“Evaluación de la Vulnerabilidad Estructural en Edificaciones” Centro de Peritaje Consejo Departamental de Lima Colegio de Ingenieros del Perú
Expositor: Ing. Oscar Fernández Cruz
Ingeniero Civil Pontificia Universidad Católica del Perú Docente Universitario con cátedras ofrecidas en: Pontificia Universidad Católica, Universidad Ricardo Palma, Universidad San Cristóbal de Huamanga y Universidad Peruana de Integración Global. Docente del Curso de Titulación en Ingeniería Civil, Pontificia Universidad Católica del Perú. Docente Diplomado Residentes de Obra, SENCICO Miembro del American Concrete Institute (ACI). Capítulo Peruano. Miembro del Instituto de Construcción y Gerencia (ICG). Miembro de la Comisión Calificadora de Proyectos en la especialidad de Estructuras (CODEMU) del CD Lima CIP
Miembro del Centro de Peritaje del CD Lima CIP Director Gerente de CIEPSAT (Consultoría en Ingeniería Estructural: Proyectos, Supervisiones y Asesoría Técnica), habiendo realizado el diseño de las estructuras de edificios de hasta veintiún pisos y cuatro sótanos. Consultor independiente en estructuras con servicios a ASB Contratistas Generales EIRL, BINDA Ingenieros SAC, Inversiones ARISO SAC, Constructora e Inmobiliaria CDR SAC, entre otros.
www.ciepsat.com
Agradecimientos • • • • • • • • •
El expositor ha utilizado en la elaboración de las presentes diapositivas, con fines docentes, material de textos e internet de diversos autores. De manera muy especial, se agradece a: Ing. Ángel San Bartolomé Ramos Ing. Antonio Blanco Blasco Ing. Gianfranco Ottazzi Pasino Ing. Alejandro Muñoz Peláez Ing. Luis Zegarra Ciquero Ing. Carlos Casabonne Rasselet Dr. Jorge Alva Hurtado Ing. Julio Rivera Feijoó Dr. Carlos Zavala Toledo Se pide también disculpas por cualquier omisión involuntaria.
1.0 Concepto de Vulnerabilidad Sísmica Es el nivel o grado de daño que la edificación está expuesta a sufrir, cuando se encuentra sometida a la acción de un sismo. • Es inversamente proporcional a la capacidad sísmica con la que se encuentra construida. • Es variable con el transcurrir del tiempo.
1.1 Clasificación de la vulnerabilidad sísmica De acuerdo a las características de las componentes involucradas, realizamos la siguiente clasificación: Vulnerabilidad estructural. Vulnerabilidad no estructural. Vulnerabilidad funcional (administrativaorganizativa).
Vulnerabilidad estructural • El término estructural, o componentes estructurales, se refiere a aquellas partes de una edificación que la mantienen en equilibrio estable. Esto incluye cimentación, vigas, columnas, muros portantes, diafragmas (entendidos estos como los pisos y techos diseñados para transmitir fuerzas horizontales, como las de sismos, a través de las vigas y columnas hacia la cimentación). • Por consiguiente, la vulnerabilidad estructural se refiere a la susceptibilidad que la estructura presenta frente a posibles daños en aquellas partes que la mantienen en pie ante un sismo severo.
• Esto significa que el aspecto estructural debe ser considerado durante la etapa de diseño y construcción, cuando se trata de un nuevo edificio, o durante una etapa de reparación, remodelación o mantenimiento, cuando se trata de un edificio ya construido. • Por otra parte, en la planificación de un edificio nuevo, es necesario tener en cuenta que una de las mayores causas de daños en edificaciones han sido los esquemas arquitectónico-estructurales nocivos. Puede decirse de manera general que el alejamiento de formas y esquemas estructurales simples es castigado fuertemente por los sismos.
• De cualquier forma, dada la naturaleza probabilística de los sismos, así como la posibilidad de que se exceda el nivel de diseño, es aconsejable evitar el planteamiento de configuraciones riesgosas, independientemente del grado de sofisticación que sea posible lograr en el análisis de cada caso.
“Maravillas arquitectónicas” que pueden conducir a desastres estructurales
Vulnerabilidad no estructural • El término no estructural se refiere a aquellos componentes de la edificación que están unidas a las partes estructurales (tabiques, ventanas, techos, puertas, cerramientos, cielos rasos, etc.), que cumplen funciones esenciales en el edificio (gasfitería, calefacción, aire acondicionado, conexiones eléctricas, etc.), o que simplemente están dentro de las edificaciones (equipos, mecánicos, muebles, etc.); pudiendo así agruparlas en tres categorías: arquitectónicas, instalaciones y equipos.
• Un edificio puede quedar en pie luego de un desastre y quedar inhabilitado debido a daños no estructurales. Un estudio de vulnerabilidad no estructural busca determinar la susceptibilidad a daños que presentan estos elementos, los cuales pueden verse afectados por sismos moderados y por tanto más frecuentes durante la vida útil de la edificación. En cambio, los elementos estructurales se verán afectados frente a sismos severos y poco frecuentes. Por ejemplo, no basta con que un hospital simplemente no se caiga después de un sismo, sino que debe seguir funcionando como hospital. • Debido a la alta probabilidad de ocurrencia de los sismos que pueden afectar a los componentes no estructurales, es necesario tomar las medidas necesarias para proteger estos elementos.
Ejemplos de componentes no estructurales
Vulnerabilidad no estructural
Vulnerabilidad funcional o administrativo-organizativa • Este concepto se refiere, por un lado, a la distribución y relación entre los espacios arquitectónicos y los servicios de las edificaciones indispensables (por ejemplo, hospitales) y por otro a los procesos administrativos (contrataciones, adquisiciones, rutinas de mantenimiento, etc.) y a las relaciones de dependencia física y funcional. Una adecuada zonificación y relación entre las áreas que componen el establecimiento puede garantizar, no solamente un adecuado funcionamiento en condiciones de normalidad, sino también en caso de emergencia y desastres.
Vulnerabilidad administrativo-organizativa: ocupación de espacios, cerramientos, circulación
1.2 Factores que determinan la Vulnerabilidad Estructural Entre los importantes factores que determinan la vulnerabilidad estructural sísmica de una edificación, estableceremos los siguientes aspectos: Sitio y tipo de proyecto Configuración arquitectónica Configuración estructural Procedimiento constructivo
2.0 El Diseño Estructural Sismo-resistente Se entiende por Diseño Estructural al conjunto de etapas y procedimientos que desarrolla el ingeniero proyectista para determinar la forma, dimensiones y características detalladas de una estructura, es decir, la parte de una construcción que tiene por función soportar las diversas solicitaciones que se presentan durante las distintas fases de su existencia.
“Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para otra finalidad o función, que lleva, como consecuencia esencial, que la construcción mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo. La resistencia es una condición fundamental, pero no es la finalidad única. Ni siquiera es la finalidad primaria” Eduardo Torroja
Consideraciones básicas: • El diseño estructural no es un cálculo matemático exacto (interesan más el comportamiento y los modos de falla) • Las fuerzas de sismo deben tratarse con la misma importancia que las de gravedad (Fuerzas muy grandes con pequeña probabilidad de ocurrencia y durante tiempos muy cortos). • La forma estructural influye decisivamente en el comportamiento sísmico. • Se trata principalmente de evitar el colapso frágil de la estructura.
2.1 Etapas del Diseño Estructural 1. Estructuración 2. Análisis Modelación Determinación de las solicitaciones de diseño Determinación de las acciones de diseño sobre el modelo → Momentos flectores, fuerzas cortantes, desplazamientos. 3. Dimensionamiento
Modelación del efecto sísmico
Respuesta de los edificios a la acción sísmica
Resultados del análisis sísmico: Fuerzas, Momentos y Desplazamientos
“El Diseño Estructural es el arte de usar materiales que en realidad NO conocemos, para formar estructuras que en realidad NO podemos analizar, de manera que resistan cargas que en realidad NO podemos evaluar… y hacer todo esto de modo que el público no se dé cuenta de nuestra IGNORANCIA” (Dr. Roberto Melli Piralla)
2.2 Filosofía del diseño estructural sismo-resistente (Norma E-030, 2003) 1) Evitar pérdidas de vidas 2) Asegurar la continuidad de los servicios básicos. 3) Minimizar los daños a la propiedad. “Los sismos NO matan a la gente. Los edificios pueden matar a la gente si no se diseñan para soportar sismos”. (Dr. Javier Piqué)
Objetivos del diseño sismo-resistente (Norma E-030, 1997) 1) Resistir sismos leves sin daños 2) Resistir sismos moderados, considerando la posibilidad de daños estructurales leves. 3) Resistir sismos severos con la posibilidad de daños estructurales importantes, con una posibilidad remota de ocurrencia del colapso de la edificación.
Se reconoce que dar protección sísmica a todas las estructuras no es técnica ni económicamente factible. En concordancia: Principios para el Diseño: a) La estructura debe soportar sismos severos y NO colapsar ni causar graves daños a personas durante los sismos (estado último) b) La estructura debe soportar sismos moderados, experimentando daños aceptables (estado de servicio)
Antes y después del sismo de México 28/07/1957 (M =7.7)
Hotel Saada, antes y después del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960
Palacio Nacional de Haití, antes y después del sismo 12/01/2010 (M = 7.0)
Edificio “Alto Río”, antes del sismo Av. Padre Hurtado 776, Concepción, Chile. Sismo Chile, 27/02/2010 (M = 8.8)
Edificio “Alto Río”, después del sismo
Solicitaciones sísmicas de diseño y respuesta estructural Sismo de servicio: (Sismos leves y moderados) Aquel que puede ocurrir muchas veces durante la vida útil de la estructura. Se espera no experimentar daño estructural o que el nivel de daño sea pequeño, de manera que no se altere el normal funcionamiento. Sismo de diseño: (Sismo severo): Evento que ocurrirá por lo menos una vez durante la vida útil de la estructura. Se espera experimentar daño estructural moderado, sin llegar al colapso.
2.3 Requisitos fundamentales para un adecuado comportamiento estructural sismo-resistente 1. Resistencia (La estructura debe ser capaz de soportar el sistema de cargas verticales y horizontales, estáticas y dinámicas, que actúen sobre ella) 2. Rigidez (Los desplazamientos horizontales deben ser pequeños) 3. Ductilidad (Para que en determinadas zonas pueda tener un comportamiento inelástico, lo que significa fisuración, sin perder su resistencia ni que se produzca una falla frágil) (Se trata de buscar un comportamiento elástico durante sismos leves e inelástico durante sismos severos)
Para que la estructura sea rígida: El proyecto arquitectónico debe permitir ubicar muros de corte (de Concreto Armado o Albañilería Confinada, que limiten los desplazamientos laterales) Para que la estructura sea dúctil: Se deben cumplir las exigencias de la Norma de Concreto Armado, especialmente los artículos referidos al Diseño Sismo-resistente. Esto trata principalmente del tipo de estribos, su espaciamiento, longitudes de anclaje, longitudes de traslape y detalles sobre la colocación de las armaduras dentro de las vigas.
1. Acerca de la Resistencia: Debe existir resistencia sísmica por lo menos en dos direcciones perpendiculares. Deben existir líneas sucesivas de resistencia (Ventaja del sistema dual Pórticos-Muros de Corte) Deben existir trayectorias continuas para las cargas, desde su punto de aplicación hasta su punto final de resistencia.
Sistema estructural con dos direcciones perpendiculares de resistencia sísmica
Líneas sucesivas de resistencia
Necesidad de trayectorias continuas para las cargas
Edificio informal de siete pisos, que originalmente fuera de tres
2. Acerca de la Rigidez: Es importante proporcionar elementos que resistan fuerzas horizontales sin deformaciones importantes (¡Placas!) Antiguamente se consideraba el criterio de diseñar estructuras flexibles sobre suelo rígido, y estructuras rígidas sobre suelo flexible (para alejar sus frecuencias de vibración). Hoy esto se considera obsoleto y se exige siempre RIGIDEZ.
Debe controlarse la deriva en ambas direcciones perpendiculares principales
Colapso por ausencia de rigidez lateral
• El concepto de resonancia mecánica llevó a pensar en la conveniencia de distanciar los períodos del suelo y la estructura aún a costa de flexibilizar las edificaciones. Actualmente, esto no se considera adecuado.
