Análisis Comparativo de las Normativas de Diseño Sísmico para Edificaciones de Nicaragua y Costa Rica

Carvajal Soto, Luis Alejandro (2016). Análisis Comparativo de las Normativas de Diseño Sísmico para Edificaciones de Nicaragua y Costa Rica. Tesis (Master), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Análisis Comparativo de las Normativas de Diseño Sísmico para Edificaciones de Nicaragua y Costa Rica
Autor/es:
  • Carvajal Soto, Luis Alejandro
Director/es:
  • Benito Oterino, Belén
Tipo de Documento: Tesis (Master)
Título del máster: Ingeniería Sísmica: Dinámica de Suelos y Estructuras
Fecha: 26 Julio 2016
Materias:
Palabras Clave Informales: Normativa Sísmica, America Central
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Mecánica Estructural y Construcciones Industriales [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Ninguna

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Resumen

América Central es un territorio relativamente pequeño, conformado por 7 países cuya extensión total cubre un área de 498,533 km2. Por su tamaño, todo este territorio podría contar con una única normativa de diseño sísmico, que representara el esfuerzo individual que hoy se realiza en cada país, trabajando de manera conjunta. Un ejemplo de esfuerzo conjunto fue llevado a cabo entre los años 2007 y 2009 en donde expertos de la región trabajaron unidos bajo la dirección de la Profesora Belén Benito para la realización del Proyecto de Amenaza Sísmica de América Central (RESIS II), cuyos valiosos resultados han sido tomados como referencia para la realización de este trabajo. La amenaza presente en América Central es proporcionada para todos los países por fuentes sismogenéticas comunes, siendo las principales: La subducción de la Placa Tectónica de Coco por debajo de la Placa Tectónica Caribe, la Cadena Volcánica, así como por formaciones geológicas y fallamientos superficiales localizados de manera distribuida en cada territorio de la región. A pesar de su tamaño y la similitud sobre fuentes sismogenéticas, dentro de América Central existen diferencias en las normativas de diseño sísmico entre sus países, que resultan en divergencias significativas en las demandas de diseño de obras de infraestructura de un país a otro. Nicaragua y Costa Rica, ambos países de América Central, han sido históricamente afectados por terremotos muy destructivos que han ocasionado, en ambos países, grandes pérdidas humanas y económicas. Uno de los eventos sísmicos más marcados de la historia de Nicaragua fue el terremoto ocurrido en su capital Managua, la noche del 23 de diciembre del año 1972, borrando casi en toda su totalidad a la ciudad. En Costa Rica se destaca la ocurrencia del terremoto de Limón (zona caribeña de Costa Rica) en el año 1991 en donde la pérdida de obras de infraestructura generó un gran impacto en la economía del país. En este trabajo se realiza una comparación entre las normativas vigentes en Nicaragua y Costa Rica, ante los aspectos más influyentes en el cálculo de la demanda sísmica sobre las edificaciones, tales como: cargas inercialmente participativas, clasificación estructural según la importancia y ductilidad, clasificación de suelos y amenaza sísmica propiemaente dicha, con la respectiva elaboración de espectros de diseño sísmico. En el territorio nicaragüense, para un periodo de retorno de 500 años se identifican valores máximos de PGA en torno a 0.56 g, mientras en el territorio costarricense los valores más altos de PGA son levemente superiores a tal aceleración. A lo largo de su historia, Nicaragua ha contado con tres normativas sísmicas de diseño para edificaciones. La primera de ellas data del año 1973, la segunda de 1983 y la que actualmente está vigente fue elaborada en el año 2007. Transcurrieron 24 años desde la entrada en vigencia del pasado reglamento (RNC-83) para la elaboración y publicación del actual Reglamento Nacional de la Construcción RNC-07. Esta última normativa establece los requerimientos aplicables al diseño y construcción de nuevas edificaciones, así como la reparación y refuerzo de obras existentes, todo ello con los siguientes objetivos: - Evitar la pérdida de vidas y disminuir la posibilidad de daños físicos a personas. - Resistir seismos menores sin daños. - Resistir seismos moderados con daños estructurales leves y daños no estructurales moderados. - Evitar el colapso por efectos de seismos de gran intensidad, disminuyendo los daños a niveles económicamente admisibles. - Resistir efectos de vientos y otras acciones accidentales sin daños. En el territorio Nicaraguense se establecen, tres