El documento resume los conceptos fundamentales sobre suelos e ingeniería sísmica. Explica la composición interna de la Tierra y cómo se forman los terremotos. Luego describe las características y clasificación de los suelos, incluidos los horizontes, tipos, propiedades físicas y químicas. Finalmente, cubre temas como la mecánica de suelos, los procesos de estudio de suelos, la normativa sobre cimientos y la importancia de la arquitectura sismorresistente.
Arquitectura sismorresistente y mecánica de suelos
1. 1.- LA TIERRA Y LOS SISMOS
2.- SUELOS Y SUS CARACTERISTICAS
3.-MECÁNICA DE SUELO
4.-NORMATIVA
5.- ARQUITECTURA SISMORESISTENTE
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2. LA TIERRA Y SUS SISMOS
CORTEZA
MANTO SUPERIOR
MANTO INFERIOR
NÚCLEO INTERNO
NÚCLEO EXTERNO
1600 KM.
1820 KM.
2290 KM.
630 KM.
SeccióndelatierraPlacasTectónicasOndasSísmicas La geósfera corresponde a la porción sólida del planeta y está
formada por tres grandes zonas que son:
Corteza terrestre: porción en la cual se encuentra un lecho
rocoso y duro, constituido por distintos tipos de rocas. Su
espesor varía entre 6 y 70 kilómetros. En ella se distinguen la
corteza continental y la corteza oceánica. Esta corteza terrestre
posee a su vez varias capas con características diferentes:
-Capa superficial: tiene un grosor que varía de 500 a 1.000
metros. Formada fundamentalmente por una delgada porción
externa, llamada suelo, y por rocas sedimentarias.
-Capa intermedia: corresponde a la corteza continental, tiene
un espesor medio muy variable entre 25 km y 70 km , su
densidad media es de 2,7 gr/cm3
.
- Capa basáltica inferior: es la misma corteza oceánica, y es
la base de los océanos. Tiene un espesor de 10 a 20 Km.
Manto terrestre: está inmediatamente después de la corteza
oceánica, su espesor es de unos 2.800 kilómetros. Las rocas
que lo forman pueden desplazarse lentamente una sobre otra.
Núcleo terrestre: parte más profunda de la geósfera, en la
que se distingue el núcleo externo, parcialmente fundido, de
unos 2.000 kilómetros de espesor y el núcleo sólido interno,
que tiene un espesor de 1.500 kilómetros.
El terremoto es una sacudida del
terreno que se produce debido a la
acumulación de energía que se
produce cuando los materiales del
interior de la Tierra se desplazan
principalmente en los bordes de la
placa.
El punto interior de la Tierra donde se
produce el sismo se denomina foco
sísmico o hipocentro, y el punto de la
superficie que se halla directamente en
la vertical del hipocentro —y que, por
tanto, es el primer afectado por la
sacudida— recibe el nombre de
epicentro.
Chile está ubicado al borde del
encuentro de dos placas tectónicas, la
placa Sudamericana y la placa Nazca,
las cuales interactúan entre sí,
produciéndose un proceso de
subducción, que es la causa de la
mayor parte de los macro sismos en la
parte occidental de nuestro territorio,
como parte del denominado "Cinturón
de fuego" que rodea al océano
Pacífico.
El movimiento sísmico se propaga mediante ondas elásticas (similares al
sonido), a partir del hipocentro. Las ondas sísmicas se presentan en tres
tipos :
Ondas longitudinales, primarias o P: ondas que se propagan a una
velocidad entre 8 y 13 km/s y en el mismo sentido que la vibración de las
partículas. Circulan por el interior de la Tierra, atravesando tanto líquidos
como sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de medida o
sismógrafos, de ahí su nombre "P".
Ondas transversales, secundarias o S: son ondas de cuerpo más lentas
que las anteriores (entre 4 y 8 km/s) y se propagan perpendicularmente en el
sentido de vibración de las partículas. Atraviesan únicamente los sólidos y se
registran en segundo lugar en los aparatos de medida.