3. Acerca de la Ductilidad: Las estructuras deben ser capaces de ingresar a una etapa plástica, sin perder su resistencia y sin llegar a la falla. Se debe prevenir la formación de rótulas plásticas en elementos que afecten menos la estabilidad de la estructura (antes en vigas que en columnas). Deben existir conexiones entre elementos, que permitan desarrollar la ductilidad. Deben existir adecuadas longitudes de anclaje Considerar que la falla por corte es frágil y causa pérdida repentina de resistencia sin suficiente disipación de energía.
2.4 Concepto de Seguridad Sísmica Ante eventos sísmicos severos, se apela a la ductilidad de la estructura para reducir las fuerzas laterales elásticas y llevarlas a niveles de diseño compatibles con la economía y la factibilidad. → Se trata de conseguir un modo de falla dúctil, con capacidad de disipar energía.
El objetivo de esta filosofía es diseñar edificios razonablemente económicos, pero seguros, aún a costa de admitir que la acción de un sismo severo sea mayor a la acción de diseño.
Comportamiento súper dúctil en columnas de edificio
Sismo Northridge Los Angeles, U.S.A. 17/01/94 (M = 6.7) Edificio de estacionamientos Cal State Campus 03 pisos, Prefabricado
2.5 Principales sistemas estructurales utilizados en nuestro país • Se describen a continuación, los principales sistemas estructurales utilizados en nuestro medio, poniendo especial énfasis en los tres principios fundamentales de la ingeniería estructural sismo-resistente: I. Resistencia: Control de esfuerzos actuantes II. Rigidez: Control de deformaciones y desplazamientos. III. Ductilidad: Capacidad de deformación sin colapso, sin degradación significativa de la capacidad resistente y con disipación de energía.
Sistemas Estructurales y Ductilidad Estructural • Cuando se encuentra en la etapa de concepción de una estructura, el equipo de diseño debe decidir el tipo de sistema estructural a utilizar para resistir el efecto de los sismos. Se puede elegir entre varios sistemas que resultan flexibles o rígidos.
• Los sistemas flexibles tienen la ventaja de que se diseñan para fuerzas de sismo menores, pero presentan el inconveniente de que se requiere ser muy riguroso en el detalle estructural de los diferentes elementos. Además, por su flexibilidad pueden presentarse grandes desplazamientos que pueden causar la interacción entre elementos estructurales y no estructurales y provocar daños. • En el caso de una estructura rígida las fuerzas de diseño son mayores, la ductilidad de la estructura es menor, el detallado de los elementos no es tan riguroso y se minimiza la posibilidad de interacción con elementos no estructurales.
1. Edificio aporticado (vigas y columnas de C⁰A⁰)
2. Aporticado con muros (tabiques) de relleno
3. Edificios de Albañilería
4. Mixto I (Pórticos y Albañilería)
5. Mixto II (Pórticos y Muros Estructurales)
Edificio Residencial Balta • Tres sótanos y diecisiete pisos • Arquitectura : Edgardo Flores Díaz, Carlos Romero Luna y Percy Vivas V. • Estructuras : Oscar Fernández Cruz • Ubicación : Malecón Balta 780, Miraflores. • Área : 8622.85 m2
6. Sólo Muros Estructurales
Edificio Residencial Alexander • Dieciocho pisos (muros de concreto armado) • Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y Percy Vivas Vélez • Estructuras : Oscar Fernández Cruz • Ubicación : Av. Alberto Alexander 22632267, Lince. • Área : 6858.21 m2
7. Edificios de muros de ductilidad limitada
8. Sistema dual (muros estructurales y pórticos)
Edificio Residencial Pardo II • Cuatro sótanos y veintiún pisos • Arquitectura : Edwin Colonia Villarreal y Carlos Romero Luna • Estructuras : Oscar Fernández Cruz • Ubicación : Av. Pardo Nº 1001 (Esquina Av. Pardo y Calle Ramón Zavala) Miraflores. • Área : 8331.91 m2
Edificio Residencial Pardo I • 03 sótanos y 16 pisos • Arquitectura: Edgardo Flores Díaz y Percy Vivas Vélez • Estructuras: Oscar Fernández Cruz • Ubicación: Óvalo Pardo, (Av. Pardo Nº 1085) Esq. Av. José Pardo, M. Napanga y A. León, Miraflores • Área: 10297.40 m2
Edificio Casa Club Pardo • 04 sótanos y dos torres de 21 y 15 pisos • Arquitectura: Edgardo Flores Díaz y Percy Vivas Vélez • Estructuras: Oscar Fernández Cruz • Ubicación: Av. José Pardo 932-935, Miraflores. • Área: 15663.60 m2
9. Edificios de losas sin vigas
Requisitos para edificios de losas planas sin vigas 1) Máximo 05 pisos, sin exceder los 18 m de altura. 2) Muros estructurales capaces de tomar el 80 % del cortante sísmico. 3) Vigas peraltadas en todo el perímetro 4) La deriva máxima de entrepiso no debe exceder de 0.005 5) Para análisis sísmico se considerará como viga una franja de columna en cada dirección. 6) En caso de tener losas nervadas: i) Se usará losa maciza alrededor de columnas y muros ii) Se usará losa superior de 50 mm de espesor
2.5 Características básicas para un Sistema Estructural Sismo-resistente
I. II. III. IV. V.
En general, independientemente del sistema estructural empleado, puede evaluarse las características sismo-resistentes de una edificación, con el siguiente cuestionario: ¿La estructura es estable ante cargas laterales? ¿La estructura es liviana? ¿La estructura es regular en planta y en altura? ¿La estructura es rígida? ¿La cimentación es compatible con el suelo?
VI. ¿La edificación tiene un sistema estructural apropiado? VII. ¿La edificación está construida con materiales competentes? VIII.¿La edificación presenta buena calidad de construcción? IX. ¿La estructura tiene capacidad de absorber y disipar energía? Si se contestan afirmativamente estas preguntas, es probable que la estructura tenga un grado de sismo-resistencia adecuado. De lo contrario, es probable que sea vulnerable ante eventos sísmicos.
I. ¿La estructura es estable ante cargas laterales?
• Aunque a simple vista una edificación parezca sólida, o el simple hecho de haber sobrevivido muchos años, no implica que la estructura sea verdaderamente estable ante cargas laterales significativas. La estabilidad de la estructura está relacionada con aspectos que incluyen la capacidad de la cimentación para resistir empujes horizontales bajo cargas dinámicas.
Edificio de 13 pisos en Shangai, con cimentación sobre pilotes
Secuencia del colapso del edificio
II. ¿La estructura es liviana?
• Las cargas sísmicas son fuerzas inerciales, es decir, dependen de la masa de la edificación, puesto que son precisamente la combinación entre la masa de cada nivel y su respuesta diferencial ante la aceleración del suelo impartida por el sismo, lo que resulta en fuerzas relativas que pueden causar daño, colapso parcial o total. Así, a menor masa, menor solicitación inercial.
Estructura con masa concentrada en nivel superior: comportamiento de péndulo invertido (Le Corbusier)
Colapso de autopista elevada de Kobe, sismo 1995
Restaurant La Réserve, antes y después del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960
III. ¿La estructura es regular en planta y en altura? • Las irregularidades en planta o en altura, en términos de masa, resistencia o rigidez, pueden ocasionar concentraciones de esfuerzos, o desviaciones entre los centros de masa y rigidez, que ponen en peligro la integridad de la estructura.
Torsión en planta en edificio de esquina
Irregularidad en planta: Mal comportamiento sísmico de planta en “L”
Edificio con escalonamientos: Cambio abrupto de la resistencia y rigidez con la altura
Ampliación sin continuidad vertical
Proporcionalidad: Edificio de albañilería demasiado esbelto (H/B > 4) →Efecto de compresión en talones de muro
IV. ¿La estructura es rígida? • Aunque la estructura sea estable y de forma regular, la deformación total ante cargas laterales depende en gran medida de su rigidez. A menor rigidez, mayor deformación; y a mayor deformación, mayor probabilidad de daños.
Edificación con pórticos en una sola dirección
V. ¿La cimentación es compatible con el suelo? • El suelo debe ser compatible con el tipo de cimentación empleado. Así por ejemplo, un suelo blando puede no ser compatible con cimentaciones superficiales aisladas convencionales y un suelo rígido no requiere de cimentaciones profundas. Así mismo, existen taludes que pueden fallar como un conjunto, por lo que es necesario determinar la superficie de falla para garantizar que la cimentación se realice con la profundidad adecuada.
VI. ¿La edificación tiene un sistema estructural apropiado? • No todo sistema estructural es apropiado para todo tipo de cargas. Las Normas vigentes reflejan estas experiencias. Sea cual fuere el sistema estructural utilizado, debe cumplir con ciertos requisitos mínimos de configuración y continuidad para garantizar su respuesta a las solicitaciones impuestas. Por ejemplo, los elementos verticales deben ser continuos desde la cimentación.
Sismo Pisco 15/08/2007
VII. ¿La edificación está construida con materiales competentes? • Existen materiales que, debido a su propia naturaleza, tienen una pobre competencia ante cargas dinámicas. En cambio otros, pueden considerarse competentes para la fabricación de estructuras sismo resistentes. Además, el nivel de la resistencia y la calidad de los materiales determinan en buena parte el desempeño de la edificación durante su vida útil. Esta lista incluye: Concreto armado Albañilería reforzada (confinada o armada) Acero Madera
Albañilería de tierra cruda: Adobe (izquierda) y Tapial (abajo)
Estructuras con elementos sismoresistentes de madera
Edificaciones de pórticos flexibles y muros de ladrillo pandereta
VIII. ¿La edificación presenta buena calidad de construcción? • Es posible determinar la calidad de la construcción mediante evidencias físicas de la propia edificación, tales como la textura superficial de los elementos y la precisión de la construcción, entre muchas otras.
Vivienda de autoconstrucción, con parapetos y tabiquería de fachada sin reforzar
Consecuencias de secuencia constructiva incorrecta (Sismo Pisco 15/08/2007)
Procedimiento incorrecto: solera vaciada en dos etapas
Sin comentarios…
IX. ¿La estructura tiene capacidad de absorber y disipar energía? • Este aspecto es el más difícil de determinar sin un estudio exhaustivo y minucioso de la estructura. Depende de su diseño y su detallado. Por ejemplo, para que un pórtico tenga capacidad de disipar energía, debe detallarse con refuerzo adecuado, no sólo en cantidad sino en configuración. Así, los estribos deben cerrarse con ganchos de 135⁰ y deben colocarse con un espaciamiento pequeño en las vecindades de las conexiones entre vigas y columnas y se debe proporcionar adecuadas longitudes de anclaje.
Antiejemplo : Hotel Ambassador, Pisco. Sismo 15/08/2007
Caso de Hotel Ambassador (Sismo Pisco 15/08/07) 1) Baja calidad de los ladrillos, que dio lugar a una baja resistencia al corte de los muros. 2) Baja densidad de muros en la dirección corta, donde sólo habían dos muros perimetrales. 3) Mala distribución en planta de los muros, donde el muro longitudinal no aporta resistencia a fuerza cortante en la dirección corta, sino más bien genera torsión. 4) Piso blando, por existencia de cocheras. Este tipo de estructura debe evitarse.
3.0 Vulnerabilidad de sitio y tipo de proyecto “… le compararé a un hombre insensato, que edificó su casa sobre la arena; y descendió lluvia, y vinieron ríos, y soplaron vientos, y dieron con ímpetu sobre aquella casa y cayó, y grande fue su ruina.” (Mateo 7: 26-27)
Generalidades • Las condiciones del suelo están directamente relacionadas a sus características, a la presencia o no de agua y a la topografía. • El suelo es el medio a través del cual se propagan las ondas sísmicas. En este proceso de propagación se producen cambios en las características del movimiento sísmico y en la estructura del suelo mismo. Si las condiciones del suelo no son favorables, puede ocurrir la amplificación de las ondas sísmicas, licuación, deslizamientos, fracturas y asentamientos diferenciales.
• Para determinar el efecto del sismo sobre una estructura es común suponer que el movimiento del terreno en la cimentación sería igual al movimiento que ocurriría si no existiera edificio alguno en el sitio. Esta suposición es cierta únicamente cuando el terreno es poco compresible. • Por lo anterior, las condiciones del terreno en el sitio de construcción, determinan el tipo de cimentación. • Si existe la posibilidad de licuefacción deben llevarse a cabo estabilizaciones de suelo, utilizar pilotes de cimentación o desecharse el sitio de la obra.
