2.1. Mapa de peligrosidad sísmica. Aceleración sísmica básica

La peligrosidad sísmica del territorio nacional se define por medio del mapa de peligrosidad sísmica de la figura 2.1. Dicho mapa suministra, expresada en relación al valor de la gravedad, $g$, la aceleración sísmica básica, $a_b$ —un valor característico de la aceleración horizontal de la superficie del terreno— y el coeficiente de contribución $K$, que tiene en cuenta la influencia de los distintos tipos de terremotos esperados en la peligrosidad sísmica de cada punto.

La lista del anejo 1 detalla por municipios los valores de la aceleración sísmica básica iguales o superiores a $0,04g$, junto con los del coeficiente de contribución $K$.

2.2. Aceleración sísmica de cálculo

La aceleración sísmica de cálculo, $a_c$, se define como el producto:

$$a_c = S \cdot \rho \cdot a_b$$

donde:

• $a_b$ Aceleración sísmica básica definida en 2.1.
• $\rho$ Coeficiente adimensional de riesgo, función de la probabilidad aceptable de que se exceda $a_c$ en el período de vida para el que se proyecta la construcción. Toma los siguientes valores:
  • construcciones de importancia normal $\rho = 1,0$.
  • construcciones de importancia especial $\rho = 1,3$.
• $S$ Coeficiente de amplificación del terreno. Toma el valor:
  • Para $\rho \cdot a_b \le 0,1g$

    $$S = \frac{C}{1,25}$$

  • Para $0,1g < \rho \cdot a_b < 0,4g$

    $$S = \frac{C}{1,25} + 3,33 \left( \rho \cdot \frac{a_b}{g} - 0,1 \right) \left( 1 - \frac{C}{1,25} \right)$$

  • Para $0,4g \le \rho \cdot a_b$

    $$S = 1,0$$

siendo:

• $C$ Coeficiente de terreno. Depende de las características geotécnicas del terreno de cimentación y se detalla en el apartado 2.4.

2.3. Espectro de respuesta elástica

Esta Norma establece un espectro normalizado de respuesta elástica en la superficie libre del terreno (figura 2.2), para aceleraciones horizontales, correspondiente a un oscilador lineal simple con un amortiguamiento de referencia del 5% respecto al crítico, definido por los siguientes valores:

Si $T < T_A \qquad \alpha(T) = 1 + 1,5 \cdot T/T_A$
Si $T_A \le T \le T_B \qquad \alpha(T) = 2,5$
Si $T > T_B \qquad \alpha(T) = K \cdot C/T$

siendo:

• $\alpha(T)$ Valor del espectro normalizado de respuesta elástica.
• $T$ Período propio del oscilador en segundos.
• $K$ Coeficiente de contribución, referido en 2.1.
• $C$ Coeficiente del terreno, que tiene en cuenta las características geotécnicas del terreno de cimentación y se detalla en el apartado 2.4.
• $T_A, T_B$ Períodos característicos del espectro de respuesta, de valores:

  $T_A = K \cdot C/10$
  $T_B = K \cdot C/2,5$

Para algunas estructuras y modos de vibración con períodos superiores a 4 segundos, el proyectista podrá utilizar, siempre que lo justifique, valores espectrales menores de los predichos por las expresiones anteriores.

2.4. Clasificación del terreno. Coeficiente del terreno

En esta Norma, los terrenos se clasifican en los siguientes tipos:

• Terreno tipo I: Roca compacta, suelo cementado o granular muy denso. Velocidad de propagación de las ondas elásticas transversales o de cizalla, $v_s > 750$ m/s.
• Terreno tipo II: Roca muy fracturada, suelos granulares densos o cohesivos duros. Velocidad de propagación de las ondas elásticas transversales o de cizalla, $750$ m/s $\ge v_s > 400$ m/s.
• Terreno tipo III: Suelo granular de compacidad media, o suelo cohesivo de consistencia firme a muy firme. Velocidad de propagación de las ondas elásticas transversales o de cizalla, $400$ m/s $\ge v_s > 200$ m/s.
• Terreno tipo IV: Suelo granular suelto, o suelo cohesivo blando. Velocidad de propagación de las ondas elásticas transversales o de cizalla, $v_s \le 200$ m/s.

A cada uno de estos tipos de terreno se le asigna el valor del coeficiente $C$ indicado en la tabla 2.1.

Para obtener el valor del coeficiente $C$ de cálculo se determinarán los espesores $e_1, e_2, e_3$ y $e_4$ de terrenos de los tipos I, II, III y IV respectivamente, existentes en los 30 primeros metros bajo la superficie.

