1. “Aportes del Diseño Sísmico Basado en el Comportamiento (DSBC) a las Normas de
Sueldos y Cimentaciones y el Diseño Sismorresistente de Edificaciones”
Ing. Abel Ordóñez Huamán – Universidad Nacional de Ingeniería
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1. DISEÑO SÍSMICO BASADO EN EL
COMPORTAMIENTO (DSBC)
La determinación de los desplazamientos
generados durante el sismo y el efecto en
las estructuras asociado al nivel de daño que
puede ocasionar, sobre todo en suelos blandos
y muy blandos, son los fundamentos del
DSBC. El DSBC ha establecido que el efecto
del sismo en suelos blandos genera
desplazamientos y deformaciones muy grandes
que una estructura diseñada mediante
metodologías convencionales (basados en
las actuales normas nacionales e
internacionales de diseño) no lo soportaría,
de ahí, los niveles muy altos de daños que se
producen actualmente, en las edificaciones en
todo el mundo.
El DSBC es el resultado de estudios
multidisciplinarios de sismología, geotecnia,
dinámica de suelos y el comportamiento
estructural. El DSBC determina las variables más
importante del sismo: a) aceleración; b)
desplazamientos; c) velocidad; d) duración; y e)
período y/o frecuencia de las ondas sísmicas,
basado en el perfil de rigidez cortante del
terreno por lo menos en los primeros 30
metros de profundidad, los cuales son
medidos a través de ensayos geofísicos de
última generación denominados MASW
(“multichanel analysis of superficial wave”), en
las relaciones empíricas experimentales de las
variaciones de la rigidez cortante del terreno y
el amortiguamiento o disipación de la energía
con el nivel de deformaciones, informaciones
que existen en la literatura internacional, y la
aplicación de los análisis de amplificación sísmica
utilizando programas de la familia Shake, a fin de
estudiar el potencial de resonancia sísmica
que pueda producirse en el terreno de
fundación e identificar el modelo de falla de la
estructura correspondiente.
El DSBC se viene aplicando en la ingeniería
nacional en los proyectos más importante del
sector minero, basado en tal experiencia, en el
presente trabajo se presentan aportes en las
consideraciones de diseño de las estructuras y en
la determinación de las condiciones geotécnicas
de los suelos de cimentación, a fin de reducir los
altos niveles de daños que se tienen actualmente
debido a la ocurrencia de sismos severos.
El DSBC es una práctica que se está difundiendo
en el diseño de estructuras en muchos países y
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en el Perú (Ref. 1 y 2). El comportamiento del
terreno de fundación y estructura geotécnicas
bajo cargas sísmicas ha sido tratado desde 1987
por la Sociedad Internacional de Mecánica de
Suelos e Ingeniería Geotécnica (ISSMGE) y
sus últimos aportes se ha resumido en la
última Conferencia Internacional sobre Diseño
Basado en el Desempeño en la Ingeniería
Geotécnica Sísmica (Ref. 3).
El movimiento del terreno y las deformaciones
producidas por el sismo constituye la etapa más
importante en el DSBC, sobre todo de
terrenos blandos. El terreno es un continuo
tridimensional con variación espacial y con
relaciones esfuerzo-deformación no lineales.
Los últimos terremotos ocurridos en el
mundo, indican que las estructuras con
diseño convencional, no son capaces de
soportar las grandes deformaciones del
terreno blando que se producen durante el
sismo.
El DSBC está basado en el criterio de los
desplazamientos tolerables del terreno en
concordancia con los criterios de diseño de las
estructuras. De acuerdo a Newmark (Ref. 4),
cuando se evalúa el efecto que produce el
sismo en las estructuras, se debe considerar
todas las características del sismo, donde la
aceleración máxima no necesariamente es el
factor principal en la respuesta sísmica. El
efecto de la velocidad, el desplazamiento y
la duración del sismo pueden ser de igual o de
importancia en la respuesta sísmica.