Parámetros que modifican la respuesta del terreno
Amplificación de intensidades sísmicas por flexibilidad del suelo. Profundidad del estrato resistente. Potencial de licuefacción. Estabilidad de taludes
3.1 Amplificación de intensidades sísmicas por flexibilidad del suelo La intensidad del movimiento sísmico del suelo es mayor en suelos blandos que en suelos firmes o rocosos (se presenta amplificación de la onda sísmica al pasar del lecho rocoso a suelo blando). Algunos sismos ejemplos que ilustran este fenómeno son los siguientes: México 1985 Huaraz 1970 Lima 1940, 1966, 1974 (zonas Callao, Chorrillos y La Molina)
La forma, amplitud y duración del movimiento sísmico, se ven afectadas por la distancia hipocentral y la flexibilidad del suelo
Amplificación símica en terrenos desfavorables La topografía del terreno influye en la amplificación del movimiento sísmico cuando se trata de ubicaciones desfavorables (bordes de mesetas, cimas y laderas de cerros)
Edificaciones vulnerables a sismo por estar ubicadas sobre laderas
Tipos de suelo en Lima-Callao
3.2 Profundidad del estrato resistente Al igual que la flexibilidad del suelo, los espesores de los estratos compresibles aumentan la severidad del movimiento y permiten la ocurrencia de asentamientos diferenciales de la cimentación de la estructura.
Asentamiento diferencial: Máxima diferencia de nivel entre dos cimentaciones adyacentes de una misma estructura
Asentamiento uniforme
Asentamientos diferenciales
En estructuras rígidas, el asentamiento no uniforme, puede producir volcadura
3.3 Potencial de licuefacción La licuefacción es un fenómeno que consiste en la compactación de suelos granulares saturados poco densos causada por la vibración. Ha sido una de las causas más dramáticas de los daños a edificaciones y obras civiles durante un movimiento telúrico. Este se manifiesta en la superficie en forma de volcanes de lodo y genera en el suelo unas condiciones similares a las de la arena movediza donde se reduce la resistencia al corte del suelo y se origina la inestabilidad de todo lo que se encuentre sobre él.
Fenómeno de licuefacción del suelo
Licuación de suelo arenoso con napa freática alta Condiciones: 1) Suelo granular suelto 2) Napa freática superficial 3) Vibración sísmica
Afloración de agua por licuefacción del suelo
Licuefacción de suelos Tambo de Mora, Chincha Sismo 15/08/2007
Tambo de Mora, Chincha. Sismo 15/08/2007
Licuefacción del suelo en Chimbote (1970)
Licuación del suelo que ha comprometido la estabilidad de las edificaciones. Sismo Nigata, Japón 16/06/1964
3.4 Estabilidad de taludes Los taludes de terrenos suaves muy inclinados o con grandes contenidos de humedad tienden a fallar ante movimientos horizontales y verticales, causando daño adicional al causado por el sismo.
Deslizamiento por inestabilidad de taludes
Yungay, antes y después del aluvión (1970)
Urbanizaciones de playa (Km 111 Panamericana Sur) sobre plateas superficiales en talud pronunciado de arena suelta.
¿Suspenso…?
4.0 Vulnerabilidad relacionada con la configuración arquitectónica Principio Fundamental: Un buen diseño arquitectónico debe tomar en cuenta la estructura resistente desde sus inicios. No se puede creer que es posible hacer el proyecto de un edificio y después “meterle dentro” la estructura. Esto equivaldría a creer que un ser humano se forma sin huesos y, una vez nacido, podemos meterle dentro el esqueleto.
4.1 Problemas de configuración en planta 4.1.1 Longitud 4.1.2 Concentración de esfuerzos por planta compleja 4.2 Problemas de configuración en elevación 4.2.1 Escalonamiento 4.2.2 Discontinuidad
4.1.1 Longitud • La longitud en planta de una edificación influye en la respuesta estructural de la misma, de una manera que no es fácil de determinar por medio de los métodos usuales de análisis. • En vista de que el movimiento del terreno consiste en una transmisión de ondas, la cual se da con una velocidad que depende de las características de masa y rigidez del suelo de soporte, la excitación que se da en un punto de apoyo del edificio en un momento dado difiere de la que se da en otro, diferencia que es mayor en la medida en que sea mayor la longitud del edificio en la dirección de las ondas. • Los edificios cortos se acomodan más fácilmente a las ondas que los edificios largos.
Sismo México 1985
• Considerando estos datos, el correctivo usual para el problema de longitud excesiva de edificios es la partición de la estructura en bloques por medio de la inserción de juntas de separación sísmica, de tal forma que cada uno de ellos pueda ser considerado como corto. • Estas juntas deben ser diseñadas de manera tal que permitan un adecuado movimiento de cada bloque, sin peligro de impacto o choque entre los diferentes cuerpos o bloques que componen la edificación. • Los edificios largos son también mas sensibles a las componentes torsionales de los movimientos del terreno, puesto que las diferencias de movimientos transversales y longitudinales del terreno de apoyo, de las que depende dicha rotación, son mayores.
Posibles soluciones para plantas muy alargadas o con aberturas importantes:
4.1.2 Concentración de esfuerzos debido a plantas complejas Este problema surge en edificios denominados de plantas complejas y es muy común en edificaciones hospitalarias. Se define como planta compleja a aquella en la cual la línea de unión de dos de sus puntos suficientemente alejados hace su recorrido en buena parte fuera de la planta. Esto se da cuando la planta esta compuesta de alas de tamaño significativo orientadas en diferentes direcciones (formas en H, U, L, etc.).
Edificio Hospital de Caldas (Colombia) Planta compleja
• En las plantas irregulares las alas pueden asimilarse a un voladizo empotrado en el cuerpo restante del edificio, sitio en el cual sufriría menores deformaciones laterales que en el resto del ala. Por esta razón aparecen grandes esfuerzos en la zona de transición, los cuales producen con frecuencia daños en los elementos no estructurales, en la estructura vertical y aún en el diafragma de la planta. • En el caso de edificios conformados por dos bloques unidos por una garganta central, cada bloque tendería a vibrar independientemente. Por ello se recomienda independizar con junta o integrar los bloques mediante vigas de acople laterales y/o losa maciza en la zona de garganta central.
Edificio Av. Arequipa 4449, Miraflores. 03 sótanos y 10 pisos ASB Contratistas Generales EIRL Arquitectura: Arq. Samuel Cárdenas Diseño de Estructuras: Ing. Oscar Fernández Cruz
Fenómeno de “aleteo”
Central de Telecomunicaciones. México 1985
Anchorage, Alaska 1964
• Para este caso, la solución adoptada con mayor frecuencia consiste en la introducción de juntas sísmicas, como las mencionadas para el caso de los edificios largos. Estas juntas permiten que cada bloque tenga su propio movimiento sin estar atado al resto del edificio, con lo cual se rompe el esquema de trabajo en voladizo de cada ala. Las juntas, obviamente, deben tener el ancho suficiente para permitir el movimiento de cada bloque sin golpearse.
Posibles soluciones para edificios con alas muy largas:
En general, tratar de evitar las plantas con esquinas entrantes, ya que en dichos vértices se producen concentraciones de esfuerzos, por lo que deben evitarse, procurando que la planta del edificio sea lo más compacta posible.
(Plantas con esquinas entrantes)
Edificios con esquinas entrantes: Mala concepción estructural por concentración de esfuerzos
4.2 Problemas de configuración en elevación
4.2.1 Escalonamiento Los escalonamientos en los volúmenes del edificio se presentan habitualmente por exigencias urbanísticas de iluminación, proporción, etc. Sin embargo, desde el punto de vista sísmico, son causa de cambios bruscos de rigidez y de masa; por lo tanto, traen consigo la concentración de fuerzas que producen daño en los pisos adyacentes a la zona del cambio brusco. En términos generales, debe buscarse que las transiciones sean lo mas suave posibles, con el fin de evitar dicha concentración.
Formas irregulares en altura
Irregularidad en elevación
o Edificios con asimetría en elevación (Efecto de “latigazo” debido al cambio brusco de rigidez → concentración de esfuerzos)
Daños causados por sismo debido al cambio de rigidez de la estructura
Falla del Hotel Terminal. Guatemala 1976
Efecto de “latigazo” en vivienda con irregularidad vertical en planta (Sismo Pisco 15/08/07)
Daño en entrepiso, debido a irregularidad en la altura
Posibles soluciones a la reducción en elevación
4.2.2 Discontinuidad de elementos verticales • La interrupción de elementos verticales de la estructura ha probado ser la causa de múltiples colapsos parciales o totales en edificios sometidos a sismos, sobre todo cuando la interrupción de los elementos verticales resistentes (muros y columnas) se presenta en los pisos inferiores. • La razón del deslizamiento del piso recae en que el nivel en que se interrumpen los elementos es más flexible que los restantes, con lo que aumenta el problema de estabilidad, pero además porque se origina un cambio brusco de rigidez que ocasiona una mayor acumulación de energía en la sección mas débil.
• Los casos más usuales de interrupción de elementos verticales, que ocurren generalmente por razones espaciales, formales o estéticas, son los siguientes: i. Interrupción de las columnas. ii. Interrupción de muros estructurales (muros de corte o placas). iii. Interrupción de muros divisorios, concebidos erróneamente como no estructurales, alineados con pórticos.
Discontinuidad en elementos y flujo de fuerzas
Interrupción de muros estructurales (placas)
Efecto de concentración de esfuerzos
Colapso por discontinuidad de elementos estructurales verticales
Daños en edificación con discontinuidad estructural vertical (Pisco 2007)
Problema de transición de columna (Origina articulación en el nudo → Los momentos de la columna superior no se pueden transmitir a la inferior)
Falla en apoyo de columna sin continuidad vertical
Discontinuidad de columna en obra
Falla en columna sin continuidad
Graves deficiencias de autoconstrucción
5.0 Vulnerabilidad relacionada con la configuración estructural 5.1 Concentración de masa 5.2 Mecanismo columna débil-viga fuerte 5.3 Columna corta 5.4 Piso blando 5.5 Falta de redundancia 5.6 Insuficiente rigidez lateral 5.7 Impacto entre edificios adyacentes 5.8 Excesiva flexibilidad del diafragma 5.9 Torsión en planta
5.1 Concentración de masa • El problema en cuestión es ocasionado por altas concentraciones de la masa en algún nivel determinado del edificio y se puede deber a la disposición en él de elementos pesados, tales como equipos, tanques, bodegas, archivos, etc. El problema es mayor en la medida en que dicho nivel pesado se ubica a mayor altura, debido a que las aceleraciones sísmicas de respuesta aumentan también hacia arriba, con lo cual se tiene una mayor fuerza sísmica de respuesta allí y por ende una mayor posibilidad de volcamiento del equipo.
• Por lo anterior, en el diseño arquitectónico es recomendable disponer los espacios que representen pesos inusuales en sótanos o en construcciones aisladas aledañas al cuerpo principal del edificio. En casos en los que por razones topográficas se deba tener almacenamientos de agua elevados, es preferible construir torres independientes para ese fin, en lugar de adosarlas al edificio principal.
Las concentraciones de masa en altura, aumentan la vulnerabilidad de la estructura frente a sismos
5.2 Mecanismo columna débil-viga fuerte Las columnas dentro de una estructura tienen la vital importancia de ser los elementos que transmiten las cargas a las cimentaciones y mantienen en pie a la estructura, razón por la cual cualquier daño en este tipo de elementos puede provocar una redistribución de cargas entre los elementos de la estructura y traer consigo el colapso parcial o total de una edificación. Por lo anterior, el diseño sísmico de pórticos (estructuras formadas preferentemente por vigas y columnas) busca que el daño producido por sismos severos se produzca en vigas y no en columnas, debido al mayor riesgo de colapso del edificio por el daño en columnas. Sin embargo, muchos edificios diseñados según códigos de sismo-resistencia han fallado por esta causa.
Columnas colapsadas en edificios aporticados (Caso
de vigas más resistentes que las columnas, las rótulas plásticas se forman en las columnas antes que en las vigas, originándose mecanismos de falla)
Región de rótula plástica • Región de un elemento de pórtico (columnas, vigas) o muro estructural en la que se espera que ocurra fluencia por flexión durante la respuesta sísmica inelástica de la estructura. • En dicha región se puede desarrollar y mantener la capacidad de momento máximo con la correspondiente rotación inelástica, de tal manera que el refuerzo en tracción se deforme más que la deformación correspondiente a su punto de fluencia.
