introduccion a la ingenieria sismica

1. CAPITULO I: Introducción y Características de
los Terremotos
Antecedentes.- Con el invento de la máquina a vapor realizado
por James Watt en 1769 se inicia la llamada revolución industrial
en el mundo, esta revolución trae como consecuencia la migración
de la gente del campo a las ciudades donde se encontraban las
fábricas.
Las poblaciones que en aquellos tiempos estaban conformadas por
unos cuantos cientos de personas, pasan a tener miles de
pobladores, la necesidad de vivienda se acrecienta, y como
respuesta se empiezan a construir grandes edificaciones.

2. Antecedentes.- La vida citadina que comienza a desarrollarse en
el mundo con mucha fuerza a fines del siglo XIX, no previó, ni
por asomo, los enormes daños que podían causar los sismos, tanto
a la propiedad como a la vida humana.
La primera experiencia vivida, para el mundo occidental, fue el
terremoto de San Francisco en 1906 él cual se vio agravado por
un incendio que dejo 3000 muertos y la ciudad devastada. Este
desastre fue la campanada de alerta y el comienzo de la historia
de la ingeniería sismorresistente.
Era claro que ninguna sociedad podía vivir con este riesgo y por
lo tanto era impostergable plantear una normatividad para el
diseño y la construcción de edificios.
Introducción y Características de los Terremotos

3. Introducción y Características de los Terremotos
Antecedentes.- Es así que nacen los códigos de diseño
sismorresistente, los cuales pretenden reducir la vulnerabilidad
sísmica de los edificios en base a disposiciones que tienen que ver
con la fuerzas sísmicas mínimas de diseño, sistemas estructural (a
través de la estructuración), detallado de las armaduras, materiales
y sistemas constructivos. La finalidad es impedir el colapso de las
edificaciones.
San Francisco 1906

4. Introducción y Características de los Terremotos
San Francisco 1906

5. Introducción y Características de los Terremotos
La respuesta a este problema por parte de la comunidad de
ingenieros fue que los edificios debían diseñarse para “resistir”
fuerzas sísmicas.
Por tal razón es que de inmediato se da una reglamentación de
emergencia por la que los edificios en California debían diseñarse
para soportar una “presión” lateral uniforme de 30 lbs/pie2.
Luego, en 1927 se redacta el primer código UBC el cual incluye
un apéndice de diseño sísmico en el que se estipula que las
edificaciones deben ser diseñadas para una fuerza lateral por
sismo de: V = CW (C=0.075 a 0.10).

6. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
Creemos que el nacimiento formal de la Ingeniería Sismorresistente
en Occidente fue a partir del terremoto de San Francisco en 1906.
1906 - Luego del terremoto de San Francisco en 1906, se dicta una
“ordenanza” para el diseño sísmico de edificaciones la cual
prescribía que los edificios debían ser diseñados para resistir una
presión lateral de 30 libras/pie².
1927 - Se redacta el primer código UBC el cual incluye un apéndice
de diseño sísmico en el que se estipula que las edificaciones deben
ser diseñadas para una fuerza lateral por sismo de: V = CW
(C=0.075 a 0.10). Se diseña el primer sismógrafo.

7. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
1933 - Se publica el libro “Continuous Frames of Reinforced
Concrete” de Hardy Cross, donde expone su método de análisis para
pórticos de concreto armado.
1940 - Se produce el terremoto de Imperial Valley donde se registra el
primer acelerogarma denominado acelerograma “El Centro”. Se
desarrolla la metodología del “Espectro de Respuesta” para el cálculo
de la fuerza sísmica.
1949 - La Pórtland Cement Association publica un trabajo de
investigación titulado “Análisis of Small Monolithic Concrete
Buildings for Earthquake forces”, en el que se plantea el
comportamiento de diafragma rígido de los techos y la distribución
del cortante símico en proporción a la rigidez de los elementos
estructurales verticales.

8. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
1952 - Se publica el reporte realizado por ASCE y SEOAC, en el que se
propone que el coeficiente sísmico C se calcule en función del período
de la estructura y que la fuerza sísmica basal se distribuya en función
de la altura de los pisos.
1956 - Se realiza la 1ra Conferencia Mundial de Ingeniería Antisísmica.
Se publica el código ACI 318-1956, en el que en uno de sus apéndices
se introduce el “Diseño a la Rotura”
1959 - SEOAC publica su código sísmico en el que se prescribe que la
fuerza sísmica basal para un edificio debe calcularse con la siguiente
expresión: V = K C W (C = 0.05/ T1/3 C<= 0.10) (K es un factor
numérico que depende del amortiguamiento, ductilidad y rigidez de la
estructura).

9. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
1961 - Se publica el libro “Design of Multistory Reinforced Concrete
for Earthquake Motion” de Blume, Newmark y Corning.
Se modifica el UBC, este prescribe la siguiente expresión para el
cálculo del cortante sísmico: V = Z K C W (C = 0.05/ T1/3 C<=
0.10 ), y se reconoce la necesidad de dotar de ductilidad a las
estructuras.
1967 - En el comentario al Libro Azul del SEOAC, se presenta la
filosofía para el diseño sismorresistente de edificios, dicha filosofía
establece los siguiente niveles de desempeño sismorresistente en las
edificaciones:
1. Prevenir todo tipo de daños en movimientos sísmicos de baja
intensidad, que pudieran ocurrir frecuentemente durante la vida útil
de la estructura.

10. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
2. Prevenir el daño estructural y minimizar el daño no estructural
durante movimientos sísmicos de intensidad moderada, que puedan
ocurrir ocasionalmente.
3. Evitar el colapso o daño serio durante los movimientos sísmicos
severos que raramente pueden ocurrir.
1971 - Se publica el libro “Fundamentals of Earthquake Engineering”
de Newmark y Rosenblueth. Se publica el ACI 318-1971 en el que se
incluye un apéndice para diseño sísmico de edificios.
1974 - Se modifica el código SEOAC, el cual prescribe la siguiente
expresión para el cálculo del cortante sísmico: V = Z I K S C W donde
C = 1/(15 T1/2) C <= 0.12, I=importancia de la edificación y S =
factor numérico dependiente del perfil del suelo.

11. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
Niigata, Japan Earthquake
Kobe, Japan Earthquake
Kobe, Japan
Earthquake

12. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
Beichuan, China Earthquake Beichuan, China Earthquake
Beichuan, China
Earthquake

13. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
1982 - En un esfuerzo conjunto entre USA-JAPON se ensaya un
edificio de 7 pisos de concreto armado a escala natural.
1988 - Los códigos del UBC y SEOAC, prescriben la siguiente
expresión para el cálculo del cortante sísmico: V = Z I S C W / Rw
donde C = 1.25 S/T2/3 C<=2.75 C/RW >= 0.075.
1992 - Se realiza la 10ma Conferencia Mundial de Ingeniería
sismorresistente, en la que el profesor Bertero de la Universidad de
Berkeley cuestiona seriamente el formato de los códigos de diseño
sismorresistente y plantea el llamado “Diseño por Desempeño”.
- El desempeño mostrado por las edificaciones diseñadas con los
reglamentos actuales no concuerdan con la filosofía de desempeño
especificada por los mismos........

14. Reseña Histórica de la Ingeniería Sismorresistente
en el Mundo
- La fuerza sísmica de diseño a permanecido prácticamente invariable
desde la establecida por el código UBC de 1927........
- Se ha confiado exageradamente en la ductilidad que pueden
desarrollar la edificaciones.......
- No se ha prestado la debida importancia al estudio del riesgo
sísmico..........
- Se plantea la necesidad de diseñar las edificaciones, por lo menos,
para dos niveles de sismos...........
- Se plantea la necesidad que los códigos de diseño sismorresistente
tengan un formato transparente y comprensible..........

15. La Ingeniería Sismorresistente en el Perú
Para poder realizar una opinión crítica, lo mas completa posible, del
desarrollo de la ingeniería sismorresistente en el Perú, creemos
adecuado “recorrer el tiempo” citando en cada época: el tipo de
estructuras existentes, sus materiales, el estado del conocimiento del
comportamiento de dichos materiales, el estado del conocimiento del
comportamiento de las estructuras frente a movimientos sísmicos, el
estado del conocimiento de las demandas sísmicas y las herramientas
de análisis.
1900-1930 - A comienzos del siglo XX, las edificaciones en el Perú
(Lima, Arequipa, Trujillo), eran esencialmente las edificaciones que
heredamos de la colonia..............
La llegada del cemento y la invención del concreto armado comienzan
a ser paulatinamente utilizados en las construcciones: edificaciones de
albañilería y concreto armado................

