Estudio de la respuesta sísmica de edificios mediante la dinámica de propagación de ondas

Abstract

En este trabajo se estudia la respuesta sísmica real de edificios instrumentados, ubicados en zona epicentral de terremotos de gran magnitud, a través del análisis de los acelerogramas registrados en diversos niveles de las estructuras. Se usaron prácticamente los únicos registros sísmicos que cumplían con estas características, que son los datos obtenidos en los edificios Holiday Inn (terremotos de San Fernando 1971 y Northridge 1994) y Bank of California (terremoto de San Fernando 1971), ubicados en Los Ángeles, CA, EEUU; y la estructura soportante de la caldera colgante de la C.T. Ventanas II (terremoto de Chile Central 1985) ubicada en Ventanas, Chile. Del análisis realizado a los registros sísmicos obtenidos en los edificios no se pudieron apreciar los períodos modales de las estructuras, supuesto fundamental en que se basa el método modal espectral considerado en las normas de diseño sísmico actuales, aún en los casos en que la respuesta de los edificios fue prácticamente lineal. Aplicando la técnica del odograma se identificó que los períodos presentes en los registros sísmicos eran producto de la propagación de ondas sísmicas al interior de los edificios, las cuales le imponían sus períodos y trayectorias a la estructura. Estas ondas corresponden a tres tipos: las tipo Rayleigh, las cuales se caracterizan por tener una trayectoria elíptica (retrógrada o prógrada) polarizada en un plano vertical y por propagarse verticalmente con una velocidad similar a la velocidad de onda de corte (Vs ) del suelo de fundación, las de Suelo, que tienen un movimiento acoplado en el plano horizontal y que representan liberación de energía mediante vibración libre del suelo y las de Rocking, que inducen un giro de cuerpo rígido en los edificios, y la magnitud de su efecto depende principalmente de la calidad del suelo y de la altura del edificio. Estos dos últimos tipos de ondas no inducen desplazamientos relativos importantes en las estructuras, por lo tanto no generan tensiones internas en los elementos estructurales, pero si son capaces de generar altas aceleraciones en los niveles de los edificios, las cuales influyen directamente en los elementos no estructurales sensibles a fuerzas inerciales. Además, se comprueba que las ondas tipo Rayleigh de baja frecuencia son capaces de generar desplazamientos relativos horizontales y verticales de manera acoplada, lo cual es especialmente crítico para las uniones de estructuras de marcos, mientras que las ondas tipo Rayleigh de alta frecuencia, al igual que las ondas de Suelo y de Rocking, generan altas aceleraciones en los niveles de los edificios. A partir de las características de las ondas identificadas, se proponen métodos para estimar las solicitaciones sísmicas sobre los edificios y sus elementos no estructurales. Para la estructura se presenta un método simple para calcular los desplazamientos relativos de entrepiso producidos por la propagación vertical de una onda tipo Rayleigh de baja frecuencia en función de las características de la onda (período, polaridad, amplitud máxima horizontal, amplitud máxima vertical y velocidad de propagación en la estructura), de las características de rigidez de la estructura y de la altura de entrepiso, para lo cual se asume que la onda tipo Rayleigh posee una trayectoria elíptica. Con respecto a las aceleraciones de piso se observa que para los edificios estudiados se cumple que la ubicación de los peaks de los espectros de respuesta de piso, al igual que para el nivel del suelo, coinciden con el período fundamental del suelo y de los períodos característicos de las ondas Rayleigh, es decir, no coinciden con los periodos modales de la estructura como debería esperarse si la respuesta fuera vibratoria. Se determinaron los espectros de respuesta en la base de los edificios y en los niveles superiores, en función de las propiedades de las ondas identificadas (tipo Rayleigh, de Suelo y de Rocking), las cuales se propagan en los edificios sólo variando su amplitud. A partir de este resultado y del estudio de la variación de las amplitudes de las ondas, se obtuvieron los espectros de respuesta de piso de los niveles superiores de la estructura en función del espectro de respuesta de la base de los edificios.