comportamiento sismico en estructuras
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JAIME SUAREZ DIAZ
erosion.com.co
Comportamiento sísmico de las estructuras
Visto por un ingeniero geotecnista
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cisco
San francisco 1906
Históricamente las estructuras han fallado por efecto de las fuerzas sísmicas
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Stanford University 1906
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Kanto Japon 1923 (M7.9)
Fallas relacionadas con la licuefacción del suelo
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Colapso del puente Nakazuno Niigata Japón 1948
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Niigata 1964
Se repitieron fallas similares a las de 1948
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Alaska 1964 La licuefacción puede activar deslizamientos
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San Francisco 1989
Los movimientos del terreno y particularmente los movimientos horizontales son los que causan la mayor parte del daño en un sismo. .
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Las ondas de corte (S) y las superficiales ( R y L ) causan el mayor daño a las estructuras debido a su alto potencial de generar aceleraciones horizontales. Las estructuras deben diseñarse para resistir la aceleración máxima horizontal (Cortante en la base de la estructura). Esta aceleración se expresa como un porcentaje de la aceleración de la gravedad (g).
Los mayores daños se producen cuando la aceleración horizontal es mayor de 0.3g
Ondas de cuerpo
Ondas superficiales
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Los daños se producen de acuerdo a las características de las estructuras , del suelo de cimentación y de las ondas sísmicas
Ejemplo : Kobe (Sismo de campo cercano)
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Los sismos no matan a las personas … Las estructuras sí………
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El diseño estructural y la normatividad sísmica juegan un papel determinanre en los daños y fatalidades relacionadas con los los movimientos sísmicos.
“Los que matan son los diseños inadecuados”
Una estructura bién diseñada puede resistir un sismo de gran magnitud
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Las grandes catástrofes sísmicas han ocurrido donde las construcciones no fueron construídas para resistir sismos.
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Cuando no hay suficiente refuerzo al cortante se puede producir el colapso de la estructura
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Ejemplo Haiti - 2010
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Número de muertos Haití: Más de 200 000 Chile: Más de 795 Número de edificaciones destruidas Haití: 280 000 Chile: 500 000
Por qué si el número de edificaciones destruídas fue mayor en Chile, hubo mas muertos en Haití………
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Antes
Después
Haití
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Deformaciones laterales : Marina District, San Francisco (1989). deformation.
Construcciones en madera y en mampostería (sin refuerzo estructural)
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Kobe, Japón (1995).
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En las construcciones de madera los códigos exigen que la estructura esté anclada a la cimentación y que se coloquen travesaños diagonales para asumir las fuerzas horizontales
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Los techos muy pesados facilitan el colapso Kobe
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Nueva Zelandia
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6 Oct 1997
9 Oct 1997
Los materiales tradicionales no-reforzados son muy vulnerables a la acción de las fuerzas sísmicas
Italia
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En las construcciones de mampostería los códigos exigen columnetas en concretro armado y amarre estructural de toda la estructura.
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FALLAS POR
FUERZAS DE
CORTANTE
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Falta de rigidez y/o refuerzo o confinamiento estructural
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Corte horizontal de estructuras
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Kobe, Japon 1995
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En las zonas de cambio de modulación estructural se concentran los esfuerzos de cortante Northridge, CA 1994.
Cambios de rigidez de la estructura (Incluyendo la mampostería)
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Story collapse of an apartment building in Kobe, Japan, 1995. A veces el efecto es de una construcción vecina
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Cuando los primeros pisos poseen muy poca rigidez estructural
La rigidez baja en los primeros pisos, utilizados como zonas comerciales, parqueaderos etc.
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Zonas comerciales libres en los primeros pisos
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Popayán
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Falta de rigidez estructural en una determinada dirección .
Falta de rigidez en una dirección
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urre Los edificios se diseñan
para una determinada frecuencia natural de vibración .
La resonancia ocurre cuando la estructura se bambolea en acorde con las oscilaciones de la onda sísmica.
Resonancia
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Las ondas de alta frecuencia predominan cerca a la zona de ruptura mientras las de baja frecuencia predominan lejos de la fuente del sismo. Sin embargo los suelos del sitio modifican los contenidos frecuenciales.
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Las réplicas también producen daños importantes Kobe -1995.
