Cargas sísmicas en edificios en Alemania

Artículo técnico

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DIN EN 1998-1 con el Anejo Nacional DIN EN 1998-1/NA especifica cómo determinar las cargas sísmicas. La norma se aplica a la ingeniería de estructuras en áreas sísmicas.

Las estructuras especiales tales como las centrales nucleares, las estructuras mar adentro y las grandes presas no se consideran en estas regulaciones [1]. El objetivo declarado de estas regulaciones es garantizar que, en caso de terremoto o sismo,

  • la vida humana está protegida,
  • los daños son limitados y
  • las estructuras importantes para la protección civil siguen siendo funcionales.

Un terremoto representa una acción en la estructura inducida por el suelo. Por lo tanto, la acción corresponde a un grupo de deformaciones o aceleraciones impuestas. Para combinar esta acción con otras acciones (carga impuesta, nieve, etc.) en situaciones de cálculo definidas según la norma combinada DIN EN 1990, la acción resultante de la actividad sísmica se clasifica como acción sísmica.

Requisitos funcionales

Las estructuras en zonas sísmicas deben cumplir ciertos requisitos en relación a la estabilidad y limitación de daños.

Respecto a la estabilidad estructural, se debe asegurar que el sistema estructural resiste el cálculo sísmico definido sin un colapso o desplome local o global, por lo tanto, manteniendo la integridad estructural y la capacidad de carga residual después de los eventos sísmicos. En este caso, el cálculo sísmico de referencia se debe determinar con un periodo de retorno de referencia de TNCR = 475 años [2]. Esto corresponde a una probabilidad de ocurrencia o superación del 10% en 50 años.

Además, con respecto a los daños límite, es necesario asegurar que se ha calculado y construido la estructura de manera que resista una acción sísmica con más probabilidad de que ocurra que la acción sísmica calculada, sin que ocurran daños y limitaciones asociadas de uso, los costes de los cuales podrían ser desproporcionadamente altos en comparación con la estructura en sí misma [1]. Sin embargo, este cálculo se omite en el Anejo Nacional alemán para acciones sísmicas.

La fiabilidad deseada para los requisitos de no colapso o desplome y para el requisito de la limitación de daños se implementa al clasificar las estructuras en diferentes clases de importancia. Se asigna un coeficiente de importancia γI a cada clase de importancia, lo que sirve como valor de modificación de la acción sísmica de referencia para determinar el el terremoto o sismo de cálculo [1]. La clase de importancia II corresponde con TNCR del sismo de referencia.

Categoría de importanciaEstructuraCoeficiente de importancia γI
IEdificios de menor importancia para la seguridad pública
(p. ej. edificios agrícolas, etc.)
0,8
IIEdificios comunes, no pertenecientes a las otras categorías
(edificios residenciales y de oficinas más pequeños, talleres, etc.)
1,0
IIIEdificios cuya resistencia sísmica es importante en vista de las consecuencias asociadas con el colapso o derrumbe
(grandes edificios residenciales, escuelas, salas de reuniones, centros comerciales, etc.)
1,2
IVEdificios cuya integridad durante los terremotos es vital
Importancia para la protección civil
(hospitales, instalaciones importantes de protección civil, departamento de bomberos, personal de seguridad, etc.)
1,4

Criterios de cumplimiento - Estado límite último

Para cumplir los requisitos funcionales definidos de un edificio bajo una acción sísmica, se debe comprobar el estado límite último y de servicio.

El estado límite último describe escenarios de colapso o derrumbe posibles u otros fallos estructurales del edificio considerado [1]. Para asegurar el cumplimiento, se debe asegurar la ductilidad en relación con los requisitos y la estabilidad estructural del edificio completo, incluyendo los componentes de cimentación y el suelo.

Sin embargo, el estado límite de servicio se centra en los daños que limitan el servicio [1]. Para garantizar la fiabilidad suficiente contra daños, se deben garantizar los límites de deformación relevantes. Además, los edificios importantes se deben calcular lo suficientemente rígidos para proteger a la población, proporcionando la resistencia para garantizar el funcionamiento de los servicios más importantes.