Se adoptará como valor de $C$ el valor medio obtenido al ponderar los coeficientes $C_i$ de cada estrato con su espesor $e_i$, en metros, mediante la expresión:

$$C = \frac{\sum C_i \cdot e_i}{30}$$

En los edificios con sótanos bajo el nivel general de la superficie del terreno, los espesores de las distintas capas para clasificar las condiciones de cimentación deben, normalmente, medirse a partir de la rasante.

En aquellos casos especiales en que resulte $C > 1,8$, el espectro de respuesta definido con las reglas anteriores puede no ser aplicable a las construcciones con período fundamental mayor de $T_B$. En este caso, para $T > T_B$ se tomará $\alpha(T) = 2,5$ a menos que se determine un espectro de respuesta específico del emplazamiento, cuyas ordenadas en ningún caso serán menores que las que se obtendrían con el procedimiento descrito en el apartado 2.3.

2.5. Modificación del espectro de respuesta elástica en función del amortiguamiento

Para valores del amortiguamiento de la estructura diferentes del 5% del crítico, los valores de $\alpha(T)$ para períodos $T \ge T_A$ se multiplicarán por el factor

$$\nu = (5/\Omega)^{0,4}$$

donde $\Omega$ es el amortiguamiento de la estructura expresado como porcentaje del crítico.

Para períodos $T < T_A$, las ordenadas espectrales se interpolarán linealmente entre los valores correspondientes a $T = 0$ y $T = T_A$.

2.6. Espectro de respuesta elástica para movimientos verticales

Cuando sea preciso considerar movimientos verticales, se adoptará un espectro de respuesta elástica cuyas ordenadas espectrales sean el 70% de los valores correspondientes a las del espectro para movimientos horizontales definido en 2.3.

Comentarios

C.2.1. Mapa de peligrosidad sísmica. Aceleración sísmica básica

La aceleración sísmica básica tiene dimensiones de aceleración. Si se desea obtener su valor numérico en m/s² puede multiplicarse el valor que se deduce del mapa en unidades de $g$ por 9,8, ya que se ha tomado $g = 9,8 \text{ m/s}^2$.

El cálculo de la peligrosidad sísmica se ha realizado en términos de intensidad E.M.S., a partir de los datos actualizados existentes en el catálogo sísmico del Instituto Geográfico Nacional. Para determinar la aceleración horizontal característica a partir de la intensidad E.M.S. se ha empleado la correlación:

donde $a$ viene expresada en gals (10^–2 m/s²).

El procedimiento de cálculo de la aceleración sísmica básica a través de la intensidad conduce a valores «regionales» de la aceleración promedio para los diferentes tipos de sismicidad y condiciones locales involucrados en los datos de partida. Es posible que ciertos terremotos particulares o ciertas condiciones locales hubieran requerido correlaciones específicas para obtener la aceleración sísmica básica.

Los valores de la aceleración sísmica básica corresponden a un período de retorno aproximado de 500 años. El período de retorno, $P_R$, no es un tiempo físico de recurrencia, sino que corresponde a una interpretación desde el punto de vista probabilístico y se asocia a un fractil de probabilidad dado en la distribución de probabilidad de las aceleraciones potenciales máximas (anuales). Dicho valor corresponde en este caso a una probabilidad de excedencia anual del dos por mil (1/$P_R$) de que la aceleración sísmica potencial (anual) sea excedida.

La aceleración horizontal correspondiente a un período de retorno $P_R$, se puede obtener en cada punto del territorio, de forma aproximada, multiplicando por ($P_R$/500)^0,4 el valor que se deduce del mapa de la figura 2.1 para dicho emplazamiento.

C.2.2. Aceleración sísmica de cálculo

La aceleración sísmica de cálculo, $a_c$, tiene —igual que la básica— dimensiones de aceleración.

El coeficiente $\rho$ expresa —para el rango usual de probabilidades de superación de las acciones sísmicas a considerar en el proyecto sismorresistente— valores proporcionales a las aceleraciones resultantes del cálculo de la peligrosidad sísmica.

El coeficiente $S$ tiene en cuenta la diferencia de la aceleración sísmica en superficie respecto a la de suelo duro, dependiendo de la existencia de capas de suelos blandos superficiales (Tabla C.2.1). Además, para aceleraciones bajas, la aceleración es generalmente mayor en la superficie de depósitos de suelos que en afloramientos de suelo duro o de roca (fenómeno de amplificación). Para aceleraciones altas (normalmente para $a_b \ge 0,4g$) esta tendencia no es clara e incluso se ha observado que se puede llegar a invertir, debido a comportamientos no lineales del suelo (fenómeno de desamplificación).

