al Cinturón Circunpacífico o Cinturón de Fuego del Pacífico.

 

 

1.1.1 Deriva Continental

 

Hace muchos millones de años todos los continentes estaban unidos en una sola masa, a la que se denominó Pangea, también llamada Pangaea. El único océano que le rodeaba era el Panthalassa(1), como se aprecia en la figura 1.1

Figura 1.1 Pangaea o Pangea y el océano de Panthalassa.(1).

Esta masa empezó a moverse en forma lenta y se fue rompiendo. La primera rotura se dió en el área de Groenlandia cuando se separa de Europa. Esta rotura originó dos continentes denominados Laurasia y Gondwana(1), como se ilustra en la figura 1.2

Figura 1.2 Rotura de Pangaea y formación de Laurasia y Gondwana.(1).

La rotura se da en los perfiles que tienen los continentes actualmente, los mismos que se han desplazado y rotado, pero este movimiento continúa. Esta teoría fue formulada por Alfred Wegener en 1912, con el nombre de Teoría de la deriva de los continentes.

Numerosos son los estudios que se han realizado para confirmar la teoría de Wegener, en las últimas décadas. Si se examina con detenimiento , el perfil del continente Americano con el de Africa y Europa, y si imaginariamente lo unimos, como un rompecabezas, se observa que existe una extraordinaria coincidencia, lo cual hace pensar que en un tiempo estuvieron unidos y luego se separaron quedando a la deriva cada uno de ellos.

Por otra parte, en las costas del Océano Atlántico de América y Africa, se ha visto que sus minerales son de la misma naturaleza, no existen regiones montañosas en estas regiones y lo más sorprendente es que su flora y fauna es muy parecida. Por ejemplo, las lombrices, caracoles y peces de aguas superficiales, viven en las costas de los dos continentes.

 

 

1.1.2 Composición de la Tierra

 

Es importante destacar que los continentes se han movido en forma muy lenta desde tiempos muy remotos y que actualmente continúan movíendose. Para entender esto, es necesario analizar la composición de la tierra, la misma que tiene un radio que está alrededor de los 6400 Km.

En el centro se tiene un núcleo interno que es sólido pero el material que lo recubre es líquido y finalmente se tiene la corteza terrestre que es sólida, la misma que tiene un espesor variable. Es importante destacar que la corteza terrestre se encuentra sobre un manto líquido y que es más pequeña bajo el mar y más ancha bajo las montañas, todo ello con relación al grosor de la corteza en el resto del mundo.

Por otra parte, cuando se realizan excavaciones, estas no han llegado más allá de un kilómetro y lo que se ha observado es que la temperatura y la presión aumentan a medida que la profundidad crece.

El centro de la tierra está compuesto por materiales y minerales a muy altas temperaturas, es una gran fuente de calor sobre la que se halla el manto líquido, cuyo material está en continuo movimiento, el material de abajo, sube y el material de arriba baja, como lo ilustra la figura 1.3

Figura 1.3 Modelo de las corrientes de convencción(1).

A esta hipótesis se denomina corriente de convección y es la causa para que los continentes continúen moviéndose en diferentes direcciones.

Podríamos pensar como será el mundo después de cincuenta millones de años?. Es muy probable que algunos continentes se subdividan, que su posición no sea la que tienen actualmente.

Figura 1.4 Principales placas tectónicas, en el mundo.

 

1.1.3 Placas Tectónicas

 

Debido a las corrientes de convección, los continentes continúan en movimiento. En el siglo XIX ya se pensó que Groenlandia se movía, hipótesis que ha sido confirmada en el siglo XX con estudios que demuestran que se separa de Europa.

Las corrientes de convección se producen en la parte superior del manto líquido, en una capa denominada Astenósfera. En forma figurativa se puede decir que la corteza terrestre flota sobre la Astenósfera.