16. La Ingeniería Sismorresistente en el Perú
En este tiempo el estado del conocimiento de los materiales era
incipiente y la mayoría de las construcción estaba en manos del Gremio
de Albañiles y normadas por “la regla de la buena práctica”.
Solo las construcciones importantes estaban en manos de los ingenieros
quienes en el diseño solo consideraban las cargas de gravedad..........

17. La Ingeniería Sismorresistente en el Perú
1930-1940 - El gobierno de Leguía da un gran impulso a las
construcciones para modernizar el país, y comienza la era de las
construcciones en concreto armado normadas por códigos de diseño
americanos, franceses, ingleses y alemanes.........
Se empieza a diseñar algunas estructuras de mediana altura para
soportar cargas de sismo. La práctica era diseñar la estructura para una
fuerza lateral entre el 2% y el 5% del peso del edificio. La distribución
de esta fuerza en la altura del edificio era uniforme y se distribuía en
proporción al peso que recibían los elementos estructurales
La arquitectura de las edificaciones tenían una fuerte influencia
europea, sobre todo francesa............
En el año de 1940, se produce un sismo de moderada intensidad que
afecta la ciudad de Lima. Se reconoce la necesidad de contar con una
entidad dedicada al estudio y registro de los movimientos sísmicos
con fines de aplicación al diseño sismorresistente.

18. La Ingeniería Sismorresistente en el Perú
Octubre de 1940 aparece en la revista de la Pontificia Universidad
Católica del Perú un articulo titulado “El Terremoto del 24 de mayo de
1940, sus Efectos y Enseñanzas” escrito por el Ingeniero Ricardo
Valencia, quien, en la época era uno de los mas prestigiados ingenieros
estructurales en el Perú. En mi concepto, el artículo, refleja fielmente el
estado del arte del diseño sismorresistente en el Perú....................

19. La Ingeniería Sismorresistente en el Perú
1940-1960- En este periodo el estado sigue en su afán de
modernización del país. Durante el gobierno de Odría se construyen las
llamadas unidades escolares así como muchos hospitales.
Las edificaciones de este tiempo tenían una estructura conformada por
pórticos de concreto armado con cerramientos de albañilería adosada a
la estructura.....................

20. La Ingeniería Sismorresistente en el Perú
En esta época se nota un avance notable en la comprensión del
comportamiento del concreto armado. El ACI 318-1956 introduce, en
forma de apéndice, el diseño a la rotura..................
Se difunde la idea de la necesidad de diseñar las estructuras para resistir
sismos. Los cálculos se realizan utilizando regla de cálculo o simples
calculadoras. Los análisis, en general, son realizados con métodos
aproximados................
Aparecen las edificaciones de albañilería confinada.............
1960-1970 – Esta década es muy importante para el desarrollo de la
ingeniería sismorresistente en el Perú, pues se empieza a preparar las
norma de diseño sismorresistente para el país

21. El Primer Código Sismorresistente en el Perú
El primer código de diseño sismorresistente en el Perú comienza a
prepararse en el año 1962 en la Universidad Nacional de Ingeniería.
Por aquella época regresaban al país varios ingenieros que fueron a la
Universidad de California a realizar estudios de postgrado, entre ellos
el ingeniero Julio Kuroiwa quien le dio un gran impulso a esta tarea.
(El ingeniero Kuroiwa Publica en 1963 “Recomendaciones para el
Diseño Sismorresistente de Edificaciones en el Perú” y en 1964
“Proyecto de Normas Peruanas de Diseño Antisísmico”)
Resulta claro que una de las primeras tareas para la preparación del
código fue establecer una zonificación sísmica para el país; dicha
zonificación se realizó en base a los trabajos de peligro sísmico
elaborados por los ingenieros Ocola, Huaco y Castillo. En este punto no
se debe soslayar el hecho que para la época no se contaba con ningún
registro acelerográfico.