Las expresiones del articulado proponen que para una $\rho \cdot a_b \le 0,1g$, la aceleración sísmica en la superficie de los depósitos más blandos sea el doble que la aceleración en roca. Sin embargo, para una $\rho \cdot a_b \ge 0,4g$, se propone que la aceleración sísmica de cálculo sea igual en suelo que en roca. Para valores intermedios se interpola entre ambas.

Debido a que los valores de $a_b$ se asocian a un terreno duro (aproximadamente tipo II), el coeficiente $S$ produce una corrección en el producto $\rho \cdot a_b$, disminuyéndolo cuando el terreno es bueno y aumentándolo cuando es blando o muy blando.

C.2.3. Espectro de respuesta elástica

En esta Norma se define un espectro de respuesta de la aceleración absoluta en forma de un espectro normalizado de respuesta elástica, que pretende definir las características del movimiento sísmico en la superficie del terreno en campo libre. (La figura C.2.1 representa los espectros de respuesta elástica correspondientes a diferentes valores seleccionados de los coeficientes $C$ y $K$.) Para el cálculo, este espectro normalizado se deberá escalar a la aceleración sísmica básica y modificar, en su caso, en función del amortiguamiento —para poder considerar estructuras con índices de amortiguamiento respecto al crítico distintos al 5%— y del comportamiento por ductilidad, para tener en cuenta la capacidad de la estructura para soportar deformaciones plásticas.

El valor de la ordenada del espectro, $\alpha(T)$, representa el cociente entre la aceleración máxima absoluta de un oscilador elástico lineal ($S_a$) y la máxima aceleración del movimiento que se aplica en su base ($a$). Cuando la base del oscilador sufre un terremoto de aceleración máxima $a$, la respuesta del oscilador tiene una aceleración máxima $S_a = a \cdot \alpha(T)$, siendo $\alpha(T)$ una función del período propio del oscilador $T$.

La consideración completa de todos los factores que influyen en la forma y en las ordenadas del espectro de respuesta es muy compleja. En esta Norma se ha adoptado una formulación simplificada cuya precisión, en relación con los datos disponibles, se considera suficiente. El espectro se define en función del terreno de cimentación y de las características diferenciadoras de la sismicidad de la zona de Azores-Gibraltar, cuya influencia se introduce mediante los coeficientes $C$ y $K$, respectivamente.

En el rango de períodos de interés, para las construcciones más usuales, el espectro de respuesta elástica puede dividirse en tres tramos característicos:

• El tramo correspondiente a períodos altos ($T > T_B$), definido por una velocidad espectral constante, cuyo valor, en función de la aceleración sísmica, $a$, de la superficie del terreno es: $$S_{v,m} = 2,5a \cdot \frac{T_B}{2\pi}$$
• El tramo intermedio ($T_A \le T \le T_B$) definido por una aceleración espectral constante, fijada convencionalmente en 2,5 veces la aceleración de la superficie del terreno, o sea: $$S_a = 2,5a$$
• El tramo correspondiente a períodos bajos ($T < T_A$), transición entre $S_a = a$ para $T = 0$ y $S_a = 2,5a$ para $T = T_A$.

Los coeficientes $C$ y $K$ afectan al tramo del espectro en el que la velocidad espectral es constante (períodos altos); los suelos blandos y la mayor distancia epicentral amplifican la velocidad espectral de este tramo y desplazan hacía períodos mayores el valor $T_B$ en el que éste comienza.

El coeficiente $K$ tiene en cuenta la distinta contribución de la sismicidad de la Península y áreas adyacentes, y de la más lejana, correspondiente a la zona Azores-Gibraltar, a la peligrosidad sísmica en cada punto del territorio nacional. Sus valores se han calculado admitiendo que para la misma aceleración $a$, el valor de $S_{v,m}$ para los terremotos provenientes de la región central de la zona de Azores-Gibraltar es 1,5 veces mayor que el resultante para los terremotos de las restantes zonas sismogenéticas (continentales y marítimas colindantes).

Los valores de $K$ están comprendidos entre 1,0 —en los puntos en los que prácticamente toda la contribución a la peligrosidad sísmica procede de terremotos continentales o de áreas marítimas adyacentes—, y 1,5, en los puntos en los que la contribución a la peligrosidad sísmica procediera totalmente de terremotos de la citada región de Azores-Gibraltar.

Los valores de $K$ se han calculado de forma que la probabilidad de ocurrencia anual de la aceleración espectral (sin contar el efecto de suelo) sea idéntica en todos los puntos del territorio, independiente del tipo de terremoto predominante y del período que se considere. Los valores resultantes de $K$ para el territorio español están comprendidos entre 1,0 y 1,3.