Mecanismos de falla
Generación de rótula plástica en viga
Rótulas plásticas en columnas
Resistencia a flexión de las columnas, en las caras de los nudos
Edificaciones colapsadas por formación de rótulas plásticas en columnas
Recomendación: Hiperestaticidad Procurar estructuras hiperestáticas (mejor capacidad resistente y mejor disipación de energía sísmica por formación de rótulas plásticas)
5.3 Problema de “Columna Corta” Varias son las causas para que el valor de la longitud libre se reduzca drásticamente y se presente una columna corta: i. Confinamiento lateral parcial en la altura de la columna por muros divisorios, muros de fachada, muros de contención, etc. ii. Disposición de losas en niveles intermedios. iii. Ubicación del edificio en terrenos inclinados. Las columnas cortas son causa de serias fallas en edificios bajo excitaciones sísmicas, debido a que su mecanismo de falla es frágil.
Origen del problema de “Columna Corta”
Como la rigidez lateral es inversamente proporcional al cubo de su longitud → La columna de menor longitud tendrá mayor rigidez y por tanto asumirá mayor fuerza cortante y momento.
En la columna corta, la demanda suele exceder la capacidad resistente de cortante y de deformación lateral
Sismo Nazca 1996 A pesar de tener tecnoport separando 2 cm, las columnas de los tabiques de los colegios sufrieron daño porque la deformación era mayor.
Solución al problema de columna corta en centros educativos: independización de tabiques y uso de columnas estructurales más rígidas
5.4 Problema de “Piso Blando” Varios tipos de esquemas arquitectónicos y estructurales conducen a la formación de los llamados “Pisos blandos” o “Entrepisos débiles”, es decir, pisos que son más vulnerables al daño sísmico que los restantes, debido a que tienen menor rigidez, menor resistencia o ambas cosas. La presencia de “pisos blandos” se puede atribuir a: i. Diferencia de altura de entrepisos. ii. Interrupción de elementos estructurales verticales en el entrepiso.
Problema de “Piso blando” o “Entrepiso débil”
Edificaciones con sistema de “Piso Blando”
Origen del problema de “piso blando” Muros o placas que se eliminan en el primer piso, concentrando demandas de ductilidad excesivas para las columnas del primer piso, dado el comportamiento de sólido rígido de las placas superiores
(Las deformaciones por desplazamientos laterales se concentran en un solo piso y pueden exceder la capacidad de deformación de dicho piso)
Edificio “Don Tristán”, Maipú, Santiago, Sismo Chile 27/02/2010
Sismo Popayán, Colombia (31/03/1983)
Sismo El Salvador 10/10/1986 (M = 7.5)
Sismo Managua, Nicaragua 23/12/1972 (M = 6.2)
Hospital Olive View Sismo San Fernando, California, E.E.U.U. 09/02/1971 (M = 6.6)
(Izq.sup. e inf.) Sismo México 19/09/1985 (M = 8.2)
(Abajo) Sismo Erzinkan, Turquía, 1992
Colapso de pisos blandos intermedios (Sismo de Kobe, 1995)
5.5 Falta de redundancia El diseño estructural sismo-resistente contempla la posibilidad de daño de los elementos estructurales para los sismos más severos. Desde este punto de vista, el diseño de la estructura debe buscar que la resistencia a las fuerzas sísmicas dependa de un número importante de elementos, puesto que cuando se cuenta con un número reducido de elementos (poca redundancia) la falla de alguno de ellos puede tener como consecuencia el colapso parcial o total durante el sismo. En este sentido, debe buscarse que la resistencia a las fuerzas sísmicas se distribuya entre el mayor número de elementos estructurales posibles.
Necesidad de disponer de líneas sucesivas de resistencia
5.6 Insuficiente rigidez lateral La excesiva flexibilidad de la edificación ante cargas sísmicas puede definirse como la susceptibilidad a sufrir grandes deformaciones laterales entre los diferentes pisos, conocidas como derivas. Las principales causas de este problema residen en la excesiva distancia entre los elementos de soporte (claros o luces), las alturas libres y la rigidez de los mismos. Dependiendo de su grado, la flexibilidad puede traer como consecuencias: i. Daños en los elementos no estructurales adosados a niveles contiguos. ii Inestabilidad del o los pisos flexibles, o del edificio en general. iii. No aprovechamiento de la ductilidad disponible.
Edificios que han colapsado debido a mala competencia sísmica en una dirección (Ej: Pórticos de vigas chatas y columnas de poco peralte en la denominada dirección “secundaria” → excesiva deriva en dicha dirección)
Daños por mala competencia sísmica en una dirección
Edificación de pórticos flexibles en la dirección transversal
Típica edificación de la costa, con pórticos flexibles de columnas .25x.25 m en la dirección “principal” y muros de ladrillo pandereta en la dirección “secundaria”
Edificaciones con insuficiente rigidez lateral en la dirección transversal
Colegio en Huaraz (Sismo 31/05/1970)
• En algunas ocasiones, la situación ha sido más grave ya que a la insuficiente rigidez lateral, se ha unido una real incompetencia sísmica lateral, es decir una insuficiente resistencia al cortante de entrepiso. Las fuerzas de inercia, cuya variación de la base a la cúspide del edificio es progresivamente creciente, generan fuerzas cortantes decrecientes de la base hasta la cúspide, las mismas que deben ser resistidas en cada nivel por el conjunto de esos elementos verticales. De esta forma, es necesaria un área transversal suficiente de muros y columnas, para resistir adecuadamente las fuerzas cortantes inducidas por el sismo.
Sismo Haití 12/01/2010 (M = 7.0)
Av. Chapultepec. Sismo México 19/09/1985
Edificio Televisa, Av. Chapultepec, Sismo México 19/09/85
Sismo Bucarest, Rumanía, Mar. 1977 (M = 7.2)
5.7 Impacto entre edificios adyacentes El impacto que ocurre entre edificios debido a la proximidad existente y su manera diferente de vibrar ante el sismo es otra causa de daño e inclusive de colapso. El choque resulta más dañino cuando la altura de los entrepisos no coincide en ambas estructuras. Para evitar este fenómeno se busca respetar una distancia prudencial (Junta de Separación Sísmica), dada por la Norma E-030, que se obtiene tanto de la altura como del desplazamiento máximo de ambos edificios.
Junta de separación sísmica
Valor reglamentario para la junta de separación sísmica • Está dado en la Norma E-030 y depende de la altura de la edificación y su desplazamiento máximo lateral por sismo: “Toda estructura debe estar separada de las estructuras vecinas una distancia mínima S para evitar el contacto durante un movimiento sísmico”. S1 > 3 + 0.004 (h – 500) S1 > 3 cm S2 > 2 (∆1 + ∆2) / 3 “El Edificio se retirará de los límites de propiedad adyacentes a otros lotes edificables, o con edificaciones, distancias no menores que 2 ∆1/3 ni menores que S1 /2” • Los valores de los se determinan multiplicando los desplazamientos elásticos por (0.75 R)
Casos de presencia y ausencia de junta
Choque de edificios, Sismo México 1985
Sismo Tokachi-Oki, Japón, 1968
Sismo Pisco 15/08/2007
Daños en edificio y muro de cerco, sin debida junta de separación entre ellos
5.8 Excesiva flexibilidad del diafragma • Un comportamiento excesivamente flexible del diafragma de piso implica deformaciones laterales no uniformes, las cuales son en principio perjudiciales para los elementos no estructurales adosados al diafragma. • Adicionalmente, la distribución de fuerzas laterales no se hará de acuerdo a la rigidez de los elementos verticales
Comportamiento rígido y flexible del diafragma
• Entre las causas que pueden originar este comportamiento flexible, se tienen: Flexibilidad del material del diafragma. Relación de aspecto (largo/ancho del diafragma) Rigidez de la estructura vertical. Aberturas en el diafragma.
Diafragmas rígidos de losa aligerada y maciza
Losa aligerada de viguetas pretensadas (Firth, Pretensa) o prefabricadas (Alitec)
Comportamiento correcto de diafragma rígido en edificaciones de albañilería confinada (viga solera y losa de techo)
Edificaciones sin diafragma rígido en el último nivel: caso de ausencia y presencia de solera
Casos donde no hay comportamiento de diafragma rígido
Limitaciones recomendadas por Bazán y Meli a las aberturas del diafragma
Colapso de edificio Four Seasons (06 pisos) Sismo Anchorage, Alaska, 1964
Colapso de diafragma
5.9 Torsión en planta • La torsión ha sido causa de importantes daños de edificios sometidos a sismos intensos, que van desde la distorsión a veces visible de la estructura (y por tanto su perdida de imagen y confiabilidad) hasta el colapso estructural. • La torsión se produce por la excentricidad existente entre el centro de masa y el centro de rigidez.
• Algunos de los casos que pueden dar lugar a dicha situación en planta son: Posición de elementos rígidos de manera asimétrica con respecto al centroide del piso. Colocación de grandes masas en forma asimétrica con respecto a la rigidez. Combinación de las dos situaciones anteriores.
• Debe tenerse presente que los muros divisorios y de fachada que se encuentren adosados a la estructura vertical tienen generalmente una gran rigidez y, por lo tanto, de forma habitual participan estructuralmente en la respuesta al sismo y pueden ser causantes de torsión, como en el caso corriente de los edificios de esquina. • Cuantitativamente, puede considerarse que una excentricidad entre el centro de masa y de rigidez es grande cuando supera el 10% de la dimensión en planta bajo análisis. En un caso así, deben tomarse medidas correctivas en el planteamiento estructural del edificio.
• Si se contempla además la situación en altura, el panorama de la torsión puede complicarse aún más cuando hay irregularidades verticales, como los escalonamientos. En efecto, la parte superior del edificio transmite a la inferior un cortante excéntrico, lo cual provoca torsión del nivel de transición hacia abajo, independientemente de la simetría o asimetría estructural de los pisos superiores e inferiores. Como todos los problemas de configuración, el de la torsión debe ser enfrentado desde la etapa de diseño espacial y de forma de la edificación.
• Los correctivos necesarios para el problema de la torsión pueden resumirse en general en los siguientes puntos: i. Las torsiones deben ser consideradas inevitables, debido a la naturaleza del fenómeno y a las características de la estructura. Por esta razón, se sugiere proveer a los edificios de rigidez, mediante la cual se busca reducir la posibilidad de giro en planta. ii A efectos del control de la torsión, debe estudiarse con cuidado el planteamiento de la estructura en planta y en altura, así como la presencia y la necesidad de aislamiento de los muros divisorios no estructurales que puedan intervenir estructuralmente en el momento de un sismo. Finalmente, el objetivo debe ser proveer a la estructura con la mayor simetría posible de la rigidez con respecto a la masa.
Asimetría debida a ubicación de elementos resistentes
Colapso de Edificio Miramar (Cumaná, Venezuela, Sismo de Cariaco 1997, M = 6.9)
Efecto de torsión en planta, causado por tanque elevado
Cuando existe excentricidad, los daños se presentan en los elementos ubicados en los extremos
Falla de columna esquinera por efecto de la torsión en planta
Daño en columna perimetral por vibración torsional
Hotel Embassy. Sismo Pisco 15/08/2007 (M = 7.9)
Sismo Armenia, Colombia 25/01/1999 (M= 6.2)
Sismo México 19/09/1985 (M = 8.1)
6.0 Vulnerabilidad relacionada con el procedimiento constructivo
Código de Hammurabi (Babilonia, 1760 A.C.): “Si un constructor ha edificado una casa para otra persona y la construcción no ha resultado sólida y la casa que se construyó se cae, causando la muerte de su propietario, ese constructor debe ser ejecutado. Si causa la muerte del hijo del propietario, deberá ejecutarse al hijo del constructor”.
6.1 Incompatibilidad entre arquitectura, estructuras e instalaciones. Aspectos a considerar: • Juntas de construcción • Juntas de llenado • Paso de tuberías
Los elementos arquitectónicos deben respetar las juntas sísmicas
Junta de construcción que se transformó en rótula plástica
Ductos y cajas para instalaciones eléctricas. (Del muro de concreto no quedó nada)
Tubería en medio de núcleo confinado de placa
Situación NO permitida en Norma E-070: Disminución del área de columna estructural
Tubería que atraviesa viga en zona inadecuada
Tubería en sección crítica de volado
Tubos para instalaciones sanitarias. (¿Y el muro portante de ladrillo?)
