Este artículo, que culmina esta presentación, pretende incluir algunos aspectos de la ingeniería sismorresistente de vital importancia en los que podemos reflexionar. El concepto de interacción suelo-estructura, se esboza a manera inductiva y se presentan algunas pinceladas al respecto.

Otro tema de gran interés al que sugiero también reflexionar, es el de las excavaciones para sótanos en nuestra ciudad, sin probablemente tomar en cuenta el riesgo que tomamos al hacerlo, por no tomar en cuenta en nuestros estudios geotécnicos, las construcciones perimetrales existentes, así como la modificación de la capacidad portante cuando se produce una excavación profunda a su lado.

Por último presentaremos también a manera de ejemplo, la aplicación de la esperanza más reciente por el respeto a la vida, como lo son el uso de los amortiguadores y los aisladores sísmicos, estos últimos como la garantía para la preservación de nuestras edificaciones esenciales, entiéndase hospitales, escuelas y edificios de uso público.

Así iniciamos el camino hacia la esperanza del futuro.

La República Dominicana al reconocer su condición de zona de amenaza sísmica alta, a través de toda la información recopilada en la isla desde la llegada de los españoles, hasta nuestros días, donde los instrumentos se encargan de recordarnos día tras día nuestra realidad, haremos un breve recuento desde donde venimos, cómo estamos y hacia dónde vamos.

Este escenario recoge la historia de los terremotos citados en el párrafo anterior y que han servido de base para los diferentes estudios de amenaza sísmica que se han realizado para la isla desde el 1972, desarrollado por el ingeniero Reginald Gracia, continuado luego por estudios realizados por el Dr. Gabriel Estrada Uribe, el Dr. José Luis Trigos, entre otros y por la Sociedad Dominicana de Sismología e Ingeniería Sísmica (SODOSISMICA), para el primer reglamento oficial denominado Recomendaciones Provisionales para el Análisis Sísmico de Estructuras (REPAS/1979), que sentaron las bases para la aplicación de los efectos de los terremotos sobre nuestras edificaciones, con carácter obligatorio.

En el 2011, como fruto de la revisión y actualización de las referidas recomendaciones, motivada su publicación a raíz de la ocurrencia del terremoto de Haití, en el 2010, surge El Reglamento para el Análisis y Diseño Sísmico de Estructuras (R-001), resultado de un nuevo análisis de amenaza sísmica desarrollado nueva vez por (SODOSISMICA), luego de ser consensuados los resultados con la propuesta del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), quienes a raíz del terremoto citado desarrollaron una propuesta estimada de las aceleraciones, de carácter provisional, no para ser usadas como valores de diseño válidos para el análisis de las edificaciones.

Hoy en día entendemos que, a raíz del estudio de microzonificación sísmica realizado para el Gran Santo Domingo en agosto del 2016, encargado por el Servicio Geológico Nacional (SGN), así como el haber pasado 10 años de la publicación del R-001, debemos ir pensando en su actualización, así como en la inclusión de este estudio reciente al mismo.

En otro de los artículos de esta revista me he permitido sugerir algunos ajustes a la revisión pendiente y necesaria del referido reglamento. No obstante haber expresado simplemente nuestro “origen y actualidad” en lo que a este tema se refiere, quiero compartir con ustedes, en la forma más resumida posible, algunos otros temas que nos indican cómo vamos avanzando hacia la comprensión y su consecuente solución, sobre la base de los esfuerzos de ser capaces de producir edificios seguros en zonas sísmicas.

En 1995 Visión 2000, asignada a desarrollar un nuevo procedimiento para el diseño de edificios sismorresistentes, publicó un artículo del profesor Vitelmo Bertero titulado: “Ingeniería sísmica basada en el rendimiento: convencional vs. Enfoques innovadores” en el que plantea por primera vez revisiones históricas y críticas del estado del arte, así como del estado de la práctica de la ingeniería sísmica. En esta reflexión intenta responder preguntas como: 1) ¿Por qué se necesitan enfoques innovadores?, 2) ¿Que son enfoques innovadores?, 3) ¿Cuándo podrán estos enfoques innovadores implementarse de manera eficiente?, 4) ¿Cómo se aplicarían estos enfoques en la práctica? y 5) ¿Cuáles serían los impedimentos para la implementación de tales enfoques?

