Impacto de Sismos en Estructuras: Conceptos Clave de Ingeniería Sísmica

Introducción a los Sismos y su Impacto en Estructuras

¿Qué es un Sismo?

Un sismo es un fenómeno de sacudida brusca de la corteza terrestre, producido por la liberación repentina de energía acumulada en forma de ondas sísmicas. Los sismos más comunes se originan por la ruptura de fallas geológicas. También pueden ocurrir por otras causas, como la fricción en el borde de placas tectónicas. La duración de un sismo es generalmente muy corta, típicamente entre 1 y 2 minutos como máximo.

¿Cómo Actúa un Sismo en los Edificios?

Un sismo llega a las estructuras en forma de acción dinámica transmitida por el suelo. El efecto principal es una vibración horizontal, que produce fuerzas horizontales proporcionales al peso de cada planta del edificio, usualmente entre el 5% y el 20% de dicho peso.

Conceptos Clave en Ingeniería Sísmica

Amortiguamiento

• Las estructuras reales poseen un cierto nivel de amortiguamiento.
• La frecuencia amortiguada es similar a la frecuencia natural de la estructura.
• El amortiguamiento de las estructuras reales suele estar en torno al 5% del amortiguamiento crítico, que es el nivel que no produce oscilaciones.

Resonancia

La resonancia se produce cuando un sistema es sometido a una fuerza dinámica cuya frecuencia es muy similar a la frecuencia natural de la estructura. En estas condiciones, los desplazamientos pueden aumentar enormemente, lo que incrementa significativamente el riesgo de colapso de la estructura.

Espectro de Respuesta Elástica

Para entender el comportamiento sísmico, se somete a varias estructuras de un grado de libertad (1GDL) con diferentes períodos naturales a la misma acción dinámica. La respuesta de cada estructura es distinta, presentando un valor máximo (que puede ser desplazamiento, velocidad o aceleración, habitualmente). Estos valores máximos se representan gráficamente en lo que se conoce como espectro de respuesta elástica.

Modos de Vibración

• Una estructura con n grados de libertad (nGDL) tiene n frecuencias propias de vibración.
• El movimiento complejo de esta estructura puede descomponerse en n movimientos más simples, cada uno correspondiente a una de las n frecuencias propias.
• A cada uno de estos movimientos simples se le denomina modo propio de vibración.
• El análisis modal permite estudiar el comportamiento global de la estructura a partir del comportamiento individual de cada modo de vibración.

Método Modal Espectral

El método modal espectral es una técnica utilizada para el diseño sísmico y se desarrolla en los siguientes pasos:

1. Se descompone la estructura original en n estructuras de un grado de libertad (1GDL).
2. A partir del espectro de respuesta elástica, se determinan las fuerzas máximas que el sismo puede producir en cada una de estas estructuras de 1GDL. Con estas fuerzas, se calcula la respuesta (esfuerzos y deformaciones) de cada estructura simple.
3. Finalmente, se obtiene la respuesta de la estructura completa combinando adecuadamente las respuestas de cada estructura simple.