Observe la localización de las réplicas a lo largo de la falla (zona de ruptura)
Kobe
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Kobe (Ciudad muy cercana a la zona de ruptura)
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Las estructuras de baja altura tienen períodos naturales de vibracións cortos (0.05-0.1 seg) mientras las estructuras altas períodos de vibración mas largos. (1-2 seg).
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Resonancia Ciudad de Mexico -1985
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La amplificación de ondas de frecuencia media (1-2 s) causaron daño especialmente a las estructuras de altura de 10 a 14 pisos.
Ciudad de Mexico -1985
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La falta de confinamiento hace que la columna pueda panderase y colapsar. Ejemplo: Viaductos en el terremoto de San Bernardino 1971.
Falta de refuerzo de confinamiento
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Falta de confinamiento del concreto
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Hanshin Expressway Kobe Japan
Kobe - 1995
Falla tipo Jaula de pájaros
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Popayán
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Falta de refuerzo de confinamiento
Loma Prieta
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La colocación de mas refuerzo de confinamiento evita que las columnas se rompan.
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Mezcla de columnas cortas y columnas largas
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Algunas estructuras antiguas han resistido sismos gracias a su modulación Simetria y rigidez.
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Vulnerabilidad de una estructura a los movimientos sísmicos.
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La vulnerabilidad de una estructura a los movimientos sísmicos depende de muchos factores
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Hundimiento de las cimentaciones
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Los suelos granulares sueltos se pueden densificar por acción de la vibración sísmica y las deformaciones inducen problemas en las estructuras
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Z Estos movimientos puedes estar relacionados con
la licuación, con la pérdida de resistencia y/o con la densificación
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Z Fallas por disminución de la capacidad de soporte
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Desplazamientos horizontales por acción de la fuerza sísmica y la falta de empotramiento.
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Falta de empotramiento de la cimentación
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DESPLAZAMIENTO DE LA FALLA GEOLOGICA EN LA SUPERFICIE DEL TERRENO
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Fallas por cortante vertical
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Kobe, Japon 1995
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Aplastamiento de las columnas
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Comportamiento de los puentes
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Falta de elementos que impidan el desplazamiento de los apoyos
Ancho inadecuado de la silla de apoyo
Falta de anclaje entre la viga y el apoyo.
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Desplazamiento lateral de las pilas
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Movimiento lateral de las vigas
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Falla de los elementos de fijación de los apoyos
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Urakawa-oki Japón 1982
Falla al cortante o confinamiento de las columnas
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Falla al cortante
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LOMA PRIETA, I 80
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Chile
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Proceso de la falla
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Antes
Despues
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Falta de confinamiento
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Las fallas al cortante han generado cambios en los criterios de diseño
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Falla por fuerzas verticales
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KGO-TV News ABC-7
Loma Prieta, CA 1989
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3/29/2012
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Falla a compresión
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Asentamientos
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Falla de pilas de acero
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Comportamiento de otras obras de ingeniería
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Imperial Valley County, California. 1979
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CANALES
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FALLA DE MUROS DE CONTENCIÓN
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Incendios por redes de gas rotas y corto-circuitos
Efectos secundarios
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In many earthquakes most of the damage is the result of uncontrolled fires, such as during the Kobe 1995 event.
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Ruptured gas and water lines are a deadly combination for uncontrolled fires following major earthquake events. Flexible joints in pipes can substantially reduce joint failure of water mains and gas lines.
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Fire entirely destroyed many sections of San Francisco during the 1906 earthquake.
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INCENDIOS
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KGO-TV News ABC-7
Loma Prieta, CA 1989
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Personas sin hogar.
Efecto secundario
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Ejemplo Chile 2010
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Edificio Emerald
Pisos : 19
Aptos : 231
Observación: Edificio alto y muy angosto
![Page 188: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/188.jpg)
Observaciones: Falla de los Muros estructurales a nivel de la parte superior del sótano. (Modulación paralela para facilitar el parqueo)
Edificio Emerald
![Page 189: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/189.jpg)
Detalle de la falla de la estructura de los muros en el sótano. . La deformación principal es en dirección de l eje menor de las pantallas . (Ver lo delgados que son los muros)
Edificio Emerald
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Detalle de rotura de los muros en el sótano. Se observa rotura de los estribos. Observe el ancho de los muros para un edificio de 19 pisos en zona de amenaza sísmica alta. Observe el recubrimiento de concreto sobre los hierros.
Edificio Emerald
![Page 191: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/191.jpg)
Se observa un gran desplazamiento en dirección del eje menor de los muros.