Situación NO permitida por la Norma E-070
Debilitamiento de la conexión columnaalbañilería
Muro dividido en dos partes
6.2 Uso de materiales inadecuados Existen materiales que, debido a su propia naturaleza, tienen una pobre competencia ante cargas dinámicas. En cambio otros, pueden considerarse competentes para la fabricación de estructuras sismo resistentes. Además, el nivel de la resistencia y la calidad de los materiales determinan en buena parte el desempeño de la edificación durante su vida útil. Esta lista incluye: Concreto armado Albañilería reforzada (confinada o armada) Acero Madera
Colapso de viviendas de adobe
Defectos de fabricación en ladrillos artesanales
Ladrillo tubular, con excesivo porcentaje de perforaciones
Ladrillo KK industrial con % huecos > 30 %
Eflorescencia moderada y severa en unidades de albañilería
Uso de albañilería no reforzada
6.3 Mala praxis constructiva • En este acápite nos referimos a diversos aspectos, tales como: Curado del concreto, juntas de construcción, recubrimiento del refuerzo, empalmes y traslapes, habilitación de estribos, paso correcto de ductos, procedimientos constructivos correctos en albañilería, etc
Importancia de una adecuada praxis constructiva
Importancia de un buen curado
Habilitación de las barras de acero
Empalme en zona adecuada para refuerzo de columnas
Juntas de construcción
Juntas de llenado
Máxima separación permisible entre columnas de confinamiento
Procedimiento correcto: Falsa columna (observar las mechas horizontales para conectar las partes divididas del muro)
Correcto: Alojamiento de tuberías en ducto
Correcto: Paso de conductos pequeños en muros de albañilería armada
Regado de unidades de arcilla, previo al asentamiento
Retemplado del mortero
Rayado para asentado de la primera hilada
Falla por cizalle y solución: crear llaves de corte con el mortero
Refuerzo horizontal continuo, anclado en las columnas de confinamiento
Estribado reglamentario para vigas soleras y columnas de confinamiento
Estribos con ¾ de vuelta adicional para albañilería confinada
Errores frecuentes en la praxis constructiva
Falta de vibrado en el concreto de la columna
Cangrejeras por segregación en muros de ductilidad limitada
Empalme en zona inadecuada de columna
Insuficiente recubrimiento en refuerzo de columna
Insuficiente recubrimiento en refuerzo de viga
Falta de recubrimientos .
Cangrejeras y falta de recubrimiento
Cangrejera en una vigueta de aligerado
El antiejemplo perfecto: Todos los defectos juntos
Columnas con alto grado de oxidación
Alto grado de corrosión por acción de la brisa marina
Columnas deterioradas por la corrosión (Chicago, Illinois)
Volados Expuestos a la brisa marina
Cangrejeras en columna (f´c = ??)
Falta de protección temporal en las armaduras. → Futuro problema de corrosión
Estribos abiertos
Estribos deficientes (Mala habilitación del fierro)
Estribos defectuosos que no proporcionan confinamiento
Mala configuración estructural de entramados que forman pórticos
Falla en unión de vigas fuera del plomo de la columna
Exceso de cuantía en refuerzo de columna (1% ≤ρ≤ 6 %)
Cangrejera en columna de confinamiento
Juntas de grosor excesivo
Errores en la extensión del mortero y fluidez del mortero
Colapso de edificación de albañilería con ausencia de solera
Procedimiento incorrecto: vaciado de la solera en dos etapas
Procedimiento correcto: vaciado simultáneo de aligerado y solera
Consecuencias de secuencia constructiva inadecuada (Sismo Pisco 15/08/2007)
Secuencia correcta en la construcción de la Albañilería Confinada
Trituración del sobrecimiento durante los sismos (por no haber iniciado el vaciado desde el borde del cimiento)
↑ Incorrecto
Correcto →
Aplastamiento en muro de albañilería por apoyo directo de viga
Falla en muro de albañilería por punzonamiento de descanso de escalera
Comportamiento sísmico de muros no confinados
Daño por falta de reforzamiento en aberturas
Daño por falta de separación en ventanas y puertas
Junta donde el tecnoport ha sido sustituido por unidades de albañilería
Agrietamiento de muro por falta de confinamiento o separación por medio de junta
(Observar desprendimiento de reparaciones ejecutadas por daños de sismos anteriores)
Técnica tradicional de reparación de muros de albañilería confinada 1. Reemplazo de ladrillos 2. Reparación de columnas 3. Resane de fisuras 4. Relleno de zona central con concreto simple
Grieta en zona de unión de alféizar, por falta de independización
Aislamiento adecuado de alféizares (albañilería armada y confinada)
Trituración de bloques de concreto vacíos (deben rellenarse con grout) (Sismo Moquegua-Tacna 2001)
Trituración de celdas vacías en muro armado parcialmente relleno
Estructuras inestables
Cimentación de concreto ciclópeo, inadecuada para albañilería armada
Platea de cimentación para muros armados
7.0 Fallas debidas a acción sísmica
7.1 Fallas en vigas • • • • •
Grietas diagonales Rotura de estribos Grietas verticales Rotura del refuerzo Aplastamiento del concreto
→ Cortante → Cortante → Flexión → Flexión → Flexión
Falla por flexión en viga (mala evaluación de las cargas actuantes)
Falla por cortante en viga
Falla por corte (tracción diagonal) en vigas
7.1.2 Fallas en columnas • Grietas diagonales → Cortante • Grietas verticales → Compresión • Desprendimiento del concreto → Compresión • Aplastamiento del concreto y pandeo de las barras de refuerzo → Flexo-compresión
Falla frágil de cortante o tracción diagonal en columnas o vigas, por insuficiente confinamiento de estribos en los extremos adyacentes a los nudos. (Ante el inadecuado confinamiento de estribos, estos se abren y el concreto estalla, seguido del pandeo lateral del refuerzo longitudinal)
Falla por tracción diagonal (corte) en columnas con estribos y con zuncho
Daño producido por fuerza cortante en columnas de primer piso
Colapso total de columna por excesiva separación de refuerzo transversal, en edificio de 02 pisos. San Fernando 1971. (no se consiguió suficiente confinamiento al concreto ni suficiente resistencia al corte)
Falla de columna por excesivo paso del zuncho (30.5 cm) (La fuerza cortante superó la resistencia del zuncho y no fue capaz de confinar al concreto)
Efecto combinado de carga axial y momento flector sobre columna sin y con refuerzo transversal
Daño producido por carga axial en columna
Columnas sin confinamiento de estribos. Sismo Sur 06/06/2001 (M = 6.9)
Columna sin refuerzo transversal. Colegio San Luis Gonzaga Ica. Sismo 15/08/2007
Falla por compresión en columna
Falla por falta de confinamiento de estribos en columnas y posterior pandeo de refuerzo longitudinal (Sismo Chile 27/02/10)
Pandeo en armadura de columnas
Pandeo en refuerzo de columnas Edificio Obispo Masías. Concepción, Chile Sismo (27/02/10)
7.1.3 Fallas en muros de corte (placas) • En los proyectos de estructuras, los muros de corte son destinados principalmente a resistir los esfuerzos producidos por la fuerza horizontal sísmica. Ante esta solicitación, las fallas que suelen presentarse son en la unión con los sistemas de piso; por compresión debida a flexión, por tracción diagonal (cortante vertical), por cizallamiento (cortante horizontal) y por volteo.
Principales formas de falla en placas
Elementos de borde Zonas a lo largo de los bordes de los muros y de los diafragmas estructurales, reforzados con acero longitudinal y transversal. Los elementos de borde no requieren necesariamente un incremento del espesor del muro o del diafragma. Los bordes de las aberturas en los muros y diafragmas deben estar provistos de elementos de borde.
Ejemplo de elementos de borde en muros y diafragmas estructurales
Confinamiento en elementos de borde
Tienen por finalidad prevenir el pandeo de los extremos de los muros por las compresiones originadas por la flexión
Borde en compresión por flexión
Falla por flexión en base de placa
Falla por flexión en placas
Ausencia de núcleos confinados en extremos de placas
Fallas por cortante (tracción diagonal) en placas Edificio “Toledo”, Viña del Mar (Sismo Chile 27/02/10)
Falla en placa por cizallamiento (corte horizontal) Sismo Anchorage, Alaska 1964, (M = 8.5)
Sismo Anchorage, Alaska, 1964 (M = 8.5)
Grieta horizontal y desprendimiento de concreto en unión de placa con sistema de piso. Sismo San Fernando, California, 1971
Edificio Central Park, Santiago. Sismo Chile (27/02/10)
Edificio “Bahía”, Viña del Mar. (Sismo Chile 27/02/10)
Edificio Centro Mayor, Concepción, Chile. (Sismo 27/02/10)
7.1.4 Fallas en vigas de acoplamiento • Este tipo de falla es típica y es consecuencia de la acción de grandes momentos sísmicos provenientes de la placa, transmitidos a los extremos de una viga de corta longitud, lo cual origina sobre la viga elevadas fuerzas cortantes y demandas de ductilidad. • Sin un diseño adecuado, para los niveles de ductilidad a cortante y flexión esperados, se pueden presentar por flexión o por cortante en los muros estructurales, que constituyen la resistencia primaria a fuerzas laterales en edificios.
Falla por corte en vigas de acoplamiento (Vigas muy cortas ubicadas entre dos muros o placas)
Edificio “Torre O´Higgins”, Concepción (Sismo Chile 27/02/10)
Esquema que ilustra la falla por tracción diagonal en vigas de acoplamiento
Diseño de vigas de acople entre placas
Diseño y armado correcto para viga de acople entre placas
5.2 Falla de conexiones • Las conexiones o uniones entre elementos estructurales son, por lo general, los puntos más críticos. En las uniones viga-columna (nudos) el cortante produce grietas diagonales y es común ver fallas por adherencia y anclaje del refuerzo longitudinal de las vigas, a causa del poco desarrollo del mismo y/o a consecuencia de esfuerzos excesivos de flexión.
5.2.2 Falla de nudos sin ductilidad • Los nudos deben tener estribos que permitan desarrollar la ductilidad. Adicionalmente, deberán satisfacer un cortante de diseño, el cual se calcula a partir de los momentos nominales en los extremos del elemento, es decir, la capacidad de momento resistente para el refuerzo por flexión colocado realmente.
Falla por falta de diseño de nudos
Cortante de diseño en el nudo
Nudos sin ductilidad, por ausencia de estribos
Falla de conexión en nudos
5.2.3 Insuficiente longitud de anclaje • Con frecuencia, en las conexiones entre los diversos elementos estructurales, se presentan elevadas concentraciones y complejas condiciones de esfuerzos, los cuales han conducido a distintos y numerosos casos de falla, entre vigas y columnas de pórticos o entre columnas y cimentaciones. • Siendo el monolitismo de la estructura un requisito utilizado en muchos modelos de análisis, es necesario proveer a los elementos de una adecuada longitud de anclaje del refuerzo, lo cual es además una exigencia para proporcionar una adecuada ductilidad.
Anclajes La tracción o compresión calculada en el refuerzo en cada sección de los elementos de concreto estructural, debe ser desarrollada hacia cada lado de dicha sección mediante una longitud embebida en el concreto (longitud de anclaje), gancho, dispositivo mecánico o una combinación de ellos. Los ganchos no se deben emplear para el anclaje de barras en compresión.
Anclajes y Empalmes • Longitud de anclaje en tracción (barras rectas) Barras de 3/4” o menos
Barras de más de 3/4” (25% mayor)
α = Posición de la barra (1.0 ó 1.3) β = Recubrimiento epóxico (1.0, 1.2, 1.5) λ = Concreto de agregados ligeros (1.0, 1.3) ld ≥ 30
Longitud de anclaje en tracción (barras rectas) f’c=210 , fy=4,200 kg /cm2
Longitud de anclaje con gancho estándar en tracción
Columna que no llega a anclar refuerzo en zapata (ld = ?)
Fallas por insuficiencia de longitud de anclaje (La solicitación sísmica es cíclica y produce inversión de cargas)
Falla en la unión por falta de anclaje en la conexión de la columna con el sistema de piso
Falla de anclajes en unión de vigas
Falla de anclaje en nudo
7.3 Fallas en elementos no estructurales En este acápite se comentará acerca de las fallas que suelen presentarse en elementos que, sin ser parte constituyente del sistema estructural sismoresistente, pueden ocasionar problemas de funcionabilidad y estética. • Tabiques • Cercos • Parapetos
7.3.1 Fallas en tabiquería de ladrillo, cercos y parapetos • Las fisuras más frecuentes se dan en la unión de tabiques con viga solera o losa superior, en la unión de los tabiques o placas de la estructura y en los casos de mayor movimiento lateral, en forma diagonal (falla por corte). • La separación mediante tecnoport no funciona cuando se tarrajea.
