Viento y sismo, primos hermanos

Viento y sismo en las estructuras

Últimamente no paran de llegarnos noticias de terremotos en diferentes partes del planeta. Aunque en España no estamos tan acostumbrados como en otros países a experimentar estos terribles temblores, es una cuestión seria que como proyectistas no debemos pasar por alto.

El sismo no será tan común por aquí, pero del viento no nos podemos escapar ninguno. Y es que el efecto de la fuerza del sismo en las edificaciones es igual que el producido por el viento. Dicho así es difícil de creer, porque en publicaciones y normativa se tratan de forma independiente, pero tienen mucho más en común de lo que pensamos.

DIRECCIÓN Y NATURALEZA DE LAS FUERZAS

Cerca del epicentro del terremoto, pueden aparecer movimientos intensos en dirección vertical y horizontal, pero conforme nos vamos alejando del punto central, predominan los horizontales.
De la misma forma, la fuerza del viento actúa principalmente en dirección horizontal sobre la fachada de los edificios.

 

LA FUERZA DE INERCIA

Para visualizar bien lo que le ocurre a un edificio durante un sismo o un fuerte viento imagina que subes de pie a la parte de atrás de un todoterreno y de repente el conductor arranca. ¿Qué ha pasado? ¿Has sentido como si una fuerza invisible te empujara hacia atrás? Pues exactamente ese mismo efecto es el que experimentan los edificios en un sismo o durante una racha de viento.
Cuando se somete una construcción a un movimiento horizontal, se genera otra fuerza lateral como respuesta, de igual dirección y magnitud, pero de sentido contrario.

 

Esa fuerza de inercia es igual si se aplica en la base o si se aplica en la parte superior. Por ello, la fuerza que el movimiento sísmico ejerce en la base de las edificaciones es igual a la que se produce cuando un viento muy fuerte ejerce en la parte alta de nuestro edificio una fuerza del mismo valor.

Esa fuerza de inercia es igual a la masa del edificio por la aceleración producida por el sismo. Es decir, en el mismo terremoto no se van a comportar igual dos edificios, uno de hormigón y otro de madera. Si la masa aumenta, la fuerza que experimenta la construcción va a ser mayor. Por eso la ligereza es importante, y esta es la explicación de porqué los edificios de madera funcionan mejor en un sismo.

AMORTIGUAMIENTO Y DUCTILIDAD

Otro de los conceptos que debemos tener presente es el amortiguamiento. El viento y el sismo generan movimientos oscilatorios, pero no se mantienen para siempre, sino que van disminuyendo a causa de la fricción entre los elementos estructurales. Así se va disipando poco a poco la energía.
Para lograrlo, un parámetro muy importante es la ductilidad, capacidad de un sistema estructural de sufrir deformaciones considerables bajo una carga constante y sin manifestar grandes daños. Y es que esto es fundamental ya que el fin es evitar que el edificio se desplome durante el terremoto, permitiendo la evacuación de las personas sin tener que lamentar ninguna desgracia.

La solución es utilizar sistemas dúctiles, eliminando la posibilidad de que exista una rotura frágil, muchísimo más peligrosas al producirse el colapso de forma repentina.
Además, una unión dúctil absorbe energía y supone un elemento adicional de amortiguamiento, ayudando a mitigar los efectos del terremoto.

¿Cómo conseguimos la ductilidad necesaria para que nuestros edificios sean más seguros?
Las uniones metálicas son la clave, porque el acero en el que están diseñadas proporciona la ductilidad necesaria a los edificios de madera para resistir fuerzas de viento y sismo.

 

EL MÉTODO

Para dimensionar estas uniones es fundamental entender cuáles son exactamente los esfuerzos a los que está sometida nuestra estructura.
Además de estas cargas horizontales producidas por la naturaleza, la estructura está sometida a cargas verticales permanentes o variables (uso, nieve…) que ayudarán a equilibrar esos movimientos horizontales.
Las fuerzas laterales producidas por viento y sismo provocan dos efectos en las estructuras. Como ocurre en cualquier sistema estructural, las fuerzas deben estar equilibradas.

Por un lado aparecen unas fuerzas de cortante repartidas a lo largo de la base de la estructura de la misma dirección y sentido contrario a la fuerza de sismo o viento que se oponen a la fuerza que trata de hacer deslizar al edificio en horizontal.
Por otro lado, esta fuerza desestabilizadora provoca un momento de vuelco que es mayor cuanto más alta es la estructura y tiende a levantar el edificio del suelo. Este momento se equilibra con un par de fuerzas estabilizadoras en los extremos.

El siguiente esquema nos ayudará a tener claro su comportamiento.

 

La idea de someter la estructura a cargas gravitatorias y añadir cargas horizontales estáticas en los forjados similares al efecto de un sismo, como hemos hecho arriba, para poder llevarlo a la rotura plástica y encontrar así la capacidad última del edificio está recogida en el Eurocódigo (no en la norma sísmica española) bajo el nombre de Push-over.
Va haciendo colapsar el edificio poco a poco para ver la relación entre resistencia y deformación del edificio, es decir, su capacidad ante un sismo. Por supuesto, el método es bastante más complejo de lo que hemos abordado juntos, pero la idea de partida es la misma.

Ahora que tenemos claros cuáles son los esfuerzos, nuestras uniones deberán estar diseñadas para resistir el cortante y el momento de vuelco, independientemente de si son producidos por sismo o viento. Al concentrar estos esfuerzos en las uniones, después de un sismo podemos evaluar muy fácilmente los daños del mismo viendo la deformación de cada una de ellas, saber rápido si el edificio es seguro y reparar los puntos que sea necesario para ponerlo de nuevo en uso.

Como habéis podido leer, no estaba mintiéndoos al comienzo de este post y, para el cálculo de uniones en madera, el sismo y el viento son equiparables.

Por suerte, en nuestro país no estamos tan habituados a calcular para sismo, pero en ningún caso podemos olvidarnos del viento.
Espero que este post os haya ayudado a entender estos dos fenómenos mejor y a visualizarlos de una forma diferente a la hora de proyectar. Nos leemos en los comentarios.
Hasta pronto,

María

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3 thoughts on “Viento y sismo, primos hermanos

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