A partir del análisis de los pros y contras de lo convencional y de los enfoques innovadores, queda claro que el uso de enfoques innovadores resultará en un control más eficiente de los daños a estructuras y componentes no estructurales.
Este procedimiento fue tomando cada día más importancia y el profesor Vitelmo Bertero lo desarrolla de manera explícita en su libro “EARTHQUAKE ENGINEERING from Engineering Seismology to Performance-Based Engineering” publicado en 2004, en el que propone en uno de sus capítulos el desarrollo y aplicación de un enfoque conceptual integral para el diseño de edificios.
Por otra parte, se fue desarrollando una teoría casi paralela para garantizar el desempeño de las edificaciones, encabezados por el profesor Priestley en su libro: “Displacement-Based Seismic Design of Structures”, publicado en el 2007. El libro comienza con una consideración sobre por qué es necesario pasar de un diseño sísmico basado en fuerzas a uno basado en desplazamiento.

El diseño sísmico basado en el desplazamiento es un término ampliamente utilizado y extremadamente popular en la comunidad de investigación sísmica, pero actualmente es bastante irrelevante en la práctica del diseño y la construcción, porque es una herramienta difícil de usar en la evaluación de estructuras existentes, y casi imposible de usar, con cualquier expectativa de realismo, en el diseño de nuevas estructuras.

Como podemos observar, estos métodos intentan proporcionarnos alternativas diferentes con la intención de profundizar en la comprensión de la respuesta y desempeño de nuestras edificaciones ante los terremotos.

Quiero referirme a un área que se ha mantenido silente a través del tiempo pero que es la base para un diseño sísmico adecuado, me refiero a la interacción suelo-estructura. Uno de los aspectos de la actualidad, prácticamente ignorado en nuestros proyectos.

Hablamos de los diferentes tipos de suelo y de su influencia en la respuesta sísmica de los edificios. Por otra parte, hablamos del diseño sísmico de los edificios y el reglamento nos indica diferentes tipos de suelos para fines de determinar los niveles de fuerzas sísmicas a aplicar a nuestras edificaciones. Sin embargo, prácticamente no utilizamos en la práctica el concepto de diseño a partir del procedimiento de interacción suelo-estructura.

INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA

La ingeniería estructural y en especial la ingeniería sísmica, es una rama de la ingeniería civil que se encarga de concebir estructuras seguras para los diferentes tipos de solicitaciones que estas puedan recibir. Por ejemplo, en edificaciones los tipos de solicitaciones pueden ser: el peso propio de la edificación, la carga muerta de adiciones, instalaciones y terminaciones, la carga viva de las personas y el mobiliario utilizado, agua por lluvia, huracanes y terremotos.

Los ingenieros estructurales se basan en conceptos de mecánica clásica y modelos idealizados que sirven como predictores de la respuesta que dicha estructura o edificación podría tener ante esas solicitaciones y a partir de estas proveerle de suficiente capacidad o resistencia para soportarlas. Sin embargo, muchos de estos modelos, aunque son útiles para la predicción de la respuesta contienen muchas simplificaciones con el fin de ser prácticos en eficiencia del tiempo.

Una de estas simplificaciones son las condiciones de borde del sistema o condición de los apoyos, hoy en día los modelos de edificaciones consideran que los apoyos hacia el suelo son empotramientos perfectos, dígase, infinitamente rígidos lo cual no es cierto. Las edificaciones se construyen sobre fundaciones que son deformables sobre un suelo que también es deformable por lo que esto introduce cierta incertidumbre en los resultados. Entonces la pregunta que podríamos hacer es: ¿Sería necesario considerar la flexibilidad de las fundaciones y el suelo dentro de las predicciones de respuesta ante las solicitaciones en edificaciones?, y su respuesta se conoce como interacción suelo-estructura (ISE).

Considerando el siguiente caso extraído de, pensando en la respuesta de una edificación ante efectos de un terremoto, en la Figura 1, se presenta una comparación de respuesta de desplazamiento lateral máximo entre las dos disposiciones de condición de apoyo.

Se puede apreciar en la parte Figura 1a que el desplazamiento horizontal máximo en el tope de la edificación es Δw, sin embargo, en la Figura 1b el desplazamiento total es ΔTOT = Δr + Δw, donde Δr es el desplazamiento horizontal debido a la rotación de la fundación, por lo que el desplazamiento obtenido para la misma demanda resulta ser diferente en cada modelo.

