Aprende por qué el registro de aceleración es diferente a nivel de terreno y techo. ¿La respuesta dinámica en realidad será como la estimas durante el diseño estructural?



Figura 1. Edificio Holiday Inn, Los Angeles, EE.UU.


La figura 1 muestra algunos detalles desarrollados a partir de un registro de acelerograma. La parte izquierda muestra la aceleración del terreno junto con la velocidad y el desplazamiento del terreno derivado de ella. La parte derecha muestra la aceleración, velocidad y desplazamiento para el mismo evento en el techo del edificio ubicado donde se registró el movimiento. 

La data corresponde al edificio del Hotel Holiday Inn durante el terremoto de Magnitud 6.4, ocurrido en San Fernando, California, en Febrero de 1971. La edificación fue diseñada en el año 1965 por Rissman Associates y construido en el año 1966. Sus dimensiones en planta son 18.90 x 48.80 m. 

Se trata de un edificio aporticado de concreto reforzado, con 7 niveles y una altura total de 20 m ubicado a aproximadamente 8 km de la parte más cercana de la falla causante del movimiento y a 42 km del epicentro. 

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El sistema resistente a cargas laterales de cada dirección está formado por pórticos interiores losa-columna y por pórticos exteriores viga-columna. Con excepción de algunos pequeños marcos que soportan las escaleras y la caja de ascensores, la estructura es esencialmente simétrica como se puede observar en la figura 2:

Figura 2. Planta tipo del edificio Hotel Holiday Inn.

¿Por que son diferentes los registros en el techo y en el nivel del terreno del edificio?


Volviendo a la figura 1, podemos observar que los valores máximos de aceleración, velocidad y desplazamiento son mayores en los registros de techo, ya que ambas escalas verticales (izquierda y derecha) son iguales. 

Este aumento en la respuesta de la estructura a nivel del techo sobre el movimiento del suelo se conoce como amplificación dinámica. Depende mucho de las características vibratorias de la estructura y las frecuencias características de la sacudida del suelo en el sitio. 

Por lo anterior, no podemos dejar la configuración y dimensionado de los elementos estructurales “en manos” (¿o algoritmos?) de selección automática de un software, la configuración geométrica y dimensiones influyen directamente la respuesta dinámica de la estructura.

Debemos intentar "controlar" el comportamiento y la regularidad  de la estructura incluso iniciando con algunas reglas básicas de estructuración y predimensionado del edificio, que apunten hacia la respuesta dinámica y el comportamiento estructural que queremos procurar, no debemos agregar más incertidumbre a nuestros diseños por el desconocimiento en esta etapa.

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¿Además de la configuración y geometría, que más influye en la respuesta de la edificación?


A continuación te mostraremos otra variable muy importante que incide en la respuesta de la estructura, y su comportamiento durante un sismo. 

Como dato interesante, se tiene registro de que la edificación descrita en este post, experimentó los siguientes períodos de vibración: 0.53 seg antes del movimiento, 1.00 seg durante el movimiento y 0.64 seg después del movimiento. Los datos de antes y después corresponden a microsismos detectados por los instrumentos. 

¿Qué opinas de los períodos registrados? ¿Logras ver la información implícita? ¿Y cómo el movimiento afectó la vibración natural? 

Investigaciones indican que el edificio posee una frecuencia fundamental de 1.4 Hz, es decir un período aproximado de 0.71 seg, un valor parecido a cuando estimas rápidamente el período como el Número de niveles/10. 

Al comparar el período del modo fundamental (0.71 seg) con el período registrado durante el movimiento, se puede concluir que algo más está afectando la respuesta de la edificación, porque lo que se midió durante el terremoto de San Fernando (período de 1 seg) dista de lo que se ha estimado en un análisis dinámico de la estructura. 

Quizás estés pensando que la estructura pudo haber sufrido algún daño o degradación durante el evento sísmico, que modificara su rigidez y su comportamiento, pero…

Aquí viene algo clave, la estructura del Holiday Inn sufrió muy pocos daños estructurales en el sismo de San Fernando (1971), por lo que podría decirse que su respuesta fue prácticamente elástica, (no hubo cambio en su frecuencia natural). 

Lo que realmente influyó en su comportamiento dinámico fueron las ondas del terreno, que hicieron que no se cumpliera el supuesto fundamental en el que se basa el método modal espectral considerado en las normas de diseño sísmico, ya que no se apreciaron durante el sismo los períodos modales de la estructura.

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Para resolver esta incertidumbre se han desarrollado técnicas que estudian el efecto de la propagación de las ondas sísmicas dentro del edificio y su interacción con las características propias de la estructura. 

Con esta información presentada de manera muy superficial, quisiéramos generar conciencia y ponerte en perspectiva de los parámetros adicionales que podrían modificar los resultados del comportamiento de una estructura durante un evento sísmico. 

La información que debemos manejar como proyectistas es importante y evoluciona con los años, así que si aún no te sientes seguro de tus conocimientos, no esperes más y ponte manos a la obra en este momento. para que puedas a futuro, continuar tu formación en otras áreas, como la dinámica de suelos, que ha sido uno de los protagonistas en este post.

Además, hemos querido hacerte reflexionar sobre la necesidad de utilizar las herramientas computacionales, como lo que son, una herramienta de avance, de calculo rápido, que te permite analizar diferentes opciones y comparar resultados en sólo segundos, pero que nunca podrán sustituirte ni en la toma de decisiones, ni asumiendo por ti, tu responsabilidad legal como ingeniero.

Fuente de la información: 
  • NEHRP Recommended Seismic Provisions 2.015.
  • San Fernando, California, Earthquake of February 9, 1.971. Volume I, II y III. U.S. Department of Commerce.
  • Paper: Análisis de la respuesta sismica de un edificio de marcos de hormigón armado mediante la dinámica de propagación de ondas. Astroza, R. Saragoni, G.R. (2.008).


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