zonas con niveles de amenaza crecientes, para un periodo de retorno de 500 años. La zona A, situada hacia el caribe y parte norte del país, se caracteriza por tener un nivel de sismicidad relativamente bajo, con aceleración máxima del terreno (a0) igual a 0.1 g. La zona B se localiza en la zona central de Nicaragua y se caracteriza por presentar un nivel medio de sismicidad, en donde la aceleración máxima del terreno (a0) propuesta es igual a 0.2 g. Finalmente, la zona C, de alta sismicidad, situada en la costa pacífica del país, es influenciada por la actividad sísmica de subducción entre las placas tectónicas y la generada por el cordón volcánico presente en Nicaragua. Para esta última zona sísmica el RNC-07 propone una aceleración máxima de terreno (a0) igual a 0.3 g. Para considerar los efectos de amplificación sísmica debido a las condiciones locales el RNC-07 clasifica los suelos en cuatro tipos según la velocidad de onda de corte (Vs) que presenten. Considerando que en Nicaragua se establecen tres zonas sísmicas y tres categorías de suelos, así como cinco tipologías estructurales y cuatro factores modificadores por irregularidad; al combinar cada una de estas situaciones es posible generar 180 espectros de diseño con la misma forma espectral, de los cuales únicamente varían las amplitudes u ordenadas espectrales. Por su parte, Costa Rica a lo largo de su historia ha contado con cuatro normativas sísmicas de diseño para edificaciones. La primera de ellas fue elaborada en el año 1974, la segunda en 1986, la tercera en 2002 y finalmente la actualmente vigente fue elaborada en el año 2010. Cada una de las disposiciones contenidas en el Código Sísmico de Costa Rica 2010 es un requisito mínimo para lograr un adecuado desempeño ante los efectos sísmicos sobre las estructuras, en busca de los siguientes objetivos: - Proteger la vida humana y la integridad física de las personas. - Reducir los daños materiales y las pérdidas económicas ocasionadas por los seismos. - Minimizar el impacto social y económico ante terremotos. Los espectros de diseño sísmicos establecidos por el CSCR-10 dependen de la ubicación de la edificación dentro del mapa de zonificación sísmica de Costa Rica y del tipo de suelo donde se cimente la obra. La zonificación sísmica de Costa Rica propuesta está conformada por tres zonas sísmicas llamadas zonas II, III y IV, de orden creciente de amenaza, donde se establecen valores de aceleración pico efectiva (aef) en función de la zona y tipo de suelo donde se cimenta la edificación. El CSCR-10 establece factores espectrales dinámicos que son definidos para cada zona sísmica en los diferentes sitios de cimentación y para las distintas ductilidades globales. Por lo que, al establecerse en el CSCR-10 tres zonas sísmicas, cuatro tipos de suelos y cinco tipologías estructurales, resultan 72 combinaciones o posibles espectros para la determinación del factor espectral dinámico. Para determinar las variaciones (definidas en porcentaje) de los requerimientos plasmados en ambas normativas de diseño sísmico, ha sido necesario tomar una de ellas como base. Ambas normativas sísmicas de diseño exponen una filosofía y objetivos similares, principalmente orientados a la protección de la vida humana y reducción de daños materiales mediante un mejor desempeño estructural. Considerando que todos los requerimientos mínimos plasmados en ambas normativas conducen el cálculo estructural de una edificación al cumplimiento de objetivos, y al ser éstos muy similares entre sí, se facilita la comparación entre ambas regulaciones. Esta comparación y la determinación de la magnitud de las variaciones se realiza sobre los siguientes aspectos: - Sobrecargas de uso y participativas - Combinaciones de acciones - Clasificación estructural y factores influyentes en el cálculo de la acción sísmica - Espectros de diseño - Métodos de análisis - Límites de desplazamiento Del análisis de las comparaciones realizadas, se ha identificado que en las edificaciones de alta y mediana ocupación (tales como casas, apartamentos, hoteles, escuelas, universidades, hospitales, centros de salud, salas de archivo y lugares de espectáculo), las sobrecargas de uso mínimas establecidas por ambas normativas tienen valores idénticos. Sin embargo, las sobrecargas de uso participativas que actúan durante la acción sísmica, presentan valores extremadamente diferentes entre sí, encontrándose variaciones en la mayoría de los casos, superiores a 150% e incluso algunas veces mayores a 400%. Se han determiando grupos de combinaciones de acciones equivalentes, donde no existen