El movimiento de la corteza no se da en forma uniforme, en el sentido de que todo se mueve en la misma dirección y con la misma magnitud, no se presenta así. Existen regiones en las cuales el movimiento es muy lento del orden de una centésima de milímetro al año y otras en las cuales este movimiento es muy rápido con movimientos de más de 10 cm al año. De igual forma, existen zonas en las que segmentos de la corteza chocan entre si y otras en que no existe este choque.

Estos movimientos llamados tectónicos son los responsables de la aparición de las montañas, de los volcanes, de los sismos, de la formación de plegamientos y fallas geológicas en la tierra.

Investigaciones desarrolladas entre los años 1950 y 1960, encontraron que en el lecho de los mares, existen largas y espectaculares cadenas montañosas con una forma muy similar a la columna dorsal de los reptiles, de ahí su nombre de dorsal marino. Por lo tanto, en la tierra existen dos tipos de montañas, las que se hallan en los continentes y las que se encuentran en los mares con características diferentes.

Al chocar dos placas, una de las dos cede y se va para abajo con dirección al manto; la región de la zona de choque se denomina zonas de subducción. Por otra parte, en la zona donde no existe el choque, que es en los dorsales marinos aparece, una nueva superficie terrestre. De esta forma se mantiene el equilibrio en el mundo, por las zonas de subducción desaparece la superficie creada y por los dorsales marinos aparece nuevas superficies.

Las principales placas tectónicas, se indican en la figura 1.4 y son las placas de: Nazca, Sudamérica, Cocos, Norteamericana, Caribe, Africana, Euroasiática, Antártica, Pacífico, Filipinas, Arábica, Australiana y de la India. Estas placas a su vez contienen microplacas.

 

 

 

1.1.4 Microplacas

 

En 1999, se registraron en el mundo grandes sismos, uno de ellos fue el terremoto de Turquía, del 17 de Agosto(62), este evento está asociado al movimiento de las placas tectónicas Africana y Arábica que se mueven hacia el norte a una velocidad que varía entre 5 y 25 mm al año, y chocan con la placa Euroasiática que se mueve en sentido contrario, generándose una zona de subducción, la misma que aparece en la figura 1.4, al lado derecho. La colisión de estas tres placas han generado tres microplacas, de acuerdo a los estudios realizados por McKenzie en 1972. Estas son: la microplaca Egeo, la Microplaca Anatolia y la Microplaca del Mar Negro, las mismas que se indican en la figura 1.5.

El sismo de Turquía del 17 de Agosto de 1999, estuvo asociada a la microplaca de Anatolia y concretamente a la falla transcurrente de Anatolia, que tiene una tasa de 24 4 mm/año, tasa muy similar a la famosa falla de San Andrés en California, cuya tasa es 20 4 mm/año.

 

 

 

1.1.5 Cinturón Circunpacífico

 

En América del Sur, se tiene fundamentalmente el enfrentamiento de la Placa de Nazca o Placa Oceánica con la Placa de Sudamérica o Placa Continental. Este enfrentamiento produce el fenómeno de subducción, por el cual la placa de Nazca por ser más rígida y fuerte se introduce por debajo de la Placa Sudamericana y continua moviéndose hacia el manto. Como se indicó este choque genera los sismos que es lo que interesa en el presente capítulo. Sin embargo se debe manifestar que como consecuencia del movimiento continuo de las placas tectónicas se tienen las erupciones volcánicas y los sismos.

El fenómeno de subducción ha generado una fosa frente a las costas, la misma que alcanza grandes profundidades. En lo que concierne al Ecuador, en la figura 1.4, se identifica esta fosa como Perú - Chile - Trench y se indica con triángulos negros la dirección de la subducción. Por otra parte, se puede apreciar en la figura 1.4 que esta fosa continúa por Centro América, México, Estados Unidos ( California ), Canadá,


Figura 1.5 Microplacas de las placas: Africana, Arábica y Euroasiática.