Ondas superficiales: (love y rayleigh) son las más lentas de todas (3,5
km/s) y son producto de la interacción entre las ondas P y S a lo largo de la
superficie de la Tierra. Son las que producen más daños. Se propagan a
partir del epicentro y son similares a las ondas que se forman sobre la
superficie del mar.
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3. EL SUELO Y SUS CARACTERISTICAS
Horizonte A: corresponde a la primera capa del suelo, es rica
en humus o materia orgánica descompuesta. En ella se
desarrollan los vegetales.
Horizonte B: en este se encuentran restos de materia
orgánica y también materia inorgánica, que permite el
crecimiento de las plantas. También se le llama subsuelo.
Horizonte C: está formado por rocas fragmentadas de
distintos tamaños. Es el soporte de las dos capas anteriores.
Horizonte R: Se puede llamar Roca Madre u Horizonte D.
Corresponde a la última capa del suelo y está formada por roca
sin alteración física ni química.
PerfildelsueloSegúnfuncionalidad
Los suelos se forman en la superficie de la tierra, donde la roca dura o los sedimentos bandos y sueltos superficiales
son transformados por numerosos procesos físicos, químicos y bilógicos, dependientes de la proximidad de la
atmosfera.
Son más fértiles que los claros . Pero
también un suelo oscuro puede significar
exceso de humedad no siendo indicador de
fertilidad.
Contienen grandes cantidades de óxidos de
hierro, lo que significa que es un terreno
drenado, fértil y no muy húmedo.
Son poco fértiles debido a que los óxidos de
hierro han reaccionado frente al agua,
convirtiéndolos en una zona mal drenada.
Grises pueden tener poco hierro u oxígeno y
poseer muchas sales alcalinas como
carbonato de calcio.
VARIEDAD CARACTERISTICAS
Tiposdesuelos
Suelos arenosos: No retienen el agua, tienen
muy poca materia orgánica y no son aptos para la
agricultura, ya que no tienen nutrientes.
Suelos calizos: Tienen abundancia de sales
calcáreas, son de color blanco, secos y áridos, y no
son buenos para la agricultura.
Suelos humíferos (tierra negra): Tienen abundante
materia orgánica en descomposición, de color
oscuro, retienen bien el agua y son excelentes para
el cultivo.
Suelos arcillosos: Están formados por granos
finos de color amarillento y retinen el agua
formando charcos. Si se mezclan con humus
pueden ser buenos para cultivar.
Suelos pedregosos: Formados por rocas de todos
los tamaños, no retienen el agua y no son buenos
para el cultivo.
Suelos mixtos: tiene características intermedias
entre los suelos arenosos y los suelos arcillosos.
Según los minerales y elementos orgánicos que tenga el suelo, dependerá la
fertilidad y características químicas. A través del color podemos conocer la variedad
frente a la que estemos.
Caract.físicas
Litosoles: Se considera un tipo de suelo que
aparece en escarpas y afloramientos rocosos, su
espesor es menor a 10 cm y sostiene una
vegetación baja.
Cambisoles: Son suelos jóvenes con proceso inicial
de acumulación de arcilla.
Luvisoles: Presentan un horizonte de acumulación
de arcilla con saturación superior al 50%.
Acrisoles: Presentan un marcado horizonte de
acumulación de arcilla y bajo saturación de bases al
50%.
Gleysoles: Presentan agua en forma permanente o
semipermanente con fluctuaciones de nivel freático
en los primeros 50 cm.
Fluvisoles: Son suelos jóvenes formados por
depósitos fluviales, la mayoría son ricos en calcio.
Rendzina: Presenta un horizonte de
aproximadamente 50 cm de profundidad. Es un
suelo rico en materia orgánica sobre roca caliza.
Vertisoles: Son suelos arcillosos de color negro,
presentan procesos de contracción y expansión, se
localizan en superficies de poca pendiente y
cercanos escurrimientos superficiales.