Muros de albañilería no independizados de placas adyacentes
←
Falla en tabique no independizado de estructura sismoresistente
Fallas en unión de tabique con placa:
↓
Fisuras en unión de tabique con viga solera de techo
Colapso de tabique de fachada
Juntas de tecnoport con tarrajeo, que no han servido en la práctica
Fisuras en tabiquería de bloques P-7 y P-10
Daños serios en tabiquería, Moquegua, Sismo Sur 23/06/2001 (M = 7.9)
Falla de tabiques por acción de sismo 1. 2.
Sismo coplanar con el tabique Tracción diagonal Cizallamiento Aplastamiento Sismo perpendicular al plano del tabique Volcamiento
Tracción diagonal (corte)
Cizalle
Aplastamiento
Volcamiento
Conexión dentada (insuficiente) y arriostrada (correcta) en tabiques en aleros
Falla de tabique no arriostrado
Falla de parapeto
Falla en cerco por relleno mal compactado
7.2 Fallas relacionadas con otros efectos sísmicos Casos poco frecuentes: • Resonancia local • Mecanismo push-over • Punzonamiento de losas de techo
7.2.1 Resonancia local • Al propagarse las vibraciones inducidas por el sismo, desde la base hasta la cúspide de los edificios, se presentan amplificaciones de la vibración a lo largo de la altura, que se acentúan en los niveles superiores, principalmente en edificios altos, lo que conduce a una elevada concentración de acciones internas que provocan el colapso de una parte del edificio a partir de una determinada altura. • Algunos investigadores, atribuyen este tipo de colapso a la unión del concreto viejo con el nuevo, tras la interrupción del vaciado durante el proceso constructivo. • Evidentemente, la ocurrencia de este fenómeno sólo es posible cuando se trata de edificios flexibles ubicados sobre suelos blandos.
Edificio Charaima de 11 pisos (sólo quedaron 07) Sismo 29/07/1967, Caracas, Venezuela. (M = 6.5)
Hotel Continental, México 1985 (colapso de pisos superiores)
Edificio LACSA. México 1985 (Observar daño en los pisos superiores)
7.2.2 Mecanismo push-over • Este tipo de situación se puede presentar en columnas para las que actúa una carga vertical de gravedad relativamente pequeña y una gran carga axial debida a sismo. Como el sismo es reversible y la carga axial inducida es notablemente mayor que la de gravedad, se producirá una situación de carga/descarga con inversión del sentido de la fuerza axial de compresión a tracción sucesiva, lo cual puede ocasionar el colapso del elemento.
Falla en columna por mecanismo push-over debido a cargas cíclicas
7.2.3 Punzonamiento de la losa de techo • Otro caso de falla de conexión se presenta en los edificios de losas planas, sin vigas y se debe a una falla por punzonamiento o penetración producida por los elevados esfuerzos cortantes. En este tipo de falla, los sistemas de piso quedan sin apoyo, dando lugar a un colapso total de los mismos, manteniéndose en pie sólo las columnas. • Las fallas en las conexiones, generalmente son frágiles, por lo que estas zonas deben diseñarse detalladamente y protegerse con cuidado. • En el Perú, por tratarse de un país sísmico, se permiten, con varias requisitos y restricciones.
Falla por punzonamiento de la losa de techo: Esta falla puede ocurrir en los edificios de losas planas sin vigas. Las columnas atraviesan a la losa y los sistemas de piso quedan sin apoyo, produciéndose el colapso total de los pisos. Es recomendable usar ábacos o capiteles
Requisitos para edificios de losas planas sin vigas 1) Máximo 05 pisos, sin exceder los 18 m de altura. 2) Muros estructurales capaces de tomar el 80 % del cortante sísmico. 3) Vigas peraltadas en todo el perímetro 4) La deriva máxima de entrepiso no debe exceder de 0.005 5) Para análisis sísmico se considerará como viga una franja de columna en cada dirección. 6) En caso de tener losas nervadas: i) Se usará losa maciza alrededor de columnas y muros ii) Se usará losa superior de 50 mm de espesor
Falla en edificio de losas planas sin vigas, por punzonamiento de la losa
Edificio de losas planas sin vigas: Hospital Juárez Sismo México 1985 (punzonamiento de las losas)
9.1 Métodos cualitativos
Evalúan de forma rápida y sencilla, las condiciones de seguridad estructural de la edificación. La estructura se clasifica, entre otras características, según: La edad de la edificación El estado de conservación Las características de los materiales El número de pisos La configuración geométrica arquitectónica Estimación de la resistencia al cortante.
• Generalmente estos métodos han sido utilizados cuando se evalúa la vulnerabilidad de una muestra numerosa de edificaciones. O también cuando se tiene certeza acerca de la seguridad de una determinada estructura y se pretende corroborar dicho nivel de seguridad.
9.2 Métodos cuantitativos •
Los métodos cuantitativos más sencillos, utilizan características generales de la estructura para calificarla. Generalmente están asociados a índices globales que han sido calibrados con la experiencia siniestral de estructuras existentes, que permiten identificar el riesgo en términos generales y en algunos casos el nivel de daño. Entre estos métodos, se puede mencionar, entre otros el de Shiga (1977), Meli (1991) y Hirosawa (1992).
• Los métodos cuantitativos más exhaustivos, pero no por ello más precisos, típicamente son extensiones propias de los procedimientos de análisis y diseño sismoresistente, recomendados por las normas modernas. • Se busca determinar los niveles de resistencia, rigidez y ductilidad propios de la estructura, por medio de un análisis similar al diseño de edificios nuevos, incorporando, entre otras variables, a las componentes no estructurales. La diferencia con respecto a los métodos de diseño radica en que en el diseño de estructuras nuevas el diseñador provee un nivel de ductilidad a la estructura, en cambio, en el análisis de vulnerabilidad la ductilidad es un valor propio de la estructura y en muchas ocasiones es incierto.
• Estos métodos son probablemente indispensables de aplicar en el momento de establecer soluciones en sistemas considerados vulnerables luego de una etapa de calificación o diagnóstico y en las etapas finales de la verificación de la vulnerabilidad del sistema reacondicionado. • Cualquiera sea el método que se aplique para determinar la vulnerabilidad de estructuras existentes es importante utilizar la información histórica del comportamiento observado de estas estructuras o similares, dado que la complejidad de los sistemas estructurales hace difícil que un método cualitativo o cuantitativo logre considerar todas las variables en juego.
• Los métodos cuantitativos requieren de la mayor recopilación de información posible, por lo tanto son más precisos que los cualitativos para predecir el tipo de falla y el lugar donde se producirán. Son métodos más confiables al momento de estimar la seguridad de una edificación frente a sismos. Si la estructura no cumple los requisitos de resistencia, flexibilidad y ductilidad debe ser objeto de refuerzo para elevar su nivel de seguridad sísmica estructural.
• Estos métodos son utilizados cuando la importancia de la edificación así lo amerita, o bien cuando los métodos cualitativos no han sido determinantes con respecto a la seguridad de la edificación. • Para realizar un análisis de vulnerabilidad, utilizando métodos cuantitativos es necesario contar con cierta información básica como: características de los materiales utilizados en la edificación, características del suelo donde se encuentra emplazada la estructura y planos estructurales, entre otra información.
• Generalmente los análisis cuantitativos son realizados mediante modelaciones matemáticas de la estructura, en las cuales se deben considerar aspectos tales como: Interacción de la estructura con los elementos no estructurales. Cargas reales a las que está sometida la estructura Análisis para los diferentes sismos que se pueden presentar.
Métodos cuantitativos indiciales Se denominan así porque se basan en la comparación de valores denominados índice Método de Shiga (1977): Se aplica cuando predominan los muros de concreto armado. Método de Meli (1991): Se aplica cuando predominan los muros de albañilería. Método de Hirosawa (1992): Se aplica a todo tipo de edificios.
En estos métodos, la vulnerabilidad estructural se determina comparando de alguna forma la capacidad resistente, relaciones de forma, mantenimiento y daños anteriores de la edificación, con el nivel de solicitación demandado por los sismos que representan el peligro sísmico y las condiciones locales del sitio donde se ubica la edificación. En el caso particular del método de Hirosawa, la comparación se hace calculando dos índices y estableciendo que la edificación es segura sísmicamente cuando el índice correspondiente a la resistencia proporcionada por el edificio (Is) es mayor que la resistencia demandada (Iso).
9.2.2 Método de Shiga Durante un estudio posterior al terremoto de Tokaichi-Oki en Japón, se propuso una combinación de índices estructurales: • “Densidad de muros”: Relación del área en planta de los muros de corte correspondientes a la dirección de análisis entre área total acumulada del piso considerado. • “Promedio de esfuerzos cortantes”: Relación del peso total del piso considerado entre la suma de las áreas en planta totales de columnas y muros de corte, en la dirección de análisis.
• Shiga define los siguientes índices: Ism = (∑ Am) / (∑ APj) (índice de área de muros) Ic = (∑ Ac) / (∑ APj) (índice de área de columnas) It = (∑ Wj) / (∑ Am + ∑ Ac) (índice de esfuerzo cortante nominal medio) donde ∑ Am : área de muros de concreto armado, disponible en el piso y en cada dirección de la planta para resistir las fuerzas sísmicas que actúan en este piso. ∑ Ac : área de columnas en el piso considerado ∑ APj : área de las plantas ubicadas sobre el nivel considerado. ∑ Wj : Peso sísmico nominal total ubicado sobre el nivel considerado
Toshío Shiga refinó el estudio y encontró que las edificaciones con un “índice de densidad de muros” mayor a 30 cm2/m2 y un “promedio de esfuerzo cortante” menor a 12 Kg/cm2 , no eran propensas a sufrir daños. Luego, la edificación será segura si: Ism > 30 cm2/m2 ; It < 12 Kg/cm2
Los muros de albañilería que existen, se incluyen como muros equivalentes de concreto de igual resistencia al corte, transformando el área de su sección transversal, con un factor: FR1 = (0. 23τ + 0.12σ) / (0.29 √f’c ) Donde τ : resistencia al corte de la albañilería, en Kg/cm2 σ : esfuerzo normal debido a la acción de las cargas verticales, en Kg/cm2 (σ ≈ 1.0 x n; n: número de pisos sobre el piso analizado) f’c : resistencia cilíndrica a la compresión del concreto, en Kg/cm2
9.2.3 Método de Meli Meli relacionó el nivel de daños producidos por el sismo de México de 1985 en edificios de albañilería de 03 a 05 pisos con el “índice de densidad de muros por unidad de piso” del edificio. Los edificios analizados se caracterizaban por cumplir ciertas condiciones de altura, simetría en la planta, rigidez torsional, regularidad en elevación y existencia de la acción de diafragma rígido a nivel de los pisos y techo.
El índice de densidad de muros por unidad de piso, se calcula de la ecuación: Im = (∑ At ) / ( ∑ Apj ) donde • ∑ At : área total de muros de albañilería equivalente , en la dirección y nivel considerados. • ∑ Apj : área de la planta del nivel j Mediante una muestra de 23 edificios, Meli relacionó el nivel de daños observados con la densidad de muros por unidad de piso, estableciendo la relación de la siguiente tabla.
• Astroza (1993), utilizando el trabajo de Meli (1991) estableció un criterio para calificar sísmicamente los edificios de albañilería. La calificación se hace a partir de la relación empírica entre el nivel de daños observado y el índice de densidad de muros propuesto por Meli. • La base fueron 17 edificios de este tipo ubicados en la ciudad de Santiago durante el sismo de Chile del 03/03/1985, junto con la información de Meli . • Estos edificios, que experimentaron distintos niveles de daño durante el sismo, se ubicaban en distintos sectores de la ciudad, donde el sismo varió entre los 7 y 8 grados de la escala de Mercalli modificada. • En base a eso, estableció la siguiente tabla.
Criterio de Meli:
Criterio de Meli modificado por Astroza:
• Estas relaciones empíricas se utilizan para establecer la vulnerabilidad de los pisos en los que predomina la albañilería. De esta manera, los pocos muros de concreto armado que existen, se incluyen como muros equivalentes de albañilería, de igual resistencia al corte, transformando el área de su sección transversal, de acuerdo a lo indicado. • Tanto en el área de los muros de albañilería como en los de concreto armado, se incluye el factor de reducción recomendado por Meli, con lo cual se considera la menor rigidez de los muros en los que la relación altura/longitud excede de 1.33. (h/L > 1.33)
9.2.1 Método de Hirosawa • El método del índice estructural de Hirosawa (1992) es un método capaz de predecir el riesgo y daño de las edificaciones y fue calibrado en base a la experiencia japonesa frente a eventos sísmicos. Este método ha sido adoptado por el Ministerio de Construcción del Japón, en la evaluación de la seguridad sísmica de edificios de concreto armado.