En ese sentido la ingeniería sísmica actual está
considerando con mayor interés los
desplazamientos inducidos durante el sismo,
como variable principal del DSBC y no sólo la
aceleración, debido a que los registros de
aceleraciones por encima de 1G de terremotos
recientes no necesariamente resultaron en
grandes daños. Kokusho (Ref. 5) indica que
durante el sismo de San Fernando (1971) y
Northridge (1994) en EEUU., la aceleración pico
del terreno (PGA) de 1.0G y 1.8G no
generaron mayor daño estructural en las
áreas aledañas. El sismo de Nigata (2004) en
Japón con aceleración 1,7G en Tokamachi no
produjo mayor daño, y así se tienen muchos
casos de ocurrencias similares.
Es necesario que el DSBC sea incorporado en los
estudios de microzonificación sísmica, en las
normas técnicas de suelos y cimentaciones
y en el diseño sismorresistente de
edificaciones, a fin de reducir los altos niveles
de daños producidos actualmente por los
sismos, de esta manera será posible revisar y
reforzar los diseños de las edificaciones
existentes, sobre todo en Lima, lugar donde se
espera un sismo severo.
2. AMPLIFICACIÓN SÍSMICA DEL TERRENO
Los métodos analíticos utilizados para
estudiar la amplificación sísmica del sitio
con el objetivo de evaluar de manera
rigurosa el efecto del sismo, han sido
estudiados en el pasado, estableciendo un
apropiado registro tiempo-historia de
aceleraciones en roca basal para el
modelamiento de la respuesta dinámica (Ver
Cuadro 1), el modelamiento de la respuesta
dinámica (Ver Cuadro 1), el modelamiento
de la respuesta dinámica unidimensional y
aplicando el programa SHAKE (ref. 6),
PROSHAKE, SHAKE91 y SHAKE2000.
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3. El análisis 1-D permite estimar los esfuerzos
cortantes, las aceleraciones, velocidades y
desplazamientos horizontales inducidos por el
sismo. En el modelo del análisis dinámico 1- D,
las aceleraciones del sismo son asumidas que
se producirán en el basamento rocoso,
configurando una columna unidimensional
de suelo. A partir del basamento rocoso,
las ondas de corte horizontales se propagan
verticalmente y son reflejadas en la superficie
del depósito.
Las propiedades dinámicas de los materiales
que configura el perfil fueron estimadas de
los resultados de las pruebas de medición de
ondas superficiales de corte, Vs y las
características físicas del material de
fundación. (Ref. 7, 8 y 9). Las propiedades
dinámicas, como el módulo de corte y el
amortiguamiento, se estiman a partir de la
literatura técnica existente (Hardin, 1972;
Seed e Idriss, 1970; Seed et ál., 1984;
Vucetic y Dobry,1991), implementada en la
librería del PROSHAKE.
Las mediciones de los perfiles de velocidades
de ondas superficiales de corte se realizan por
el método de análisis multicanal de ondas
superficiales (MASW) (Park et al., 1999; Xia et
al., 1999; Miller et al., 1999). El método tiene un
análisis de procesamiento de generación
reciente, lo que resulta aún más fácil que
cualquier otro método, presentando ventajas
técnicas comprobadas. Se debe indicar que los
ensayos MASW al medir ondas de cortes
superficiales arrojan valores 30% menores,
comparados con los ensayos de refracción
sísmica, los cuales no serían precisos.