Por lo que a primera vista se puede deducir que la respuesta para la pregunta planteada anteriormente es, “sí, es necesario considerar la interacción suelo-estructura en la predicción de respuesta de edificaciones”. A pesar de esto, otra pregunta podría levantarse es, ¿cuándo este Δr es lo suficientemente importante para cambiar la respuesta de desplazamiento? o ¿qué otros efectos se pueden generar a partir de considerar ISE en la predicción?

En el año 2012 se proporcionó algunas directrices con el fin de estimar la importancia en el cambio de respuesta que una edificación podría experimentar si se utiliza la interacción suelo-estructura en vez de la condición tradicional. Una de las más importantes fue el considerar la relación de rigidez entre el suelo y la estructura a partir de la siguiente ecuación: h/(VsT), donde:

h: es la altura efectiva del centro de masa de la primera forma modal, tomada aproximadamente como dos tercios de la altura total de la edificación.

Vs: es la velocidad de onda de corte promedio del suelo. T: es el mejor estimado del periodo de vibración de la edificación para cada dirección del análisis. Cada dirección se debe evaluar separadamente.

Entonces si h/(VsT) > 0.1, la interacción inercial del ISE puede incrementar significativamente el periodo de vibración, en otras palabras, puede flexibilizar de manera importante el modelo de la edificación y a su vez modificar el sistema de amortiguamiento. Esto puede modificar el cortante basal de diseño (lo puede incrementar o disminuir dependiendo de la posición en el espectro de diseño) y la distribución de fuerzas y deformaciones de la edificación relativas al modelo tradicional, lo cual haría de esto una predicción más “realista” de lo que estaría ocurriendo en la edificación y, por lo tanto, estimaría la condición tradicional como deficiente.

Sin embargo, si h/(VsT) < 0.1, esto no quiere decir que necesariamente ISE no sea importante en considerarlo en el modelo de predicción ya que la ecuación de la relación de rigidez es una aproximación. Por ejemplo, estructuras duales o estructuras subterráneas podrían ser modificadas de manera significativa por el ISE debido a respuestas de modos de vibración superiores. Por lo que se puede decir que cuando la edificación cae en este rango, el efecto de ISE sobre esta dependería de otros parámetros que no se consideran en la ecuación.

En la Figura 2, (del documento FEMA, 2020) presenta el impacto que puede tener el alargamiento del periodo de vibración en la estimación del cortante basal. Teniendo en cuenta que T y β1, son el periodo de vibración del modo considerado y β1 el porcentaje de amortiguamiento de la condición tradicional, respectivamente utilizamos, y βo para la condición con ISE. Se puede observar que, para periodos cortos dígase, edificaciones rígidas o de pocos niveles, la predicción de la respuesta al considerar ISE podría incrementarse por lo que la condición tradicional estaría subestimando la demanda de fuerzas que la edificación estaría percibiendo en un evento sísmico que represente el nivel de amenaza de diseño.

Sin embargo, para periodos largos, o sea, edificaciones de muchos niveles o flexibles, la respuesta podría ser menor por lo que la condición tradicional estaría sobrestimando la demanda y esto por ende tendría un impacto en el costo final de la construcción del edificio si es que es nuevo y si es existente es una buena noticia ya que la estructura resiste más que la demanda para la cual fue diseñada.

Otro factor importante es que debido a la relación de rigidez es que los mecanismos de falla de una edificación podrían ser diferentes si se considera o no la flexibilidad del suelo. presenta lo siguiente:

En el diseño sismorresistente se conceptualizan las edificaciones para que si ocurriera el sismo de diseño las edificaciones se dañen en puntos específicos que generarían un comportamiento dúctil de la edificación y que puedan ser fácilmente reparables luego del evento. Sin embargo, en la Figura 3 se puede observar que el considerar la rigidez de la fundación, se puede modificar el mecanismo de colapso concebido, lo que podría generar daños en los elementos que no fueron diseñados para dañarse e incluso proporcionar el colapso parcial o total de la edificación.

Como ejemplo final, se observa la siguiente figura, esta presenta un modelo predictivo de una edificación de tres niveles de pórticos con arriostramientos concéntricos bajo un análisis de empuje progresivo “Pushover” en el estado de desplazamiento de diseño. La Figura 4 presenta que, al alcanzar el desplazamiento de diseño, la demanda predictiva sobre las riostras comprimidas del primer nivel supera su capacidad, por lo que se presenta una falla en dichos elementos y por ende deberían ser reforzados o sustituidos con otros elementos de mayor capacidad.

 

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Autor: Construmedia