Ductilidad

En general, un sismo transmite energía a un edificio e induce vibraciones [2]. La oscilación correspondiente del edificio, así como la carga sísmica, depende de las propiedades del edificio. Con respecto a los sismos, es posible calcular los edificios de forma que puedan soportar fuerzas de acción relativamente altas con poca deformación elástica o fuerzas de acción más pequeñas con deformaciones plásticas más grandes. La segunda solución conduce a una disipación de energía considerablemente más alta, que requiere un cálculo físicamente no lineal del sistema estructural. En la práctica, el coeficiente de comportamiento q dependiente de una cierta clasificación de la ductilidad se usa para obtener el equilibrio entre la carga y energía de disipación [1]. Cuanto mayor sea la clase de ductilidad, menor será la carga sísmica equivalente. Al mismo tiempo, sin embargo, cuanto mayor es la clase de ductilidad, mayores son los requisitos de cálculo estructural para garantizar la ductilidad.

 Clase de ductilidad de la estructuraCoeficientes de comportamiento q
Comportamiento estructural de baja disipaciónDCL (bajo)≤ 1,5
Comportamiento estructural disipativoDCM (media)Componentes de hormigón según
DIN EN 1998-1, capítulo 5

Estructuras de acero según
DIN EN 1998-1, capítulo 6

Estructuras compuestas de acero y hormigón según
DIN EN 1998-1, capítulo 7

Estructuras de madera según
DIN EN 1998-1, capítulo 8

Estructuras de mampostería según
DIN EN 1998-1, capítulo 9
DCH (alto)

Acción sísmica

La norma de la protección contra los sismos describe los movimientos de la tierra que se producen en un cierto punto en la superficie de la tierra con un espectro de respuesta de aceleración de suelo elástica (también conocido como espectro de respuesta elástico). El espectro de respuesta elástico es idéntico con respecto a los requisitos establecidos para la estabilidad estructural y la limitación de daños.

Ya que la mayoría de las estructuras admiten una reacción no lineal para reducir la acción sísmica, es necesario una determinación no lineal para el cálculo [1]. Para simplificarlo, es posible determinar el comportamiento dúctil de los edificios con un cálculo lineal en la base de un espectro de respuesta elástico modificado con el coeficiente de comportamiento q. El espectro de respuesta modificado con q se denomina espectro de cálculo [1]. El coeficiente de comportamiento q está relacionado con un 5% del amortiguamiento viscoso de la estructura.

Figura 01 - Espectro de cálculo

IntervaloFunción del espectro de cálculo Sd(T)
0 ≤ T ≤ TBagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ [1 + T/TB ⋅ (2.5/q - 1)]
TB ≤ T ≤ TCagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2,5/q
TC ≤ T ≤ TDagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2,5/q ⋅ TC/T
TD ≤ TagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2,5/q ⋅ (TC ⋅ TD)/T2

Sd(T) = ordenada del espectro de cálculo
T = periodo de vibración de una oscilación lineal de una sola masa
γI = coeficiente de importancia
q = coeficiente de comportamiento
agR = aceleración máxima de referencia del suelo
TB, TC, TD = periodos de control del espectro de respuesta
S = parámetros del suelo

La aceleración máxima de referencia del suelo agR es un valor específico del lugar. El valor se obtiene de una evaluación de riesgo sísmico de la República Federal de Alemania. Dependiendo del peligro local, el país se agrupa en zonas sísmicas correspondientes desde 0 a 3. Dentro de cada zona, se supone que el peligro es constante y se ha clasificado con un valor correspondiente de la aceleración máxima de referencia del suelo agR [1].

Zona sísmicaValor máximo de la aceleración máxima de referencia del suelo agR en m/s2
0Sin especificar
10,4
20,6
30,8
N/ASin especificar

Figura 02 - Diagrama de las zonas sísmicas

Los periodos de control TB, TC, TD y el coeficiente del suelo S definido para el espectro de cálculo también son valores específicos del lugar y se basan en una combinación de la clase de cimentaciones del suelo y de la clase del subsuelo [1] presentes en el lugar de construcción.