• El método consta de tres niveles de análisis, cada uno de ellos más preciso según el orden, que van de lo simple a lo detallado basados primordialmente en el estudio del comportamiento y resistencia de los sistemas estructurales de cada piso del edificio en las direcciones principales de la planta. • El método fue propuesto originalmente para ser utilizado en edificios de concreto armado, de altura media, existentes o dañados, del orden de seis a ocho pisos, estructurados con muros o pórticos. En estudios más recientes el método se ha aplicado a edificios mixtos de concreto armado y albañilería.
• La vulnerabilidad estructural se establece considerando que: i) Si Is ≥ Iso se puede considerar que el edificio tiene un comportamiento sísmico seguro frente a un evento sísmico. ii) Si Is < Iso se puede considerar que el edificio tiene un comportamiento incierto frente a un evento sísmico y, por lo tanto, se considera como inseguro.
Niveles u órdenes del Método de Hirosawa • 1º orden: Permite la evaluación de un diagnóstico del riesgo del sistema estructural, basado en la geometría de los elementos estructurales. • 2º orden: Se basa en la estimación de la resistencia última de la estructura asumiendo un comportamiento de falla por cortante para el sistema estructural. • 3º orden: Considera exactamente los mismos criterios presentados en el método de segundo orden, con el adicional de la consideración del mecanismo real de falla del sistema estructural evaluado a partir del análisis tiempo-historia y condiciones de no linealidad del material de la estructura.
Cálculo del índice de vulnerabilidad estructural IS • El método de 2º orden de Hirosawa presume que debido a la existencia de un diafragma rígido, el mecanismo de colapso será tipo panel, fallando las columnas al alcanzar la capacidad máxima del sistema, calculada a partir de un análisis espectral del mismo. El método considera también la geometría y morfología del sistema, así como el nivel de daño existente, deterioro del sistema estructural en el tiempo e influencia de las condiciones locales de la zona donde se encuentra el edificio.
Is = E0 G Sd T E0 : subíndice sísmico de la estructura G : subíndice sísmico del terreno Sd : subíndice sísmico del comportamiento estructural. T : subíndice sísmico del deterioro de la estructura.
Cálculo de E0 • Al aplicar el primer nivel de evaluación, el término E0 se determina a partir de un cálculo simple de la resistencia última de corte de cada piso. Esta resistencia se calcula para cada dirección de la planta por la suma de los productos del área de la sección transversal de un muro o columna y de su resistencia de corte, reduciendo este producto por un factor (αi) que considera la presencia de elementos que alcanzan su resistencia a un nivel de deformación menor que el resto de los elementos sismo-resistentes como, por ejemplo, columnas cortas o muros de albañilería, reforzados o no, si se comparan con muros o columnas de concreto armado.
• El índice Eo es proporcional al producto del coeficiente de resistencia (C) y del coeficiente de ductilidad (F) → Eo α C x F • Para el cálculo de Eo, todo elemento o subestructura vertical que forma parte de la estructura sismo-resistente debe clasificarse en alguna de las categorías siguientes: i. ii. iii. iv. v.
Columnas cortas de concreto armado Columnas de concreto armado Muros de concreto armado (placas) Muros de relleno de albañilería (tabiques no independizados) Muros de albañilería (confinada o armada)
i. Columnas cortas de concreto armado: Son todas las columnas en las que la relación ho/D, entre la altura libre (ho) y el ancho de la sección transversal (D), es igual o menor que 2. El comportamiento sísmico de estas columnas está controlado por una falla de corte frágil que se caracteriza por el reducido nivel de deformación en el que se alcanza la resistencia y por la baja capacidad de deformación inelástica. Para establecer la altura libre se ha considerado la presencia de los elementos arquitectónicos que reducen la altura de la columna en la medida en que no se aíslen de ella.
ii. Columnas de concreto armado: Son todas las columnas en las que la relación ho/D es mayor que 2. iii. Muros de concreto armado: Son los elementos de concreto armado con una sección transversal en que la relación entre el lado mayor y el lado menor de la sección transversal es mayor que 3. iv. Muros de relleno de albañilería: Son aquellos muros de albañilería, normalmente con escaso o ningún refuerzo, ubicados en el interior de los vanos de la subestructura resistente (pórticos) sin aislarlos de ella. v. Muros de albañilería armada o muros de albañilería confinada con elementos esbeltos de concreto armado, columnas de arriostre y soleras.
• Los muros considerados corresponden a aquellos muros que se han diseñado y construido en forma tal que puedan transmitir cargas horizontales y verticales de un nivel al nivel inferior y a la cimentación. No se consideran aquellos muros que sólo resisten las cargas provenientes de su propio peso, como son parapetos y tabiques de relleno o divisorios aislados de la estructura sismo-resistente. • Esta clasificación debe hacerse para determinar la resistencia y para atender la menor capacidad de deformación inelástica y capacidad de disipación de energía que presentan algunos elementos como, por ejemplo, las columnas cortas y los muros de albañilería de relleno sin refuerzo, cuando el comportamiento sísmico está controlado por ellos.
• El índice Eo se calcula con la ecuación siguiente:
αi: Factor de reducción de la capacidad resistente de acuerdo con el nivel de deformación en que alcanzan la resistencia los elementos que controlan el comportamiento sísmico. Los valores de estos factores se entregan en la Tabla A-1 cuando la capacidad sísmica está controlada por los elementos más frágiles (Tipo A), los menos frágiles (Tipo B) y los dúctiles (Tipo C) respectivamente. np: Número de pisos del edificio. i: Nivel que se evalúa.
Cmar: Índice de resistencia proporcionada por los muros de relleno de albañilería. Csc: Índice de resistencia proporcionada por las columnas cortas de concreto armado. Ca : Índice de resistencia proporcionada por los muros de albañilería no reforzada o parcialmente confinada. Cma: Índice de resistencia proporcionada por los muros de albañilería confinada. Cw: Índice de resistencia proporcionada por los muros de concreto armado. Cc : Índice de resistencia proporcionada por las columnas no cortas de concreto armado. F: Índice de ductilidad asociado a los elementos verticales. (F = 1.0 si Cmar, Ca y Csc son iguales a cero; F = 0.8 si Cmar, Ca y Csc son diferentes de cero)
• En caso de que los muros de albañilería confinada controlen la capacidad resistente, el valor de F es igual a 1.0 considerando la capacidad de deformación inelástica que se logra con los elementos de confinamiento. • La capacidad sísmica debe calcularse en primer lugar considerando la falla de elementos más frágiles; sin embargo, si la falla de este grupo no produce inestabilidad del sistema, la capacidad sísmica debe calcularse considerando el próximo grupo y despreciando la resistencia de los elementos que han fallado. • El término (nP + 1)/(nP + i) considera la relación entre el coeficiente de corte basal y el coeficiente de corte del piso i, cuando estos esfuerzos de corte se establecen en función del peso del edificio por sobre el nivel considerado
Tabla A-1: valores de α Tipo
α1
α2
α3
Modo de Falla
A
1.0
0.7
0.5
1. Muros de relleno de albañilería 2. Columnas cortas 3. Muros de albañilería no reforzada o parcialmente confinada 4. Muros de albañilería confinada
B
0.0
1.0
0.7
1. Muros de concreto armado
C
0.0
0.0
1.0
1. Columnas de concreto armado
donde: f´c : resistencia a la compresión del concreto. τ0 : resistencia al corte de la albañilería σ0 : esfuerzo normal debido a la carga axial que producen el peso propio y la sobrecarga. ∑ Amar : Suma de las áreas de los muros de relleno de albañilería del piso en evaluación, en la dirección analizada. ∑ Asc : Suma de las áreas de las columnas cortas de concreto armado del piso en evaluación. ∑ Ama : Suma de las áreas de los muros de albañilería confinada del piso en evaluación, en la dirección analizada. ∑ Ac1 : Suma de las áreas de las columnas de concreto armado donde la relación entre altura libre (h) y ancho (D) es h/d < 6 ∑ Ac2 : Suma de las áreas de las columnas de concreto armado donde la relación entre altura libre (h) y ancho (D) es h/d ≥ 6
∑ Am1 : Suma de las áreas de los muros de concreto armado del piso en evaluación, con columnas en ambos extremos con cuantía de refuerzo horizontal ρh > 1.2% y esbeltez h/L > 2 (En estos muros, la resistencia al corte está controlada por la resistencia al aplastamiento de la diagonal comprimida, debido a la alta cuantía del refuerzo horizontal) ∑ Am2 : Suma de las áreas de los muros de concreto armado del piso en evaluación, con columnas en ambos extremos con cuantía de refuerzo horizontal ρh mínima (En estos muros, la resistencia al corte es proporcionada principalmente por el refuerzo horizontal) ∑ Am3 : Suma de las áreas de los muros de concreto armado del piso en evaluación, sin columnas o con columna sólo en un extremo, con cuantía de refuerzo horizontal ρh mínima y esbeltez h/L ≤ 2 (En estos muros, la resistencia al corte está definida por la carga de agrietamiento diagonal del concreto, debido a la reducida cuantía de armadura de refuerzo). ∑ Am4 : Suma de las áreas de los muros de concreto armado del piso en evaluación, sin columnas o con columna sólo en un extremo y esbeltez h/L > 2 (En estos muros, la resistencia al corte está dada por las ecuaciones del Código ACI 318) Wi : Peso del piso i
• En estas ecuaciones las áreas se deben expresar en cm2, las resistencias y esfuerzos en kg/cm2 y los pesos en kg. Los coeficientes que acompañan a las áreas corresponden a la resistencia al corte de los diferentes tipos de elementos que forman el sistema sismo-resistente, expresados en kg/cm2. • Para el valor de h se debe considerar: h = altura del piso si L > 3 m h = altura libre del muro si L < 3 m
Cálculo de SD • Este coeficiente cuantifica la influencia de las irregularidades de la configuración estructural y de la distribución de rigidez y de masa en el comportamiento sísmico de la edificación. • La información para calcular SD se obtiene principalmente de los planos estructurales y se complementa con visitas al terreno. Las características del edificio que se consideran en la determinación de este coeficiente son regularidad de la planta, relación largo-ancho de la planta, estrangulaciones de la planta, espesor de las juntas de dilatación, dimensiones y ubicación de patios interiores, existencia de sótanos, uniformidad de la altura de los pisos, excentricidad de rigidez en planta, irregularidades de la distribución de las masas y de la rigidez de entrepiso de los pisos en altura, etc.
• Hirosawa propone calcular SD cuando se usa, con la ecuación siguiente:
SD = ∏qi = q1 x q2 x … x q8 donde
qi = [1.0 – (1 – Gi) Ri ]
para i = 1, 2, 3, 4, 5,7 y 8
qi = [1.2 – (1 – Gi) Ri ] para i = 6 (La productoria ∏qi se calcula entre 1 y 8) • Los valores de Gi y Ri recomendados por Hirosawa, se obtienen de la tabla siguiente:
Tabla A-2
Gi
Ri
1.0
0.9
0.8
Regularidad
Regular (a1)
Mediano (a2)
Irregular (a3)
1.0
Relación largo/ancho
m<5
5
m>8
0.5
Contracción de planta
c > 0.8
0.5 < c < 0.8
c < 0.5
0.5
Rap < 0.1
0.1
Rap > 0.3
0.5
Excentricidad de atrio o patio interior
f1 = 0.4 f2 = 0.1
f1 < 0.4 0.1 < f2 < 0.3
f1 > 0.4 f2 > 0.3
0.25
Sótano
Ras > 1.0
0.5 < Ras < 1.0
Ras < 0.5
1.0
Junta de separación sísmica
S > 0.10
0.005 < S < 0.10
S < 0.005
0.5
Rh > 0.8
0.7 < Rh < 0.8
Rh < 0.7
0.5
Atrio o patio interior
Uniformidad de altura de piso
1. Regularidad ai a1:La planta es simétrica en cada dirección y el área de salientes es menor o igual al 10% del área total de la planta. Estas salientes, son consideradas en el caso que L/b > 0.5 a2:La planta no es regular, y el área de salientes es igual o menor que el 30% del área de la planta. Dentro de esta categoría se encuentran las plantas tipo L, T, U y otras. a3:La planta es más irregular que el caso a2, y el área de salientes es mayor que el 30% del área de la planta.
2. Relación largo – ancho m: Razón entre la dimensión mayor y menor de la planta. En las plantas tipo L, T, U u otras, se considera el lado mayor como 2L, para lo indicado en la figura.