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4. MECANICA DE SUELO
DegradaciónQueesmecánicadesuelo
Meteorización: consiste en la alteración que
experimentan las rocas en contacto con el
agua, el aire y los seres vivos
Erosión: consiste en el desgaste y
fragmentación de los materiales de la superficie
terrestre por acción del agua, el viento, etc. Los
fragmentos que se desprenden reciben el
nombre de detritos.
Transporte: consiste en el traslado de los
detritos de un lugar a otro.
Sedimentación: consiste en el depósito de los
materiales transportados, reciben el nombre de
sedimentos, y cuando estos sedimentos se
cementan originan las rocas sedimentarias
La mecánica de suelos es
la aplicación de las leyes
de la física y las ciencias
naturales a los problemas
que involucran las cargas
impuestas a la capa
superficial de la corteza
terrestre. Esta ciencia fue
fundada por Karl von
Terzaghi, a partir de 1925.
Que también fundo la
ingeniería geotécnica. Que
es la encargada del estudio
de las propiedades
mecánicas, hidráulicas e
ingenieriles de los
materiales provenientes de
la Tierra. Los ingenieros
geotécnicos investigan el
suelo y las rocas por
debajo de la superficie para
determinar sus
propiedades y diseñar las
cimentaciones para
estructuras tales como
edificios, puentes, centrales
hidroeléctricas, etcétera.)
Si se sobrepasan los límites de la
capacidad resistente del suelo, se
pueden producir esfuerzos
secundarios (quizás no
considerados en el diseño), los
que producen a su vez
deformaciones importantes como :
fisuras, grietas, alabeo o
desplomos que pueden producir,
en casos extremos, el colapso de
la obra o su inutilización y
abandono (inhabitabilidad).
Es por esto que las condiciones
del suelo como elemento de
sustentación y construcción, han
de ser siempre observadas,
aunque esto se haga en proyectos
pequeños fundados sobre suelos
normales a la vista según datos
estadísticos y experiencias locales,
y en proyectos de mediana a gran
importancia o en suelos dudosos,
infaliblemente, al través de una
correcta investigación de mecánica
de suelos.
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5. MECANICA DE SUELO
Procesoestudiosesuelo
-A través de la Geofísica se
investiga la superficie de la tierra
(en pequeña profundidad, con
perforaciones o sensores) para
establecer sus capacidades, se
realizan pruebas de resistividad
(analizan el comportamiento de las
corrientes eléctricas al atravesar
las rocas y las investigaciones
sísmicas (estudio de reflexión y
refracción de las ondas de choque
para diseñar las estructuras
subterráneas. Los resultados
obtenidos se combinan con los
mapas geológicos.
-Estudio preliminar, revisión de los
informes previos del lugar
- Estudios a distancia, las primeras
observaciones del terreno mediante
satélites y fotografías aéreas,
obteniendo datos como la
existencia de aguas subterráneas.
Y a que tipo de suelo se pueden
enfrentar.
- También es necesaria la
realización de mapas geológicos
para una tener clara distribución de
los tipos de rocas, presencia de
fallas, plegamientos y otras
estructuras, se obtiene diferentes
tipos de rocas, para someterlas a
pruebas.
- Si no se obtiene pruebas claras de
los suelos a través de las
perforaciones es necesario realizar
excavaciones para estudiar los
elementos más importantes de la
geología local. Y poner a prueba
métodos de ingeniería y construcción
para decidir cuáles son los más
adecuados y eficaces.
- Se realizan además pruebas
experimentales para medir su
resistencia a las presiones y
tensiones que la construcción
impondrá.
-una vez analizados todos los
resultados, determinaran el diseño
final del proyecto de ingeniería. Los
principales factores que se tienen en
cuenta son: normas de seguridad
que garanticen la estabilidad de la
estructura y los aspectos
económicos, que permitirán construir
la estructura con un presupuesto
realista y un máximo de eficacia.