Alaska (Aleutian Trench), Península de Kamtchatka, Japón, Filipinas y Nueva Zelandia. Esta fosa bordea el Océano Pacífico a manera de un cinturón de ahí su nombre de Cinturón Circunpacífico y es una zona de alta sismicidad. Por otra parte, en esta zona existe una intensa actividad volcánica de ahí que también es conocida como Cinturón de Fuego del Pacífico.

 

 

 

1.2 SISMICIDAD Y ENERGÍA

 

El ser humano tiende a olvidar muy rápidamente las desgracias que dejan los sismos. Esto en parte es bueno, ya que lo negativo debe ser olvidado, pero también es malo que olvide rápidamente porqué colapsaron las edificaciones. Es malo, que luego de unos pocos meses o años piense que es una utopía la ocurrencia de los sismos en zonas de alta actividad sísmica. Por todo ello, se presenta en el presente apartado la sismicidad en el Ecuador, la sismicidad a nivel mundial, la energía que es liberada por los sismos y el origen de los mismos.

 

 

 

1.2.1 Teoría del rebote elástico

 

El movimiento de las placas tectónicas, cuando estas chocan entre sí, ocasionan deformaciones en las rocas de la tierra, acumulándose en este proceso energía, cuando la deformación es insostenible se produce la rotura de las rocas y con ello los sismos, con una liberación de gran parte de la energía, en forma de ondas, las mismas que mueven a la tierra en todas las direcciones.

Se puede realizar una analogía con lo que sucede al comprimir un resorte y luego soltarlo; el resorte saltará bruscamente. En los sismos se tiene que las rocas van acumulando energía hasta un momento determinado en que ya no pueden acumular más energía y la liberan en un porcentaje muy considerable, cuando las rocas no pueden soportar una mayor deformación.

 

 

 

1.2.2 Epicentro e Hipocentro

 

El lugar dentro de la tierra donde se produce la liberación de energía o sismo, se denomina hipocentro, foco o fuente. Por otra parte, el punto sobre la superficie de la tierra que está sobre el hipocentro se denomina epicentro y es la zona donde se siente con mayor intensidad el sismo. La distancia que existe entre el epicentro y el hipocentro se denomina profundidad focal.

La ubicación del hipocentro y del epicentro son detectados por los sismólogos mediante instrumentos especiales denominados sismógrafos y al registro de estos se llama sismogramas.

Cuando el sismo es de pequeña intensidad y produce vibración de las ventanas, o se observa que las lámparas oscilan y muchas personas lo sienten ligeramente, se denomina a esto temblor. En cambio cuando es muy fuerte y se producen fisuras en los edificios, pudiendo llegar a destruirse si están mal diseñados; además hay deslizamientos y grietas en el suelo, cuando ello sucede al sismo se llama terremoto.

Un terremoto normalmente viene precedido por una gran cantidad de sismos a los que se denominan premonitores, los mismos que tienen una duración muy variable. En algunos terremotos los premonitores se han registrado por varios meses e incluso años de anticipación y en otros la actividad de los premonitores ha sido muy baja.

Después de un terremoto o sismo muy fuerte, se producen una serie de sismos a los que se denominan réplicas, en este tiempo la rotura de las rocas que liberaron energía vuelven paulatinamente a buscar una posición de equilibrio con la generación de sismos que en los primeros días son numerosos y de gran intensidad. Con el pasar del tiempo las réplicas van disminuyendo en número e intensidad.

El sismo del 2 de octubre de 1995(66), cuyo epicentro se halla ubicado al sur este de la cordillera de Cutucú y que destruyó el puente sobre el río Upano o río de la cascada sagrada y que afectó a un buen número de construcciones de la ciudad de Macas, tuvo una profundidad focal de 16 Km. En este evento, prácticamente no se registraron sismos premonitores y la actividad sísmica después del terremoto duró hasta el 31 de diciembre de 1995. La red sísmica permanente del Instituto Geofísico de la Politécnica Nacional, registró 2100 réplicas; en el mes de octubre estas fueron muy numerosas y 7 de ellas fueron muy fuertes, en noviembre las réplicas decayeron considerablemente con relación al mes precedente y en diciembre sucedió algo similar.

