Comportamiento de elementos no estructurales durante sismos

Históricamente, los profesionales dedicados al estudio del daño sísmico se han enfocado en el desempeño de los sistemas estructurales y en las formas de mitigar el daño estructural, pero a medida que se buscan mejores desempeños sísmicos, y dada la lógica de la demanda pública por un mayor nivel de sismo protección, es importante comprender la importancia del daño a los componentes no estructurales. (FEMA 74, 1994).

El comportamiento de los componentes no estructurales, ante la oscilación de una edificación, provocada por un sismo, depende del terreno sobre el que se ubican, de las características del sismo y de las características dinámicas de la edificación. En general, la aceleración, la velocidad y el desplazamiento a nivel del suelo son diferentes de los de otros niveles del suelo.

También es necesario tener en cuenta la influencia que la masa del elemento no estructural puede tener en la respuesta dinámica del edificio, ya que la respuesta del edificio no es la misma por la presencia en el interior de una estructura baja debidamente anclada. objeto de masa (por ejemplo, un televisor). , que un tanque de almacenamiento de agua, en la terraza de un edificio de dos pisos.

En un edificio, podemos diferenciar claramente los elementos estructurales (figura 2.a), luego cuando está terminado con su contenido, sus anexos, sus servicios y utilidades o incluso identificados como elementos no estructurales (figura 2.b). En la mayoría de los casos, los elementos relacionados con los acabados van apoyados y/o fijados a la estructura.

2 COMPORTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES DURANTE TERREMOTOS

Figura 2.a Elementos estructurales

1 COMPORTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES DURANTE TERREMOTOS

Figura 2.b construir con acabados

Fuente del personaje: Introducción a la protección sísmica de elementos no estructurales en edificios

Varias características físicas hacen que los elementos no estructurales de los edificios sean particularmente vulnerables a los efectos de los terremotos. (R Villaverde, Análisis sísmico y diseño de elementos no estructurales). Una de estas características es que no están sujetos al movimiento del terreno generado por un sismo, sino a los movimientos amplificados generados por la respuesta dinámica del edificio, por lo que la respuesta de un elemento no estructural tiene características que no son comunes en los respuesta. de una estructura convencional.

Si una persona está sentada dentro de un vehículo en movimiento, cuando el vehículo se detiene repentinamente, la persona sentada sin cinturón de seguridad se deslizará fuera del asiento con riesgo de lesiones. Asimismo, durante un sismo, los objetos que no están fijados a la estructura pueden deslizarse, caer o chocar entre sí y pueden lesionar a las personas o al mismo tiempo el objeto caído puede bloquear los pasillos o la salida, afectando una posible operación de rescate.

M. Santosh Kumar (2017) afirmó que durante un terremoto, la aceleración será diferente según el nivel del suelo en el que se coloque un objeto en un edificio. Las extremidades idénticas colocadas en diferentes niveles del suelo experimentarán diferentes golpes. Por tanto, dependiendo del comportamiento del elemento estructural durante un sismo, se pueden clasificar en:

  • (i) Elementos sensibles a la fuerza
  • (ii) elementos sensibles al desplazamiento y;
  • (iii) Elementos sensibles tanto a la fuerza como al desplazamiento.

Los elementos sensibles a la fuerza son elementos pesados ​​y rígidos que se deslizan, balancean y caen durante un terremoto. La fuerza experimentada durante un terremoto por estos elementos aumenta a medida que se eleva el nivel del piso del edificio. Por ejemplo, estanterías de almacenamiento pesado cuyo vuelco puede provocar pérdidas económicas y humanas.

Los elementos sensibles al desplazamiento son aquellos elementos que se mueven u oscilan durante un sismo. Pueden impactar otros componentes no estructurales cercanos o romperse cuando se conectan a dos edificios adyacentes, como líneas de alcantarillado.

Este efecto físico se conoce como inercia, descrito por Isaac Newton como su primera ley, que establece que un objeto permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa actúe sobre él (en este caso, un terremoto), como puede ser se ve en el siguiente gráfico:

3 COMPORTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES DURANTE TERREMOTOS

Figura 2.1 comportamiento inercial.

(producción propia)

De acuerdo con la clasificación de Villaverde, analizaremos el comportamiento de los componentes arquitectónicos, los equipos mecánicos y eléctricos y los contenidos constructivos, ante la acción de fuerzas sísmicas.