-El producto final de este largo y
arduo trabajo es el INFORME, que
además de tener el registro
completo, adjunta
recomendaciones y propuestas
para el diseño y la construcción de
la obra. Siendo de gran
importancia económica.
Para el estudio de suelos en el área de la
construcción, estos se clasifican en 2 grupos:
Granulares y finos.
Agrupándolos en un sistema unificado de
clasificación. USCS
GRANULARES
FINOS
GRAVAS
ARENAS
ARCILLAS
LIMOS
GRUESAS
FINOS
GRUESAS
FINOS
MEDIAS
Clasificación
ClasificaciónsegúnUSCS
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6. NORMATIVA
TiposdefundacionesClasificación
ClasificaciónsegúnUSCS
Se utilizan distintos tipos de
cimientos según los distintos
tipos de rocas que constituyen
la base, cuando la capa rocosa
se encuentra cerca de la
superficie, los cimientos se
pueden construir directamente
sobre la roca. Cuando la capa
de materiales no consolidados
es gruesa, es preciso introducir
pilotes que lleguen hasta la
capa rocosa. Si el suelo es
demasiado hay que construir el
edificio sobre una plataforma
de hormigón, capaz de recibir y
distribuir la carga.
Dependiendo de los resultados obtenidos de las diferente pruebas
realizadas al suelo, es posible finalmente determinar que tipo de
fundación es la optima, para que el edificio sea sismo resistente.
Una primera aproximación al problema de la “presión de contacto
admisible” la da la O.G.C. recomendando los siguientes valores para edificaciones
corrientes y cimientos corridos:
1.- Roca dura 20 a 25 Kgf/cm2
.
2.- Roca blanda 8 a 10 kgf/cm2
.
3.- Tosca o arenisca arcillosa 5 a 8Kgf/cm2
.
4.- Grava conglomerada dura 5 a 7Kgf/cm2
.
5.- Grava suelta o poco conglomerada 3 a 4Kgf/cm2
.
6.- Arena Gruesa 1.5 a 2Kgf/cm2
.
7.- Arcilla compactada o arcilla con arena. seca 1 a 1.5 Kgf/cm2
.
8.- Arena fina 0.5 a 1Kgf/cm2
.
9.- Arcilla húmeda < 0.5Kgf/cm2
.
10.- Fango o arcilla empapada 0Kgf/cm2
Para regular las construcciones en países sísmicos
como Chile, es necesario considerara una serie de
normativas que han sido previamente estudiadas
para su funcionamiento optimo.
•Zonificación sísmica por comunas: se dividen nuestro país en 3 grandes zonas,
tomando la VI región ( la que nos involucra) con las Zonas 3-2 y en menor medida la
zona 1 (montañosa)
•En la norma según los movimientos sísmicos existen distintas clasificaciones de
suelos en nuestros país;
1.-Roca
2.-Grava, arena densa ,suelo cohesivo duro
3.-Arena,grava no saturada, suelo cohesivo, espesor mínimo del estrato 10 m
4.- Suelo cohesivo saturado
*Se excluyen estos tipos de Suelos licuables, arenosos, limosos….Susceptibles de
densificación por vibración11
•Clasificación por tipo de estructuras de divide en 4 según su uso y capacidad
A .- edificios del estado y edificios vitales en caso de catástrofes
B.- Edificios de gran valor y aglomeración de gente ( biblioteca….)
C.- edificaciones destinada a la habitación , uso privado
D.-Construcciones no clasificadas anteriormente, no destinada habitación
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7. ARQUITECTURA SISMORESISTENTE
Clasificación
Variablesparaelcontroldelarespuestaestructural
Fuerza de inercia
La fuerza de inercia es la generada por el movimiento sísmico del
suelo que se transmite a los edificios apoyados sobre el terreno
debido a que la base del edificio tiende a seguir el movimiento del
suelo y la masa del edificio por inercia se opone a ser desplazada
dinámicamente y seguir el movimiento de su base
Período y resonancia
El período es el tiempo en que tarda un objeto en cumplir un ciclo cuando
vibra, es una característica
única del objeto y no se altera a menos que sea forzado a cambiarlo. En un
edificio el período depende de la
relación entre la masa y la rigidez del sistema.