Condiciones del sueloSTB en sTC en sTD en s
A-R1,000,010,202,0
B-R1,250,010,252,0
C-R1,500,010,302,0
B-T1,000,010,302,0
C-T1,250,010,402,0
C-S0,750,010,502,0

El suelo, que depende de las velocidades de la onda de cortante, se divide en las clases A, B y C [1]:

  • Tipo de suelo A
    • Rocas sólidas no erosionadas (frescas) con una resistencia alta
    • Las velocidades dominantes de la onda de cortante son más altas que aproximadamente 800 m/s
  • Tipo de suelo B
    • Rocas sólidas moderadamente erosionadas o rocas sólidas con baja resistencia
    • Suelo no consolidado de grano grueso (granular) o de grano mixto con propiedades de alta fricción en una consistencia densa o sólida (por ejemplo, roca suelta glaciar)
    • Las velocidades dominantes de la onda de corte oscilan entre 350 m/s y 800 m/s
  • Clase de suelo C
    • Rocas sólidas muy o completamente erosionadas
    • Suelo no consolidado de grano grueso (granular) o de grano mixto en suelo de densidad mediana o al menos en una consistencia rígida
    • Suelo de grano fino (cohesivo) con una consistencia al menos rígida
    • Las mediciones dominantes de la onda de superficie oscilan entre aproximadamente 150 m/s y 350 m/s

El subsuelo cambiante entre la roca y el sedimento se divide en los tipos de terreno R, T y S [1]:

  • Tipo de terreno R
    • Áreas predominantemente caracterizadas por rocas
  • Tipo de terreno T
    • Zonas de transición entre el tipo de terreno R y S, así como las áreas de las cuencas sedimentarias relativamente poco profundas
  • Clase de subsuelo S
    • Zonas con estructuras profundas de cuenca con relleno sedimentario grueso

Figura 03 - Diagrama de los tipos de terreno

Determinación del valor de aceleración máxima de referencia del suelo local y tipo de terreno

La herramienta de zonas geográficas para la determinación de cargas ubicada en el sitio web de Dlubal mapas de zonas de cargas de nieve, zonas de viento y regiones sísmicas incluye los requisitos de la norma así como las soluciones digitales de internet. Dependiendo del tipo de carga seleccionada (nieve, viento, acción sísmica o terremoto) y de la norma específica del país, esta herramienta determina los datos correspondientes basados en Google maps. Introduzca la ubicación, coordenadas geométricas o condiciones locales en la función de búsqueda para obtener los datos relevantes. Por lo tanto, la herramienta determina la carga o aceleración característica en esta ubicación por medio de la altura exacta sobre el mar y los datos de la zona introducida. Si no es posible definir la ubicación por medio de una dirección específica, puede ampliar el mapa y seleccionar la ubicación correcta. Cuando seleccione la ubicación correcta en el mapa, el cálculo se va a adaptar a la nueva altitud y se mostrarán las cargas actualizadas.

El servicio en línea está disponible en la página web de Dlubal en "Soluciones → Servicios en línea".

Al definir los parámetros...

1. Tipo de carga = terremoto
2. Norma = EN 1998-1
3. Nivel del mapa = zona sísmica o tipo de terreno
4. Anejo = Alemania | DIN EN 1998-1
5. Ubicación = Domkloster 4, Cologne

... se obtienen los siguientes resultados para la ubicación seleccionada:

6. Zona sísmica
7. Tipo de terreno
8. Información adicional, si se aplica
9. Valor de la aceleración máxima de referencia del suelo del suelo agR

Figura 04 - Servicio en línea de Dlubal

Palabras clave

Acciones sísmicas Carga sísmica Aceleración del suelo Cociente de fondo Clase de sustrato Tipo de terreno Zona sísmica Categoría de importancia Coeficiente de comportamiento Ductilidad Coeficiente de importancia de construcción

Referencia

[1]   Eurocódigo 8: Proyecto de estructuras sismorresistentes - Parte 1: Reglas generales, acciones sísmicas y reglas para edificación; EN 1998-1:2004/A1:2013
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 23. Auflage. Köln: Bundesanzeiger, 2018

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