Los análisis de amplificación sísmica se han
realizado sobre depósitos de gravas con arenas
y limos, gradación variada, (GM, GW-GM, GP-
GM y SM), con partículas angulosas a sub
angulosas y bloques entre 4” a 7” de diámetro,
de reciente formación, ensayos de S.P.T. entre
10 y 35, con densidad suelto a medianamente
denso, con valores de velocidad de ondas
superficiales de corte Vs(30) con el ensayo
MASW entre 340 y 440 m/s. Los efectos
Cuadro 1: Registros de Sismos Representativos del Perú
Sismo (registrado) Aceleración Registrado Desplazamiento
Calculado
Periodo E.Fourier
(g) (cm) (seg)
Tarapacá 2005 (Arequipa) 0.13 3.0 <0.1
Pisco 2007 (Lima) 0.05 2.5 0.3-1.5
Arequipa 2001
(Moquegua)
0.30 5.0 0.4-1.0
Tarapacá 2005 (Moquegua) 0.05 0.3 0.1
Yurimaguas 2005
(Moyobamba)
0.14 7.0 0.3-4.0
Tarapacá 2005 (Tacna) 0.12 2.8 0.2-0.5
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4. de sismo de subducción (de períodos de
ondas cortas entre 0.1 y 1 seg) generan en el
terreno el fenómeno de resonancia sísmica,
amplificando las aceleraciones de 1.5 a 3.5
veces.
En depósitos de arenas y limos, (SM, ML, SP-
SM), de reciente formación, ensayos de S.P.T.
entre 4 y 30, densidad suelto a medianamente
denso, sin presencia de nivel freático, con
velocidades de ondas superficiales de corte
Vs(30), entre 200 y 270 m/s, bajo el efecto de
un sismo continental (de períodos de ondas
largas mayores a 1 seg), resulta en la
resonancia sísmica y la amplificación de los
desplazamientos de 1.2 a 2.2 veces (ver Foto 1
al 4). Las estructuras sobre este tipo de
suelo deben ser diseñadas realizando
algunas consideraciones especiales,
mejorando las condiciones de cimentación
considerando una mayor profundidad de
cimentación, remoción y reemplazo del suelo
superficial con suelos gravosos, y/o
reforzando el suelo superficial con capas de
geomallas. (Ref. 10 y 11).
En la Tabla 1 se presenta la relación que
existe entre las características del terreno de
fundación y la amplificación sísmica a
nivel de superficie de las aceleraciones y
desplazamientos producidos por las ondas
sísmicas al atravesar el depósito de suelo
(basado en los datos de la Ref. 1). Se ha
considerado la categorización del terreno de
fundación del IBC (2009), basado en los niveles
de niveles de daños generados en sismos
pasados en los EE.UU. los mismos que se son
esperados en futuros eventos. Resultado de las
relacionadas presentadas, se explica que los
altos niveles de daño correspondiente a suelos
blandos (tipo D) y muy blandos (tipo E) se
deben al efecto producidos por los
desplazamientos excesivos que ocurren
durante el sismo, variable que no ha sido
considerado por el IBC (2009) y menos por la
Norma Técnica Peruana de Suelos y
Cimentaciones y Norma Sismorresistente, por
ello, a manera de aporte se presentan las
recomendaciones correspondientes.
Foto 1: con cimentación piloteada al fondo y edificio colapsado con
cimentación superficial no soportó los efectos del excesivo desplazamiento
del terreno durante el sismo de Chile 2010
Foto 2.Desplazamiento excesivos del terreno durante el sismo que afectan
el adecuado comportamiento de la estructura, cuando no se cibsuderab kis
detakkes dek duseli de acyerdi ak efecto real del sismo. Sismo de 2010 en
Chile
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5. Foto 3: Evidencias de excesivos desplazamientos sobre losa de
cimentación muy superficial (diseño basado en modelo inercial, no
considera el efecto de los desplazamientos horizontales y verticales)
Foto 4: Excesivo desplazamiento horizontal del terreno generan fuerzas de
arranque en los pilotines
Velocidades de onda de corte, Vs(30) m/s
Tipo de Terreno IBC, 2009
E
S.Granular Suelto (SPT<15)
Arcilla Blanda (qu<1 kg/cm2)
D
S.Granular Medianamente
Denso (15<SPT<50) Arcilla
Rigida (1<qu<2 kg/cm2)
C
S. Granular Denso (SPT >50)
Arcilla Dura (qu>2 kg/cm2)
B
Roca Fracturada
180 360 750
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6. Nivel de Daño Esperado durante el sismo debido al Tipo de Terreno
Excesivo/Colapso
Desplazamientos excesivos
(d >10-15 cm).