La respuesta sísmica de un sistema elástico de un grado de libertad
depende de su periodo de vibración, lo que indica que la respuesta máxima
de una estructura ante un temblor varíe principalmente por el periodo de
vibración. Para cambiar el período de vibración se debe variar la masa o la
rigidez del edificio. En general, un proyectista tiene poca libertad para
modificar la masa del edificio. Mayor es la amplitud en que puede variar la
rigidez lateral, principalmente dependiendo del sistema estructural que se
elija, el cual puede ser relativamente flexible, cuando es a base de pórticos
o muy rígido cuando tiene muros estructurales.
Por otra parte, los periodos de vibración de un edificio aumentan con el
número de pisos, por lo que se acostumbra a numerar a las T en orden
decreciente; así el primer período T1 (llamado periodo fundamental) tiene
el mayor valor y el último, Tn, el menor. En cada período se obtiene una
deformada llamada modo de vibración.
Amortiguamiento
El amortiguamiento es una característica estructural que influye en la
respuesta sísmica porque decrece el movimiento oscilatorio, se expresa
normalmente como una fracción del amortiguamiento crítico (ζ), o
amortiguamiento donde el movimiento resultante en vez de ser oscilatorio
decrece exponencialmente con el tiempo hasta hacerse cero.
En las estructuras el amortiguamiento es generado por las fricciones internas
de los elementos, apoyos, elementos no estructurales, etc.., todos estos
disipan la energía sísmica. La magnitud de la disminución de estos efectos es
difícil de cuantificar con precisión, por ello los reglamentos indican
aproximadamente un amortiguamiento igual al 5% del crítico.
Ductilidad
La ductilidad se refiere a la capacidad de un sistema estructural de sufrir
deformaciones considerables (por encima del límite elástico) bajo una carga
aproximadamente constante, sin padecer daños excesivos. Esta es una
propiedad muy importante en una estructura que debe resistir efectos
sísmicos, ya que elimina la posibilidad de una falla frágil y además suministra
una fuente adicional de amortiguamiento. Es por ello que una parte importante
del diseño sísmico consiste en proporcionar a la estructura (además de la
resistencia necesaria), la capacidad de deformación que permita la mayor
ductilidad posible para salvar así un edificio del colapso.
Resistencia y rigidez
La resistencia y la rigidez son los dos
aspectos más importantes del diseño
sísmico. La resistencia es el parámetro de
diseño donde se busca que las
dimensiones de los elementos garanticen
la integridad de la estructura sometida a
todas las combinaciones de carga
posibles y la rigidez relaciona la
deformación de la estructura con las
cargas aplicadas; este parámetro asegura
que la estructura cumpla con las
funciones impuestas.
Distribución de las fuerzas de inercia
Las fuerzas de inercia que se generan
sobre una estructura son función de la
masa, rigidez y amortiguamiento; pero
conocer el punto de aplicación de la fuerza
es primordial, ya que estas se pueden
amplificar y en algunos casos puede ser
muy grande esta amplificación.
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8. ARQUITECTURA SISMORESISTENTE
Propiedadesdelossistemasestructurales Sistemas resistentes
La selección de un sistema estructural está determinada por muchos factores, estos son lo que determinan la rigidez del edificio y su distribución en
planta incide en la ubicación del centro de rigidez. En la siguiente lamina se ilustran las características de cada uno de los sistemas estructurales :
Pórticos
Es un sistema estructural que puede resistir, por lo general, las fuerzas
sísmicas; la ventaja principal que posee es su fácil diseño y
construcción para resistir grandes demandas de ductilidad, así como la
flexibilidad para la distribución de los espacios internos. Sin embargo,
su eficiencia, basada en la resistencia a flexión de vigas y columnas es
baja a menos que las secciones transversales de los elementos sean
extraordinariamente grandes.