El edificio tiene su eje mayor en la dirección del movimiento principal
Edificio Emerald
![Page 192: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/192.jpg)
Edificio Don Tristan
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El suelo no se hundió. Los muros fallaron en el primer piso
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Muros fallados
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Este es el tipo principal de falla. Observe la modulación paralela de los muros
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Defectos principales: 1. En la mayoría de los edificios fallados se habían acondicionado los muros en los primeros niveles para la adecuación de parqueaderos (11 de 24 edificios fallados)
Este defecto se llama: Primer piso blando
2. Los ganchos de confinamiento del concreto se colocaron a 90 grados abrazando el concreto sin confinarlo, en contra de las recomendaciones del ACI .
3. Los flejes no se rompieron. Simplemente se soltaron.
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Peter Yanev: En la última década, una arquitectura más imaginativa
y la presión de reducir costos resultaron en nuevos edificios con menos y más delgados muros de corte”
![Page 202: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/202.jpg)
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aAAAA “En Concepción (…) el 20% de los edificios de 15 o más pisos
(quedaron) dañados y sin arreglo. La mayoría de los edificios que fallaron eran nuevos; varios estaban aún a la venta.
![Page 203: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/203.jpg)
Ganchos a 90 grados contra ganchos a 135 grados
Norma a la cual se le permiten excepciones
![Page 204: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/204.jpg)
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Ingeniero Chileno afirma: Si un revisor se pone quisquilloso y encuentra defectos por aquí y por allá, no lo vuelven a contratar.
Falta supervisión en el armado de los ganchos
![Page 205: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/205.jpg)
En la mayoría de edicios fallados los estribos estaban doblados a 90 grados. En Chile se paga el doblado por kilo de hierro.
René Lagos señala que las especificaciones de la norma son un problema para las constructoras, porque se traducen “en un trabajo más lento que atenta contra las liquidaciones de fin de mes de los enfierradores”.
![Page 206: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/206.jpg)
Edificio Rio Alto
12 pisos
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El diseño era como una caja con estructura en muros delgados
![Page 209: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/209.jpg)
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Se observa la rotura de los muros. Aparentemente fallaron a tensión los refuerzos……
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Los análisis revelan fallas graves en el estudio y diseño
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![Page 211: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/211.jpg)
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Donde está el hierro de refuerzo de los muros delgados ?
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A 20 metros de distancia se observa un edificio que no falló. Los dos edificios fueron diseñados para espectros diferentes de acuerdo a norma chilena (Suelos tipo II y tipo III respectivamente.
![Page 214: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/214.jpg)
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Las cuantías de hierro muy por debajo de lo normal en Chile
![Page 215: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/215.jpg)
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Algunos constructores prefieren al ingeniero que diseñe con menos hierro
![Page 216: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/216.jpg)
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![Page 218: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/218.jpg)
Los códigos y el análisis se manipulan para bajar las cuantías de refuerzo
![Page 219: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/219.jpg)
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![Page 220: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/220.jpg)
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![Page 221: COMPORTAMIENTO SISMICO EN ESTRUCTURAS](https://reader030.vdocumento.com/reader030/viewer/2022020920/55721301497959fc0b916502/html5/thumbnails/221.jpg)
Edificio O HIGGINS
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Maqueta del edificio de 20 pisos en Concepción
La arquitectura también influyó en las fallas
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Construcción del edificio
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Construcción avanzada
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Edificio antes del terrremoto
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Antes del terremoto
Observe la volumetría en la parte alta del edificio
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Falla en la parte superior del edificio
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Vista de la falla
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Será que en los cambio de rigidez se concentran los esfuerzos y fallan la estructura……
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No se observan daños importantes en los primeros pisos
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aAAAA Falla en el nivel de cambio de rigidez
Tipo de falla similar al del edificio O HIGGINS
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Detalle de la diapositiva anterior
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Las construcciones antiguas son muy diferentes en Chile que en Haití
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Entrepisos principalmente de madera
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Y la falla de Puentes
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Falla al cortante en los apoyos de las placas o vigas
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Fallas por esparcimiento lateral del suelo en las pilas
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Antes del sismo
El puente viejo de Concepción
Después del sismo
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Gran cantidad de esparcimientos laterales, y fallas de terraplenes
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Si hay estructuras que se comportaron excelentemente son los muros en tierra reforzada