Comportamiento de los componentes arquitectónicos externos

El riesgo de colapso estructural causado por un terremoto se ha reducido continuamente gracias a los avances en la investigación sobre la resistencia estructural de los edificios (Villaverde 2007; Lu et al. 2013a; Xu et al., 2013; Li et al., 2014a). , 2014b;). En terremotos recientes en varios países desarrollados (por ejemplo, la península de Noto en 2007, Christchurch en 2010 y Napa en 2014), el número total de edificios derrumbados y el número de muertes y lesiones asociadas con el derrumbe de edificios fue bastante bajo (Hamada et al. al., 2007; Kaisera et al., 2012; PEER 2014).

Por el contrario, los efectos causados ​​por la caída de componentes exteriores no estructurales de los edificios se han convertido en un importante problema de seguridad (Ellidokuz et al. 2005; Johnston et al. 2014). Por ejemplo, más del cincuenta por ciento de las lesiones sufridas en el terremoto de Northridge fueron causadas por la caída de objetos (Peek-Asa et al., 1998).

La caída de componentes arquitectónicos externos causó un número significativo de lesiones en los terremotos de Gujarat, Chi-Chi y Wenchuan (Roy et al., 2002; Chan et al., 2006; Qiu et al. 2010). Sin embargo, la investigación existente en esta área es limitada (Braga et al., 2011; Mahdavinejad et al. 2012), por lo tanto, se necesitan más estudios para predecir con precisión las probabilidades de riesgo de caídas debido a componentes externos no relacionados. .

La dificultad para obtener datos más precisos sobre el riesgo que presenta la caída de elementos arquitectónicos se debe a que la respuesta de estos elementos a la acción sísmica está en función de la intensidad del movimiento del suelo, lo que influye significativamente en la dinámica del terreno. comportamiento de la edificación, así como factores relacionados con el estado del elemento no estructural, su tipo de anclaje a la estructura y su altura.

De acuerdo con los estándares del Código Internacional de Construcción (ICC 2009) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) (ASCE 2010), los dos tipos más comunes de componentes arquitectónicos exteriores utilizados en los edificios son la mampostería pesada y las paredes divisorias. se informaron sobre la base de experimentos de laboratorio (Sucuoǧlu y Vallabhan 1997; Behr 1998; Memari et al. 2003) y se especificaron en códigos de diseño (CECS127 2001; JGJ133 2001; JGJ102 2003; ASCE 2010).

Comportamiento de los componentes arquitectónicos interiores.

Cuando el edificio se deforma, las columnas o paredes se desfiguran y quedan ligeramente fuera de escuadra, por lo que cualquier elemento divisorio unido rígidamente a la estructura también debe deformarse o cambiar en proporción. Los materiales quebradizos como el vidrio, los paneles de yeso y los revestimientos o revestimientos de mampostería no pueden tolerar ninguna deformación significativa, se agrietarán y, en el peor de los casos, fallarán. (FEMA 74, 1994).

En el terremoto de Guam de 1993, las paredes interiores de bloques de mampostería con clasificación de resistencia al fuego en los pasillos de salida de un hotel turístico se agrietaron ampliamente, provocando que se atascaran varias puertas cortafuego de metal en los pasillos. Los huéspedes del hotel tenían que caminar a través de paneles de yeso entre las habitaciones para salir del edificio, un proceso que tomó varias horas. Afortunadamente, el terremoto no provocó un incendio en el edificio y no hubo heridos graves. (EERI 1993).

Durante el terremoto de 1985 en Chile central, Calcagni (1988) reporta daños en los tabiques de mampostería de varios edificios (Mirador, Puesta del Sol, Plaza Mar, Coral, Tahití, etc.) ubicados en la ciudad de Viña del Mar.

Marcial Blondet, en el estudio realizado para la Universidad Católica del Perú, sobre el comportamiento de las edificaciones durante el sismo de Pisco 15 en agosto de 2007, informó que el tipo de ruptura más común observado en las casas de tapial se debió a la formación de grietas verticales en las esquinas de los muros frontales como consecuencia del movimiento sísmico, seguido del derrumbe de los muros en la calle y en ocasiones del derrumbe de la cubierta, por la ausencia de una viga superior que une todos los muros, lo que probablemente han sido útiles para evitar este tipo de deterioro.

Después del terremoto de L’Aquila en 2009, se presentaron alternativas para conectar paneles de revestimiento prefabricados basados ​​en el desempeño de estos sistemas diseñados y probados para disipar energía bajo acción sísmica (Iqbal et al. 2007, Shultz et al., 1994, Biondini et al. ., 2011).

Comportamiento de equipos mecánicos y eléctricos.