diferencias entre ambas normativas de diseño. Sin embargo en otros se encuentran grandes discrepancias, del orden de -100% y 60%. Las mayores diferencias en estos últimos grupos radican principalmente en las acciones representadas por empujes laterales, las cuales no siempre son frecuentes en el diseño de edificaciones o bien no todos los elementos se ven afectados por tales acciones, mientras que para las acciones gravitacionales y sísmicas, que siempre están presentes, las diferencias son muy bajas. Tal como se indicó, el CSCR-10 establece para edificaciones de uso normal o especial un seismo fuerte con un periodo de retorno de 475 años, mientras que el RNC-07 define para estructuras de esta misma categoría un periodo de retorno de 500 años. Un periodo de retorno de 500 años, representa una sacudida sísmica ligeramente mayor que la correspondiente a un periodo retorno de 475 años. Conforme a las estimaciones realizadas, considerando el factor de importancia y la aceleración pico del suelo, se determina que la diferencia de considerar periodos de retorno de 475 años (punto de partida del CSCR-10) y 500 años (punto de partida del RNC-07) podría causar variaciones en la acción sísmica no mayores al 1.85%. La comparación entre estas dos normativas de diseño sísmico, en cuanto a las consideraciones de ductilidad e irregularidad, se realizó mediante la comparación de los correspondientes espectros de diseño. Se presenta en este proyecto una comparación a nivel de espectros elásticos (con factores modificadores de ductilidad e irregularidad iguales a uno), que son base para cualquier combinación posible. En Nicaragua, el Reglamento Nacional de la Construcción 2007 establece por separado los requerimientos de localización y tipo de suelo para la determinación de la amenaza sísmica, mientras que en Costa Rica, el Código Sísmico, toma ambos elementos de forma conjunta en un único parámetro. Por ello su comparación deberá realizarse considerando en ambas normativas el aporte conjunto de la localización y el tipo de suelo. Al comparar los mapas de amenaza sísmica de Nicaragua y Costa Rica, presentados en el Reglamento Nacional de la Construcción de Nicaragua y en el Código Sísmico de Costa Rica, resultan evidentes grandes discontinuidades en las zonificaciones sísmicas de ambos países, no existiendo una transición gradual a lo largo de la línea fronteriza y en las áreas aledañas. Ha sido necesario seleccionar las zonas sísmicas de Nicaragua y Costa Rica que presenten la mejor correspondencia, para proceder con ello a la realización de una comparación entre estas reglamentaciones en aspectos de localización y tipo de suelo. Esta selección de las zonas sísmicas con mejor correspondencia se ha realizado bajo el seguimiento de los siguientes aspectos: - Apreciación visual a nivel regional y a nivel de detalle de cada país de los resultados del estudio de Amenaza Sísmica en America Central (Benito et al , 2010) - Resultados de aceleración pico en roca obtenidos en el citado estudio en las capitales de ambos países: Managua y San José . - Valores de isoaceleraciones en roca obtenidas de cada país, usadas como información base para la definición de la zonificación sísmica planteada dentro de estas normativas de diseño. Cabe mencionar y destacar que las aceleraciones pico en roca para un periodo de retorno de 500 años presentadas por el estudio de la amenaza sísmica de América Central son 507 gal (0.516 g) para Managua y 513 gal (0.523 g) para San José, mientras que las obtenidas por medio de las isoaceleraciones en roca, presentadas como referencia para estas normativas, son 0.310 g y 0.375 g para Managua y San José respectivamente. Es notable una gran diferencia entre las aceleraciones pico en roca plasmadas por el estudio de la amenaza sísmica de América Central y las tomadas como base en estas dos normativas de diseño, presentado variaciones entre el 30% y 40%. Esto sugiere que es necesario realizar una cuidadosa revisión de las aceleraciones pico a considerar para la siguiente actualización de estas reglamentaciones. De los resultados comparativos obtenidos, se aprecia que para los grupos de zonas sísmicas correspondientes y para los tipos de suelo Tipo 1 (RNC-07) y S1 (CSCR-10), no existen diferencias entre ambas normativas de diseño. Sin embargo, en todos los demás tipos de suelos, si existen grandes discrepancias que van desde 36.4% hasta el 66.7%, siendo mayores las aceleraciones dadas por la normativa nicaragüense. Estas grandes variaciones se deben a que el Reglamento Nacional de la Construcción de Nicaragua expone valores de modificación para