El análisis de los espectros de numerosos terremotos reales ha puesto de manifiesto que para períodos altos, la velocidad espectral es menor que $S_{v,m}$, pudiendo considerarse en muchos casos, de forma simplificada, que el desplazamiento espectral es constante o, lo que es lo mismo, que la aceleración espectral es inversamente proporcional al cuadrado del período.

C.2.4. Clasificación del terreno. Coeficiente del terreno

El terreno se caracteriza por un valor numérico, $C$, función de las características de las diferentes capas que lo componen.

Para la clasificación de las distintas capas del terreno, en el articulado se utiliza la velocidad de las ondas elásticas transversales, $v_s$.

Para la determinación de los espesores de cada capa y para su clasificación aproximada, cuando no se disponga de determinaciones específicas de $v_s$, pueden emplearse los procedimientos descritos en la NTE-CEG, Cimentaciones: Estudios Geotécnicos. En los terrenos granulares, los ensayos de penetración estáticos o dinámicos; en los terrenos cohesivos, la resistencia a compresión simple y en todos ellos, la velocidad de propagación de las ondas elásticas longitudinales.

En muchos casos no será necesario que los reconocimientos del terreno alcancen los 30 m de profundidad, siendo suficiente determinar los espesores de las capas superficiales y la profundidad del techo del terreno de tipo I. En general, resultará suficientemente seguro suponer que el terreno no alcanzado en el reconocimiento no será peor que el más profundo del que se tenga información. Usualmente, una vez alcanzado el terreno tipo I, no es esperable la aparición a mayor profundidad de capas de terreno de los otros tipos. El conocimiento de la geología de la zona o los resultados de otros reconocimientos próximos serán particularmente aclaratorios en este sentido.

En caso de duda, y sobre todo con datos insuficientes, deben adoptarse los valores que correspondan del lado de la seguridad.

Los terrenos tipo I suelen poseer como características: velocidad de las ondas elásticas longitudinales mayor de 2.000 m/s, más de 50 golpes en el ensayo SPT normalizado al 60% de la energía de caída libre o una resistencia en punta del penetrómetro estático superior a 20 MPa (200 kp/cm²).

Los terrenos tipo II suelen poseer como características: velocidad de las ondas elásticas longitudinales mayor de 1.000 m/s, los granulares más de 40 golpes en ensayos SPT normalizado al 60% de la energía de caída libre o resistencia en punta del penetrómetro estático mayor de 15 MPa (150 kp/cm²). Los suelos cohesivos duros suelen tener resistencia a compresión simple superior a 500 kPa (5 kp/cm²).

Los terrenos tipo III suelen poseer como características: los granulares más de 15 golpes en ensayos SPT normalizado al 60% de la energía de caída libre o resistencia en punta del penetrómetro estático mayor de 6 MPa (60 kp/cm²). Los suelos cohesivos de consistencia firme a muy firme suelen tener resistencia a compresión simple superior a 200 kPa (2 kp/cm²).

Toda capa de terreno no clasificable como I, II o III debe tomarse como IV.

El espectro de respuesta que se formula en el apartado 2.3 se considera suficientemente aproximado para las condiciones más usuales del terreno, siempre que las formaciones de suelo sean extensas en planta en relación con las dimensiones de la construcción. Sin embargo, pueden existir algunos casos especiales en los que la aplicación de este espectro no sea adecuada, por ejemplo cuando existan capas de arcilla muy blandas o rellenos artificiales no compactados o cuando el espesor del terreno tipo IV sea elevado. Normalmente los espectros representativos de estas situaciones tendrán mayores valores de $S_a$ en los períodos próximos al período propio de la capa de terreno tipo IV. Por el contrario, determinados tipos de obras como algunas grandes construcciones de ingeniería civil, pueden requerir terrenos de cimentación de una «dureza superior» a la de los tipos establecidos en esta Norma, lo que posibilita también la adopción de otros espectros de respuesta elástica, que figurarán, en su caso, en las normas específicas correspondientes.

Para el análisis de licuación o licuefacción de los suelos susceptibles a la misma puede utilizarse el método detallado en C.4.3.1.

C.2.5. Modificación del espectro de respuesta elástica en función del amortiguamiento

Se entiende por amortiguamiento crítico el menor valor del amortiguamiento para el cual un oscilador lineal retorna —una vez desplazado— al punto de equilibrio sin sobrepasarlo y, por tanto, sin continuar la oscilación.

C.2.6. Espectro de respuesta elástica para movimientos verticales

El incremento de la carga vertical debido a la acción sísmica puede tener incidencia en elementos estructurales horizontales de gran luz, voladizos o vigas que soporten pilares. En el caso de elementos horizontales pretensados, una disminución de la carga vertical, originada por el sismo, podría llegar a dañarlos. En general, en edificios no es preciso tenerlo en cuenta.