Se entiende por equipamiento mecánico y eléctrico los materiales y/o construcciones necesarios para la satisfactoria prestación del servicio, es decir, las instalaciones y equipos necesarios para la realización de una determinada actividad, por lo que las atribuciones afectan a la prestación del servicio. .

Los ascensores son uno de los sistemas mecánicos más importantes de los rascacielos en la actualidad, pero en la mayoría de los terremotos han sufrido daños importantes. Por ejemplo, daños observados en: Alaska 1964 (Ayres et al., 1973), San Fernando 1971 (Ayres and Sun, 1973), Loma Prieta 1989 (Ding and Arnold, 1990), Northridge 1994 (Gates and McGavin, 1998), Kobe 1995 (Wada y Kitamura, 1995), Chile Central 1985 (Monge, 1986). Entre las averías señaladas, el descarrilamiento de la cabina o contrapeso, desprendimiento de las masas de contrapeso, rotura de los raíles, daños en los anclajes y soportes de los raíles, daños en los elementos de tracción, daños en el motor, equipamiento de la sala y daños en el interior. puede mencionarse desde la cabina (Boroschek y Mata, 1999).

Todos los equipos mecánicos o eléctricos deberán estar debidamente anclados a la superficie sobre la que se apoyen, ya que, por el efecto inercial de la acción sísmica, pueden resbalar o caer y dañar el equipo, sus conexiones, así como poner en peligro a cualquier persona.

Durante el terremoto de Northridge, los equipos mecánicos y eléctricos correctamente anclados a los estándares sísmicos regionales funcionaron bien (Gates y McGavin, 1998).

Se prestó especial atención al equipamiento hospitalario, ya que se debe garantizar su continuidad de funcionamiento incluso después de un terremoto violento. Sin embargo, se han producido fallas en los equipos durante varios terremotos importantes (OPS, 1999).

Los equipos que dependen de sistemas de aislamiento debido a que experimentan vibraciones durante su funcionamiento, generalmente se comportan mal ante un sismo, ya que sufren grandes desplazamientos (Reitherman y Sabol, 1995, Gates y McGavin, 1998).

En todas las edificaciones y fundamentalmente en los establecimientos de salud, los ductos y tuberías deben mantener su funcionalidad después de un sismo, pero cuando las estructuras que soportan las tuberías se desplazan, suele haber una ruptura, especialmente en las tuberías de gas y agua potable, como se registró después el terremoto de Northridge de 1994 (Reitherman y Sabol, 1995).

Además, varias estructuras sufrieron daños en los sistemas contra incendios y en las tuberías de las instalaciones de aire acondicionado (Ayres y Philips, 1997).

comportamiento del contenido

Las observaciones posteriores al terremoto y la recopilación de datos tuvieron una fuerte influencia en la evolución de los requisitos de diseño sísmico para estos elementos. En la mayoría de los sismos, se ha demostrado que los elementos diseñados de acuerdo con las normas sísmicas funcionan mejor que aquellos en los que no se han tenido en cuenta las recomendaciones de las normas (Reitherman y Sabol, 1995).

Durante el terremoto de Northridge, la mayoría de los hospitales en el área afectada tuvieron que ser evacuados debido a daños en los sistemas de agua potable, fallas en los equipos de emergencia y cielos suspendidos (Hall, 1994; Hall, 1995). Para este mismo sismo, las pérdidas estimadas fueron de US$ 18.500 millones, de los cuales aproximadamente el 50% se debió a daños en elementos no estructurales (Kircher, 2003).

Por lo general, los componentes estructurales de un edificio comercial representan alrededor del 15-25 % del costo de construcción inicial, mientras que los componentes no estructurales (mecánicos, eléctricos, de plomería y arquitectónicos) representan el 75-85 % restante del costo. El contenido que pertenece a los ocupantes del edificio, como mamparas móviles, muebles, equipo de oficina o médico, representa un valor agregado significativo en riesgo. Cuando se comparan estos costos, queda claro que la mayor inversión de capital en la mayoría de los edificios comerciales se encuentra en los sistemas y contenidos no estructurales. Así, desde el punto de vista del capital invertido, la Figura 2.4 ilustra los porcentajes que corresponden a estructura, elementos no estructurales y contenido para hospitales, hoteles y edificios de oficinas (Taghavi y Miranda, 2002) y para edificios de hormigón armado (Kanda y Hirakawa , 1997).

4 COMPORTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES DURANTE TERREMOTOS

Figura 2.4 Costes típicos de inversión en diferentes tipos de construcción.

(fuente de caracteres Taghavi y Miranda, 2002)

primavera | carlos velasco

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