Luego de un sismo fuerte, los sismólogos, llevan a la zona epicentral sus sismógrafos e instalan una red sísmica móvil, para estudiar aspectos relacionados con el mecanísmo de rotura del sismo. Evidentemente que el número de sismos registrados en la red móvil es mayor que el número de eventos registrados por la red permanente, por encontrarse más cerca de la fuente sísmica.

1.2.3 Energía liberada

 

Existen relaciones entre la Magnitud M y la energía del terremoto E, la misma que es de la siguiente forma(67):

(1.1)

donde a y b dependen de la manera en que se calcula M. Para magnitud Ms , se tiene:

(1.2)

Es importante destacar que un sismo de magnitud 5.5, por ejemplo, libera una energía del orden de magnitud de la explosión atómica de Hiroshima(2), es decir alrededor de 1020 ergios. En efecto, al reemplazar Ms = 5.5 en la ecuación (1.2) se obtiene que la energía es 1.122 x 1020 ergios. Si la magnitud del sismo es de 6.5, es decir un grado más, la energía sísmica es 3.548 x 1021 ergios; en consecuencia, la energía se incrementa en 31.6 veces. La variación es de tipo exponencial.

 

 

 

1.2.4 Sismicidad en el Mundo

 

La severidad de un terremoto depende de la energía liberada y se la puede medir en la escala de Richter que va desde uno al infinito, aunque solo se han registrado sismos hasta de magnitud 9. En la Tabla 1.1 se indica el número de temblores de cierta magnitud que ocurren en un año, en base a la actividad sísmica mundial. Además se indican algunos eventos que han dejado grandes pérdidas económicas, materiales y humanas.

La destrucción que dejan los sismos no está asociada directamente con la magnitud, depende de muchos factores entre los cuales se puede indicar: la profundidad focal, la frecuencia del sismo, el tipo de suelo, el tiempo de duración, la tipología estructural existente, etc. El sismo que afectó al eje cafetero de Colombia, el 25 de enero de 1999, es un evento de magnitud moderada ( Mb=5.9 ) pero fue un sismo muy superficial con una profundidad focal alrededor de los 16 km que causó mucho daño, únicamente en el departamento del Quindío, aproximadamente 40000 viviendas tuvieron algún tipo de daño o colapsaron y de esta cantidad el 75% de las edificaciones eran de uno y dos pisos(61).

A nivel mundial, se registran en promedio 20 sismos de magnitud mayor que 7. Ahora bien, han existido años en los cuales la actividad sísmica ha sido más notable, como lo fue en 1970, 1971 y 1992 cuando se tuvieron entre 20 y 23 sismos de magnitud

Tabla 1.1 Promedio anual de sismos y algunos terremotos destructores

 

MAGNITUD

PROMEDIO

ANUAL

TERREMOTO

 

9

 

2

 

1906 Tumaco y Esmeraldas(3) (8.7)

1942 Perú(4) (8.3)

1985 México(5) (8.1)

 

 

8

 

20

 

1906 Perú(4) (7.9)

1942 Guayaquil-Ecuador(6) (7.9)

1958 Esmeraldas-Ecuador(6) (7.8)

1956 Manabí-Ecuador(6) (7.3)

1963 Perú(4) (7.8)

1968 Tokachi Oki(7) (7.9)

1971 Chile(8) (7.7)

1977 Rumanía(9) (7.1)

1977 San Juan-Argentina(9) (7.4)

1978 Miyagi-Ken-Oki(7) (7.4)

1979 Tumaco-Colombia(6) (7.7)

1985 Llolleo-Chile(10) (7.8)

1989 Corralito(7) (7.1)

1998 Bahía de Caráquez(60) (7.1)

1999 Izmit-Turquía(62) (7.4)

1999 Chichi-Taiwan(62) (7.6)

 

