Resonancia suelo-estructura y norma de construcción sismorresistente española (aplicado a pórticos de hormigón armado sometidos a terremotos de Almería)

Abstract

Este trabajo estudia el tratamiento que la Norma de Construcción Sismorresistente Española, “NCSE-02: Parte General y Edificación” (Ministerio de Fomento, 2002) y “NCSP-07: Puentes” (Ministerio de Fomento, 2007) hace del efecto de resonancia suelo-estructura, aplicado a los terremotos de Almería. Comparando el cálculo dinámico modal según la Norma y el cálculo dinámico transitorio no lineal de estructuras mediante acelerogramas de terremotos registrados en Almería, se pone de manifiesto las deficiencias existentes; deficiencias por otro lado previsibles, puesto que el análisis dinámico modal (con espectros de respuesta) es una simplificación, teóricamente del lado de la seguridad, para poder calcular estructuras con un nivel normal de conocimientos estructurales. En este trabajo se ha tratado el efecto de sitio desde el punto de vista tanto estático como dinámico, destacando la importancia de caracterizar un terreno dinámicamente. Estudios dirigidos por los profesores Pujades y Canas (Rodríguez, 2005), diversas tesis doctorales (Song, 2010; Carrasco, 2009; Trigo, 2007), estudios de riesgo sísmico urbano en España como SISMIMUR (Murcia, 2006), SISMOSAN (Andalucía, 2007), SISMILOR (Lorca, actualmente en desarrollo), etc., avalan la necesidad de analizar las características dinámicas de los suelos. Puede resultar mucho más determinante calcular su periodo predominante que su nivel de amplificación; dicho de otro modo, el efecto de sitio no consiste en decir que un suelo blando amplifica mucho una señal sísmica y uno duro no amplifica, sino que tan perjudicial puede resultar un suelo duro como uno blando, si sus periodos predominantes de vibración están cercanos al periodo fundamental de la estructura que cada uno sustenta. Por otra parte, como es lógico en la fase de diseño, la estimación del periodo fundamental de una estructura es crucial. Sin embargo, el periodo de vibración, aunque esté correctamente calculado a partir de la configuración geométrica de la estructura (matriz de rigidez, de masas, etc.), puede sufrir variaciones a lo largo de la vida útil de una estructura. Sin ir más lejos, la sobrecarga de uso tiene una naturaleza variable; la hipótesis sísmica considera que cuando se produce un evento sísmico, está actuando el 50% de la sobrecarga de uso. El valor real de sobrecarga de uso que esté gravitando sobre la estructura cuando llegue el terremoto, influirá en el periodo de vibración de la estructura en ese momento. El periodo aumentará cuanta más masa tenga, y aunque su aceleración espectral será menor al situarse en la rama descendente del espectro de respuesta, su acción sísmica puede ser mayor al tener más cantidad de masa. Otro factor importante es en la variabilidad del periodo fundamental de vibración de una estructura (de edificación en este caso) es la existencia de tabiques, cerramientos y particiones. Tradicionalmente, los programas convencionales de cálculo de estructuras estiman el periodo de vibración considerando sólo la configuración geométrica y las acciones gravitatorias. Los tabiques y cerramientos se modelizan sólo a nivel de cargas gravitatorias, pero no se tiene en cuenta su efecto arriostrante, y por tanto rigidizador. Este hecho hace que el programa de cálculo común estime periodos mayores que los reales. Incluso las normas sismorresistentes proporcionan expresiones para determinar el periodo fundamental de una estructura de una manera simplificada; estas expresiones raramente coinciden con los periodos que obtienen los programas de cálculo convencionales. Por ejemplo, la NCSE- 02 indica en su artículo 3.7.2.2. para edificios con pórticos de hormigón armado (sin colaboración de pantallas rigidizadoras), que el periodo fundamental puede estimarse como TF = 0.09· n, siendo n el número de plantas. Con esta expresión se obtienen valores de periodos inferiores a los calculados con los programas, si bien, más cercanos a la realidad. El periodo fundamental de vibración puede medirse exactamente sobre la cubierta de un edificio, mediante las técnicas de ruido ambiental (microtremor). Evidentemente la medición tiene lugar cuando el edificio ya está construido, pero puede compararse con la estimación que tuvo lugar en la fase de diseño del edificio. Existen estudios realizados con estas técnicas en la región de Murcia (Navarro y otros, 2007) y en Portugal (Oliveira y Navarro, 2009) en los que tras realizar un gran número de mediciones sobre edificios construidos de hormigón armado, llegan a la conclusión de que se puede estimar el periodo fundamental como TF = (0.054 ± 0.001)· n, siendo n el número de plantas. Aunque este periodo obtenido depende de las circunstancias de cada medición (las masas que en ese momento estuvieran gravitando sobre la estructura, nivel de compartimentación del edificio, temperatura, etc.), resulta ser del orden de la mitad al que se obtendría aplicando la expresión de la NCSE-02, y muy inferior al que calculan los programas convencionales. Una posible explicación para calcular con periodos superiores a los reales, es que cuando llega un terremoto a una estructura, dependiendo de la energía que le introduce el sismo, se pueden empezar a colapsar los tabiques y cerramientos, aumentando el periodo de la estructura, como reflejan estudios como el “Informe del Sismo de Lorca del 11 de mayo de 2011” (IGN y otros, 2011). Si llegaran a romperse todos los estos elementos no estructurales y no se produjeran daños en vigas y pilares, el periodo podría coincidir con el que calculó el programa convencional. Si el terremoto persiste, empezarían a producirse plastificaciones en los elementos estructurales dependiendo de su nivel de ductilidad, pero siempre a partir de este periodo. Pero en la realidad, esto no ocurre así, tal y como se refleja en el estudio anterior. Cuando llega un terremoto, los primeros elementos en romperse son algunos tabiques y cerramientos, pero no todos. Obviamente pueden producirse rótulas plásticas en elementos estructurales sin haber colapsado toda la tabiquería. Es decir, el periodo fundamental de vibración que inicialmente tiene una estructura (con sus tabiques) determina en gran medida el nivel de daños que puede llegar a sufrir. Esto tiene vital importancia cuando el edificio tiene un periodo real similar al del terreno, habiendo estimado uno completamente distinto en la fase de diseño. Los efectos de esta resonancia “no prevista” pueden ser catastróficos.