Pórtico con arriostramiento
El pórtico rigidizado o arriostrado con elementos diagonales o muros de
rigidez permite aumentar la capacidad lateral sin un costo excesivo.
Mediante la acertada distribución de elementos rigidizantes se puede
mantener la ventaja de la estructura a base de pórticos (distribución de
espacios internos y ductilidad), a la vez que la resistencia lateral se ve
aumentada. Consideraciones económicas y arquitectónicas pueden
impedir el uso de estos elementos en algunos casos y en otros pueden
presentar desventajas técnicas importantes, ya que en estos sistemas
se requiere evitar concentraciones de rigidez en un pequeño número de
elementos.
Muros resistentes al cortante
También denominado muro de cortante, es un sistema que posee una
gran rigidez y resistencia para los desplazamientos laterales, las
proporciones de los muros son de tal forma que domina la falla por
corte sobre la flexión. Asimismo, posee poca flexibilidad para la
distribución de espacios internos debido a los requisitos del sistema.
Diafragma
El sistema se refiere a los elementos horizontales de la edificación
(pisos y techos) que trasladan las fuerzas laterales a los sistemas
resistentes verticales (muros resistentes al cortante, pórticos o pórticos
con arriostramiento). Los diafragmas deben ser infinitamente rígidos
para cumplir con la función de trasladar las fuerzas laterales a los
sistemas resistentes. También pueden actuar con una rigidez muy baja
(diafragmas flexibles), tal como los sistemas de pisos formados por
vigas en una dirección y una losa de lámina delgada. Dicha alternativa
no distribuye las fuerzas laterales de manera proporcional a la rigidez
del sistema vertical, además existe la posibilidad de ceder ante el
empuje generado por el sistema vertical resistente, por lo que invalidan
las hipótesis del análisis sísmico y requieren de un estudio especial.
Elementos no estructurales
El diseño de los elementos no estructurales se debe basar en los
siguientes criterios:
-Seguridad de la vida: Las fallas no deben ocasionar pérdidas en
vidas humanas ni entorpecer la evacuación del edificio.
-Los muros deben ser continuos hasta la base, las aberturas para
puertas, ventanas y ductos deben interferir lo menos posible con la
capacidad del elemento.
-Daños materiales: Busca disminuir los costos que acarrean las
reparaciones de los elementos no estructurales que en algunos casos
se aproxima al costo original del edificio.
-Continuidad de operación: Es conveniente que un edificio o una
zona particular dentro de la estructura, continúe operando durante y
después de un evento sísmico. Por ejemplo un hospital o centros de
emergencias que debe seguir operando de manera normal
especialmente después de un sismo.
Estos criterios son usados para tomar diseñar los siguientes
aspectos:
Conexiones, anclajes y detalles
Los elementos no estructurales deben conectarse a la estructura,
pero este proceso debe ser cuidadoso, ya que las características de
la conexión afectan directamente la magnitud de las fuerzas
trasmitidas al elemento, y la interacción que pudiera ocurrir debido a
la deformación sísmica de entrepiso.
Efectos de interacción entre elementos no estructurales
La deformación de entrepiso permitida para el sistema estructural,
puede resultar en fuerzas que actúan sobre muros y divisiones no
estructurales que estén apretadamente colocados entre elementos
estructurales. En este caso, los muros actuarán como elementos
resistentes y funcionarán como un muro de cortante hasta su falla.
Para evitar estas cargas sobre los muros no estructurales, estos
deben estar separados en la parte superior o en la inferior y en los
costados, para permitir que ocurra la deformación de entrepiso
calculada sin que el muro participe en el movimiento.
Alternativamente, los muros pueden hacerse desalineados en
relación con las columnas, de manera que solamente sea necesario
separar de la estructura la parte superior o interior de éstos.
(Rosenblueth, 1991).
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