 

7

 

100

 

1940 El Centro(11) (6.3)

1954 Eureka-California(9) (6.5)

1968 Japón(7) (6.6)

1971 San Fernando(9) (6.6)

1981 La Ligua-Chile(9) (6.8)

1987 Baeza-Ecuador(12) (6.9)

1994 Northridge-California(13) (6.7)

 

 

6

 

3000

 

1964 Manabí-Ecuador(6) (6.0)

1986 San Salvador(14) (5.4)

1999 Armenia-Colombia(61) (5.9)

 

 

5

 

15000

 

1990 Pomasqui-Ecuador (5.0)

 

 

4

 

Más de 100000

 

 

 

 

 

mayor que siete(62) y otros en los cuales la actividad sísmica ha sido muy baja como lo fue en 1986 y 1990 en que se registraron 6 y 7 eventos de magnitud mayor o igual a 7. Es importante destacar que muchos de estos eventos se producen bajo los océanos o en lugares poco habitados por lo que pasan desapercibidos.

 

Por otra parte, Bertero(63) señala que en el mundo se registran más de 10000 sismos significativos, cada año, de los cuales aproximadamente 60 son de magnitud mayor o igual a 6.5 y son capaces de producir daño en las estructuras. Esta es una gran verdad, razón por la cual quienes nos encontramos en una zona de alta peligrosidad sísmica tenemos la obligación de construir edificaciones sismo resistentes.

 

 

 

1.2.5 Sismicidad en el Ecuador

 

En el cinturón circunpacífico y concretamente en el Ecuador, el proceso de subducción de la placa de Nazca, genera una alta sismicidad en su recorrido, buzamiento, hacia el Este. Por este proceso en la costa ecuatoriana, tienen un hipocentro superficial y en la región oriental los eventos sísmicos asociados con la subducción pueden tener profundidades focales mayores a 200 km.

A más de la actividad sísmica asociada a la zona de subducción, existen sismos que se generan por la activación de fallas geológicas locales.

El sismo que afectó a Bahía de Caráquez el 4 de agosto de 1998(60), tiene su origen en la zona de subducción, en cambio el sismo del 2 de octubre de 1995(66), que causó el colapso del puente sobre el río Upano tiene su origen en una zona de fallamiento local.

Por otra parte, es importante destacar que el buzamiento de la zona de subducción del sur del Perú, es diferente del buzamiento que se tiene en el centro y sur del Ecuador y a su vez es diferente del que se tiene en Colombia.

Por lo general los sismos superficiales son los que causan mayor daño. Por este motivo, se puede indicar que la Costa Ecuatoriana es la de mayor peligrosidad sísmica, seguida por la Sierra y finalmente el Oriente. Por lo tanto, desde el punto de vista sísmico no es lo mismo construir en la ciudad de Esmeraldas, donde la peligrosidad sísmica es muy grande que en el Tena que tiene una menor amenaza sísmica.

Al analizar la ubicación de los epicentros e hipocentros de los sismos registrados, se observa que existen zonas en las cuales la actividad sísmica es muy baja, como la región oriental y otras regiones donde existe una alta concentración denominada nidos sísmicos.

En el Ecuador, existen dos nidos sísmicos localizados el uno en el sector del Puyo y el otro en Galápagos. El Nido del Puyo, ubicado alrededor de las coordenadas 1.7 Latitud Sur y 77.8 Longitud Oeste, se caracteriza principalmente por un predominio de sismos de magnitud entre 4.0 y 4.9 con profundidades focales mayores a 100 kilómetros.

El Nido de Galápagos, ubicado por las coordenadas 0.30' de Latitud Sur y 91 Longitud Oeste tuvo una gran actividad sísmica entre en 11 y 23 de Junio de 1968.