los suelos Tipo II y Tipo III muy superiores a los previstos implícitamente en el Código Sísmico de Costa Rica. Por otra parte, se ha realizado una comparación de los espectros elásticos de ambas normativas, resultando grandes diferencias, siendo notablemente mayores los de la normativa nicaragüense. Estas variaciones oscilan, en promedio, entre un 22% y 98% en edificaciones con periodos de vibración entre 0 y 2 segundos, las cuales son las más comunes en ambos países. Las diferencias se acortan para edificaciones más flexibles, con periodos de vibración mayores a 2 segundos, en donde las variaciones promedio se encuentran entre 10 y 35%. Con el propósito de lograr una comparación más detallada entre ambas normativas de diseño sísmico, se han elegido dos pares de sitios en donde se asume que se construirá una edificación típica con características idénticas en ambos países. Los sitios escogidos han sido los siguientes: - Sitios 1 y 2: Ubicados en San Carlos de Nicaragua (Sitio 1) y Río Frio de los Chiles de Costa Rica (Sitio 2). Estos sitios se caracterizan por estar situados en la Zonas B según el Reglamento Nacional de la Construcción (RNC-07) y la Zona II según el Código Sísmico de Costa Rica (CSCR-10) respectivamente. - Sitios 3 y 4: Ubicados en Peñas Blancas de Nicaragua (Sitio 3) y Peñas Blancas de Costa Rica (Sitio 4). Estos sitios se caracterizan por estar situados en la Zona C asignada por el Reglamento Nacional de la Construcción (RNC-07) y la Zona III asignada por el Código Sísmico de Costa Rica (CSCR-10), respectivamente. Estos pares de sitios seleccionados son de vital importancia para ambos países, ya que en éllos se ubican los dos únicos puestos fronterizos oficiales de tránsito de personas y de mercancías de comercialización. Ambos pares no sólo permiten el paso entre estos dos países, sino también entre toda la región de América Central. En cada sitio seleccionado se han hecho consideraciones de dos tipos de suelos soportantes diferentes, que corresponden a las clases II y III según el Reglamento Nacional de la Construcción (RNC-07) y sus equivalentes S2 y S3 según el Código Sísmico de Costa Rica (CSCR-10). El edificio cuya construcción se contempla tiene una estructura típica de 4 niveles de altura, conformado estructuralmente por pórticos de hormigón armado con cerramientos y divisiones internas de material liviano que no aportan resistencia lateral a la edificación. Para la determinación de las sobrecargas de uso y del nivel de importancia de la edificación se considera que esta estructura será utilizada como hotel, lo que significa una estructura de uso normal. Para fines de esta comparación, los parámetros evaluados y confrontados en cada sitio son las reacciones principales (acciones internas) sobre una serie de elementos estructurales seleccionados, donde estas reacciones resultan de la aplicación sobre toda la edificación de todas las acciones externas (acción permanente, sobrecargas de uso y la acción sísmica) y de su análisis dinámico en un modelo teórico estructural. De los resultados se observan variaciones en los valores promedio de diferentes parámetros, siendo siempre superiores los de las edificaciones calculadas con la normativa nicaraguense. Estas variaciones promedio son:  16% en la reacción axial en los pilares  entre 35% y 45% en el cortante en los pilares  entre 26% y 41% en el momento flector en los pilares.  entre 10% y 15 % en el cortante en las vigas  16% en el momento flector en las vigas. Es de destacar que las variaciones en las reacciones de cortante y momento flector en todos los pilares son muy superiores a las variaciones de estas mismas reacciones en los elementos tipo viga, debido a una mayor influencia de la acción sísmica sobre los pilares. De manera general, se ha determinado que entre estos dos países vecinos, que presentan niveles de amenaza muy similares debido a fuentes sismogenéticas comunes o de características similares, existen variaciones significativas en sus normativas de diseño sísmico, lo que justifica la necesidad de trabajar en un código sísmico regional que dé solución a todas las discrepancias presentes entre las normativas existentes en los países de Centroamérica.

Más información

ID de Registro: 43545
Identificador DC: http://oa.upm.es/43545/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43545
URL Oficial: https://indusnet.etsii.upm.es/gestion_escuela/personal/adjuntos/PFCs/14013.pdf
Depositado por: Luis Alejandro Carvajal Soto
Depositado el: 11 Oct 2016 10:09
Ultima Modificación: 11 Oct 2016 10:09
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