22. El Primer Código Sismorresistente en el Perú
En 1963 se realiza la medición del período de vibración de los 60
edificios mas importantes de Lima, para así establecer formulas que
permitan calcular los períodos de los edificios en función de su altura,
longitud de la edificación en la dirección de análisis y la densidad de
elementos rigidizantes.
En Octubre de 1966 se produce en Lima un sismo que permite calcular
la aceleración del suelo. El registro se hizo con un acelerógrafo ubicado
en el Parque de la Exposición.
Este acelerograma fue procesado por miembros de la UNI en el
Instituto Tecnológico de California, obteniéndose el correspondiente
espectro de respuesta de aceleraciones. La aceleración máxima del
suelo se calculó a través del “pico efectivo de aceleración” el cual fue
de 0.26g.

23. El Primer Código Sismorresistente en el Perú
Con esta base de datos se redacto el primer reglamento de diseño
sismorresistente en el Perú, el cual fue aprobado para su “aplicación en
la ciudad de Lima” por la Comisión Técnica Metropolitana de la ciudad
de Lima en 1971.
Por esta época varias ciudades del Perú comienzan un crecimiento
sostenido, lo cual hacia imprescindible la dación de un reglamento
nacional de diseño sismorresistente.
1970-1980 - Las lecciones aprendidas en los sismos de Lima: 1970 y
1974, así como el desarrollo de la ingeniería sismorresistente en el
mundo permite la preparación de una norma nacional de diseño
sismorresistente que fue aprobada en 1977.

24. El Primer Código Sismorresistente en el Perú
Para esta época ya se contaba con la mayoría de los conocimientos que
hoy rigen el diseño sismorresistente:
- Conocimientos en cuanto a comportamiento sísmico de las
estructurales.........
- Mejor conocimiento del riesgo sísmico en Lima............
- Herramientas de análisis (uso de computadores) que permitían el uso
de métodos racionales del análisis estructural, vedados anteriormente
justamente por la falta de herramientas de diseño................

25. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
La norma sismorresistente del 77, adopta una filosofía de “desempeño
sismorresistente” para las edificaciones, la cual fue planteada en la
edición de 1967 del Libro Azul de la SEAOC, y que en la actualidad
sigue vigente y rige en la mayoría de códigos sismorresistentes del
mundo:
1.- prevenir todo tipo de daños en movimientos sísmicos de baja
intensidad, que pudieran ocurrir frecuentemente durante la vida útil
de la estructura.
2.- Prevenir el daño estructural y minimizar el daño no estructural
durante movimientos sísmicos de intensidad moderada, que puedan
ocurrir ocasionalmente.
3.- Evitar el colapso o daño serio durante los movimientos sísmicos
severos que raramente pueden ocurrir.

26. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
Dicho de otra forma, esta filosofía especifica que las estructuras deben
mantenerse dentro del rango elástico para sismos frecuentes y
moderados; y para sismos severos la estructura ingresará al rango
inelástico lo cual significa daño.
Esta filosofía se basa en la no factibilidad, técnica y económica, de
diseñar una edificación para que se comporte elásticamente en un sismo
severo.
La norma del 77 plantea la siguiente expresión para calcular el cortante
basal de diseño:
Z U S C
H = ----------------- P
Rd
0.8
Donde : C = ---------------- C <= 0.4 C >= 0.16
T
1 + ------
Ts

27. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
C es la expresión que define el espectro de aceleraciones.
La “forma del espectro de diseño” (espectro de aceleraciones) se
obtuvo de “promediar” los espectros de 20 registros de sismos
normalizados a la máxima aceleración espectral; así la ordenada
espectral para el periodo T=0 corresponde a la máxima aceleración del
suelo, la cual fue establecida en 0.26g. Dicha aceleración máxima fue
la obtenida en el sismo de Lima de 1966.
ESPECTRO ELASTICO DE
ACELERACIONES. NORMA 1977
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.00
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0.90
1.05
1.20
1.35
1.50
1.65
1.80
2.00
2.15
2.30
2.45
Peridos (segundos)
ZUSC

28. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
Considerando que la máxima amplificación espectral de los 20 sismos
considerados fue de 1.9, para un amortiguamiento del 7%; entonces el
valor del coeficiente sísmico máximo, para condiciones de trabajo, es:
C = (0.26g*1.9)/1.25 = 0.4g
ESPECTRO ELASTICO DE
ACELERACIONES. NORMA 1977
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.00
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0.90
1.05
1.20
1.35
1.50
1.65
1.80
2.00
2.15
2.30
2.45
Peridos (segundos)
ZUSC
Esta norma prescribe que los desplazamientos últimos sean
calculados así: Dmáx= 0.75*Delas.
Se limita los desplazamientos laterales a un máximo de 1% o de 1.5%
la altura del entrepiso.

29. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
Las norma de diseño sismorresistente del 77 incluyen un apéndice para
el diseño en concreto armado de las estructuras sometidas a fuerzas
sísmicas.
1980-1990.- En 1982 se publican la norma peruana de albañilería E -
070, cuyos primeros ensayos comienzan el los 70s en la Pontificia
Universidad Católica del Perú.
En esta década la albañilería confinada tiene gran aplicación en los
programas de vivienda emprendidos por el gobierno de Belaunde.
En 1985 ocurre un hecho inusual: se producen dos terremotos: uno en
marzo en Viña del Mar-Chile, y el otro en Septiembre en Ciudad de
México- México.
Es a partir de estos sismos es que se comprende la calidad
sismorresistente intrínseca que tienen las estructuras rígidas.

30. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
1990-2005.- En esta época, ya era de conocimiento las enormes
ventajas sismorresistente que tenían las estructuras rígidas sobres las
“flexibles”.

31. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
Se conocía perfectamente la falla por columna corta.
A comienzos de los 90s se forma un comité para actualizar las
normas de diseño sismorresistente, él cual presenta en el 92 el
documento base, no hay consenso para su aprobación y el proyecto
de modificatoria queda dormido hasta noviembre de 1996 cuando
ocurre el sismo de Nazca de ese año. Este sismo “moderado” causa
graves daños en los colegios del Infes recientemente construidos e
inaugurados.

32. La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente de 1977
Se conforma el comité especializado de actualización de la norma y en
Noviembre de 1997 es publicada con el nombre de “Norma Peruana de
diseño sismorresistente E -030”.

33. Historia de los Terremotos
La palabra Seismo viene del griego Seiein que significa Mover. Se
conoce como Temblor a un sismo pequeño, generalmente local,
mientras que a un sismo grande se le da el nombre de Terremoto.
En Japón antiguamente se ligaba el origen de los terremotos al pez
gato, que realmente era un bagre, el cual habitaba en las profundidades
de los mares.
Origen de los Terremotos en el Japón Antiguo

34. Historia de los Terremotos
Los Aztecas pensaban que existían calamidades con frecuencias
periódicas al fin de cada era llamada “sol” (Terremoto en Nahuatl
significa Ollin).
Ollin = Terremoto
Anaxímedes, en el siglo V a. C., se lo atribuyo a
hundimientos de cavernas subterráneas
originados por movimientos de agua.
Anaxagoras y Demócrito creyeron que en el
interior de la tierra existía agua, fuego y aire,
que al encontrar salidas al exterior producían
erupciones volcánicas y movimientos telúricos.
Después de muchas investigaciones y estudios sobre el origen de los
terremotos es que se empiezan a plantear teorías modernas, entre las
cuales sobresale por su aceptación la teoría de la Tectónica de Placas.

35. Historia de los Terremotos
Es a partir del siglo XX, que se instalaron bastantes estaciones
sismográficas a nivel mundial, que se empieza a profundizar el estudio
de la sismología. En la siguiente figura se muestra los registros
sísmicos y la sismicidad mas frecuente en la tierra.

36. Historia de los Terremotos
Es muy frecuente que los terremotos que se catalogan entre
moderados y grandes sean seguidos por otros terremotos en los
próximos días, semanas o meses, a los cuales se les llama replicas. El
fenómeno de Rebote Elástico es característico en los sismos que
denotan importantes deformaciones en la superficie terrestre.