Alto
Desplazamientos Altos (d>5-
10cm) Aceleraciones
(fuerzas inerciales) altos
Medio
Desplazamientos Bajos
(d<5cm) Aceleraciones
(fuerzas inerciales) altos
Bajo
Desplaz. muy Bajo (d<1cm)
Aceleracio nes Bajos
Comentarios y Recomendaciones a las Normas de Edificaciones
La NTP no considera el
comportam. deformac. Del
terreno. Se recomienda
cimentaciones profundas y/o
mejoramiento del terreno de
cimentación. Se recomienda
estructuras flexibles y/o
metálicas. Se recomienda
estudios y diseños
especializados.
La NTP no considera el
comportamiento
deformacional del terreno. Se
recomienda cimentaciones
superficiales reforzadas y
profundidad de cimentación
(2.5-4.5 metros) y/o
mejoramiento del terreno de
cimentación.
De acuerdo a la NTP debe
recomendarse el mayor
valor del parámetro de
suelo, S. Se recomienda
cimentación convencional
De acuerdo a la NTP debe
recomendars e el valor
intermedio del parámetro
de suelo,S.
Tabla 1: Relación entre el Tipo de Terreno, Daños Esperados en las Edificaciones y
Recomendaciones a las Normas de Edificaciones
Es importante resaltar el enfoque y la metodología deformacional aplicada para estudiar el
comportamiento sísmico del terreno y el efecto en las edificaciones. La aplicación del concepto
deformacional, debe ser extensivo al estudio del fenómeno de licuación sísmica de arenas sueltas y
saturadas y al efecto de ablandamiento cíclico de arcillas blandas, temas no considerados en el
presente trabajo.
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7. REFERENCIAS:
1. Ordóñez H. A. “Fundamentos del Sismo en el Terreno y las Estructuras”. V Congreso de
Ingeniería Estructural, Sísmica y Puentes”. ICG. Lima 22 y 23 de junio 2012.
2. Ordóñez H. A. “Diseño Sísmico Basado en el Comportamiento (DSBC) de Terraplenes y
Pavimentos”. IX Congreso Internacional de Obras de Infraestructura Vial & Expo Vial y
Transporte”, ICG. Lima 14 y 15 de setiembre 2012.
3. Kokusho T., Tsukamoto Y., Yoshimine M. “Performance-Based Design in Earthquake
Geotechnical Engineering from Case History to Practice”. CRC Press. 2009.
4. Newmark, N.M. “Effects of the earthquakes on dams and embankments”. Geotechnique, Vol.
15, No. 2, pag. 139-160. 1965.
5. Kokusho T. “PDB in Earthquake Geotechinical Engineering and Energy-Based Design”.
Proceedings of the International Conference on Performance-Based Design in Earthquake
Geotechnical ngineering”. 2009.
6. Schnabel P. B., Lysmer J., Seed H. B. “SHAKE: a computer program for earthquake response
analysis of horizontally layered sites”. University of California. 1972.
7. Japanese Society of Civil Engineers. “Dynamic Analysis and Earthquake Resistant Design”.
Volume 3. Dams, Nuclear Power Plants, Electrical Transformers and Transmission Lines,
Abovegroud Stotage Tanks and Piping. A.A. Balkema. 2001.
8. Kramer S.L. “Geotechnical Earthquake Engineering”. Prentice Hall. 1996.
9. Towhata I. “Geotechnical Earthquake Engineering”. Springer. 2008.
10. Tatsuoka F. “Recente practice and research of geosynthetic-reinforced earth structures in
Japan”. Tokyo University of Science, Japan. 2011.
11. The Japanese Geotechnical Society. “Geo-hazards during earthquakes and Mitigation
measures”. July 2011.
En: “VI Congreso Internacional de la Construcción & Expo de la Construcción” ICG.
Lima, 23 y 24 de Noviembre de 2012.
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