3. Contracción de planta, c: c = D1 / D0
4. Atrio o patio interior: Rap Razón entre el área del atrio y el área total de la planta, incluida el área del atrio. Sin embargo, una caja de escaleras estructurada con muros de concreto armado no se considera en este análisis. 5. Excentricidad de atrio o patio interior: f f1: Razón entre la distancia del centro de la planta al centro del atrio y la longitud menor de la planta. f2: Razón entre la distancia del centro de la planta al centro del atrio y la longitud mayor de la planta. 6. Sótano: Ras Razón entre el área promedio de la planta de los subterráneos y el área promedio de la planta del edificio.
7. Junta de separación sísmica: S Este criterio se aplica a edificios que tienen juntas de separación sísmica. Razón entre el espesor de la junta de separación sísmica y la altura del nivel sobre el suelo donde se encuentra. 8. Uniformidad de altura de piso: Rh Razón entre la altura del piso inmediatamente superior al analizado y la altura de éste. Para el caso del piso superior, el piso inmediatamente superior de esta ecuación es reemplazado por el piso inmediatamente inferior. Según Hirosawa, el valor de SD se calcula usando el valor más desfavorable entre los obtenidos para la característica en los diferentes pisos, valor que se asume como representativo del edificio completo.
Cálculo de T • Este índice cuantifica los efectos que produce el deterioro de la estructura, debido al paso del tiempo o bien a la acción de sismos pasados u otras acciones que puedan haberla afectado. El índice se calcula a partir de la información obtenida de las visitas al edificio y de la información que proporcione el propietario. • El índice T se determina con la tabla A3, considerando que se usa un valor único del índice T para el edificio, este valor debe corresponder al menor valor obtenido de la Tabla A3.
Tabla A-3: Valores del índice T para diferentes causas y tipos de deterioro Deformación permanente (T1) Característica
T1
El edificio presenta inclinación debido a asentamiento diferencial
0.7
El edificio está construido sobre relleno artificial
0.9
El edificio ha sido reparado debido a deformaciones anteriores
0.9
El edificio tiene visible deformación de vigas y columnas
0.9
El edificio no presenta signos de deformación
1.0
Grietas en muros o columnas debido a corrosión del acero de refuerzo (T2) Característica
T2
Presenta filtraciones con corrosión visible de armaduras.
0.8
Presenta grietas inclinadas visibles en columnas.
0.9
Presenta grietas visibles en muros.
0.9
Presenta filtraciones, pero sin corrosión de armaduras.
0.9
Nada de lo anterior.
1.0
Incendios (T3)
Característica
T3
Ha experimentado incendio, pero no fue reparado.
0.7
Ha experimentado incendio y fue adecuadamente reparado.
0.8
No ha experimentado incendio.
1.0
Uso del cuerpo o bloque (T4) Característica
T4
Almacena sustancias químicas.
0.8
No contiene sustancias químicas.
1.0
Tipo de daño estructural (T5) Característica
T5
Presenta daño estructural grave.
0.8
Presenta daño estructural fuerte.
0.9
Presenta daño estructural ligero o no estructural.
1.0
Tabla A-4
Tipo de daño
Clasificación de daños causados por sismo (Iglesias et al., 1987)
Descripción
No estructural
Daños únicamente en elementos no estructurales.
Estructural ligero
Grietas de menos de 0.5 mm de espesor en elementos de concreto armado. Grietas de menos de 3 mm de espesor en muros de albañilería.
Estructural fuerte
Grietas de 0.5 al 1 mm de espesor en elementos de concreto armado. Grietas de 3 a 10 mm de espesor en muros de albañilería.
Estructural grave
Grietas de más de 1 mm de espesor en elementos de concreto armado. Aberturas en muros de albañilería. Aplastamiento del concreto, rotura de estribos y pandeo del refuerzo en vigas, columnas y muros de concreto armado. Agrietamiento de capiteles y braquetes. Desplome de columnas. Desplome del edificio en más de 1% de su altura. Asentamiento de más de 20 cm.
Cálculo del índice IS0 • El comportamiento estructural de un edificio frente a sismo puede evaluarse comparando el índice de vulnerabilidad de la estructura IS con el índice de juicio estructural IS0 El cálculo de este índice está basado en la máxima respuesta espectral esperada para las condiciones locales donde se encuentra el edificio. Está dado por:
IS0 = ES0 Z G U Basándose en estos dos índices, se puede expresar un juicio de la vulnerabilidad de la estructura, así: Si IS > IS0 → el edificio es seguro frente a sismos Si IS < IS0 → el edificio es inseguro frente a sismos
IS0 = ES0 Z G U ES0 : resistencia sísmica básica requerida (para 2º orden, ES0 = 0.6) Z : factor de zona sísmica. Su valor depende del peligro sísmico de la zona en que se encuentra el edificio. (0.5 < Z < 1) (Por consiguiente, para el Perú puede aplicarse Z = 2.5 ZNorma E-030) G : factor de influencia de las condiciones topográficas y geotécnicas (para caso general, G = 1; para zona en pendiente, G = 1.1) U : coeficiente de importancia de la estructura (edificios comunes U = 1.0, centros comerciales U = 1.3, hospitales U = 1.5)
Método analítico • Como se ha dicho, el procedimiento analítico consiste en un problema inverso de diseño, donde se conoce las características de una estructura y se trata de investigar la resistencia de la estructura. • De acuerdo a la teoría de diseño plástico, la capacidad última de la estructura será alcanzada cuando un buen número de secciones alcancen la fluencia y originen un mecanismo de falla. Esto es comúnmente conocido como la formación del mecanismo de colapso, mediante la disipación de energía a través de rótulas plásticas, que se formarían en los encuentros vigacolumna en un sistema aporticado.
• Para que este mecanismo se llegue a configurar, es necesario que los encuentros viga-columna estén dotados del refuerzo por corte y flexión necesarios, de manera que sean capaces de experimentar una deformación tal que disipe la energía. • Para sistemas de losa rígida, puede asumirse que el mecanismo de falla más desfavorable es el de tipo panel, en que las columnas formarían rótulas plásticas en los encuentros con las vigas. De este modo, los momentos últimos que se originan en las columnas, determinarán el cortante último resistente de la estructura.
• Una vez conocido el momento de cada columna, se determina el cortante actuante, asumiendo el mecanismo de falla tipo panel. Posteriormente, conocidos los cortantes en cada columna, es posible conocer la capacidad teórica de cada uno de los entrepisos. Esta capacidad es comparada con la respuesta espectral de la estructura para las condiciones del sismo normalizado a las aceleraciones máximas esperadas, en períodos de retorno prefijados (habitualmente 50 y 100 años).
• Basándose en la información proporcionada por los planos estructurales disponibles y asumiendo algunos valores de cuantía de refuerzo en secciones donde no se pueda contar con esta información completa, se evalúa la resistencia estructural considerando las fórmulas existentes para los momentos últimos, considerando los efectos de flexión y carga axial para cada una de las columnas del sistema estructural.
• Considerando que la capacidad es sinónimo de la resistencia de la estructura mientras que la respuesta es sinónimo de demanda estructural, la estimación de la vulnerabilidad estructural puede hacerse mediante comparación de la demanda contra la resistencia del sistema estructural. Esta estimación indicará la tendencia existente hacia una cuantificación de la seguridad estructural, que nos indica si la estructura es segura o insegura frente a una demanda, en base al parámetro resistencia o capacidad última.
8.0 Reforzamiento de estructuras existentes 8.1 Filosofía del reforzamiento sismo-resistente 8.2 Principios básicos del reforzamiento estructural. 8.3 Principales técnicas de reforzamiento estructural utilizadas: 8.3.1 Relleno de muros 8.3.2 Elementos en contrafuerte 8.3.3 Pórticos perimetrales 8.3.4 Diagonales de arriostre. 8.3.5 Disipadores de energía. 8.4 Reforzamiento de elementos estructurales mediante fibra de carbono.
8.1 Filosofía del Reforzamiento Sismoresistente Pretender que un edificio antiguo se comporte como uno nuevo es técnicamente poco viable y económicamente injustificable. Sin embargo es posible y necesario reforzar las edificaciones clasificadas como esenciales (categoría A) según la Norma de Diseño Sismo-resistente E-030: Hospitales y Centros Educativos, entre otros. Reparación ≠ Reforzamiento Reparación : Restituir la capacidad sísmica Reforzamiento : Aumentar la capacidad sísmica
¿Es posible mejorar la ductilidad?
?
¿
¿Es posible esta transformación?
↓
→
• El reforzamiento estructural debe aplicarse a aquellas edificaciones que demuestren ser vulnerables después de un estudio de vulnerabilidad. El análisis de vulnerabilidad debe indicar las deficiencias de la estructura a nivel de resistencia, rigidez y ductilidad, así como indicar los defectos de su configuración arquitectónica. • El reforzamiento debe por lo tanto corregir las deficiencias y lograr una estructura cuya respuesta sísmica sea segura, seleccionando un sistema de reforzamiento que entorpezca lo menos posible en el funcionamiento, tanto durante el proceso, como en su resultado final.
• El análisis de la estructura reforzada debe realizarse considerando la amenaza sísmica y los elementos que se incorporan o se eliminan. Debe considerar los elementos no estructurales, comprobando su eficiencia en el mejoramiento o deterioro de la respuesta. En la medida de lo posible el refuerzo de estructuras debe considerar la eliminación de los defectos arquitectónicos e ingenieriles que se detecten con el estudio de la vulnerabilidad. • El diseño de los nuevos elementos debe ser tan riguroso como en el caso de estructuras nuevas y debe prestarse especial cuidado al detalle de unión de los elementos nuevos con la estructura existente. • En general, un reforzamiento busca descargar la estructura existente de las deformaciones y esfuerzos a que originalmente estaba sujeta la estructura para ser absorbidos por los nuevos elementos estructurales.
8.2 Principios Básicos del Reforzamiento Estructural 1. A las estructuras existentes antiguas NO es posible dotarlas de mayor ductilidad, sin embargo sí es posible mejorar la resistencia y rigidez. Entonces se consigue reducir la demanda sísmica restringiendo los desplazamientos laterales. 2. Al proporcionar mayor resistencia, se logrará reducir el rango de comportamiento inelástico demandado. 3. Al proporcionar mayor rigidez, se logrará reducir las solicitaciones de fuerza y deformación sobre la estructura existente.
A mayor desplazamiento, se produce mayor daño estructural. En consecuencia, al rigidizar la estructura, se reducen las deformaciones y, consiguientemente el daño sobre la estructura.
Caso 1: Reforzamiento del Hospital Carlos Alberto Seguín, Arequipa, luego del sismo 2001
Caso 1: Reforzamiento del Hospital Carlos Alberto Seguín, luego del sismo 2001
Armadura original: No es posible mejorar la ductilidad del sistema
Caso 2 : Reforzamiento del Estadio Nacional
Encamisetado de columnas
Adición de nuevas placas de C⁰A⁰
Caso 3: Técnicas de reforzamiento utilizadas en instituciones educativas
Cerramiento de paños con muros de albañilería Colocación de aletas de concreto armado Relleno parcial de paños con muros de albañilería Incorporación de muros acoplados Intervención general de columnas Inclusión de pórtico sísmico complementario
8.3 Principales técnicas utilizadas de reforzamiento estructural
Según el Ing. Carlos Cassabonne, existen dos filosofías: 1. Reforzamiento estructural: Enfrentar al SISMO
2. Aislamiento de la base: Torear al SISMO
8.3.1 Relleno de muros Adición de muro de corte (placa) para mejoramiento de la rigidez lateral
8.3.2 Elementos en contrafuerte
8.3.3 Pórticos perimetrales
8.3.4 Diagonales de arriostre Uso de diagonales como elementos de arriostre lateral
8.3.5 Reducción de la demanda sísmica
Existen dos técnicas fundamentales: Disipadores de energía Aislamiento de la base
Reforzamiento mediante disipadores de energía
Principios de los Disipadores de Energía El objetivo es disipar gran parte de la energía mediante el uso de amortiguadores. Los Disipadores Pasivos de Energía están basados en dos principios básicos a)Disipación de energía por la deformación inelástica de sólidos: con sistemas que se deforman a flexión, a fricción, o a corte.
b)Disipación de energía usando fluidos.
Estructuras de base fija con amortiguadores externos
Disposición de disipadores de energía
Torre Mayor, México: Disipadores de energía que usan fluidos viscosos
Torre del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez
Otros sistemas: Aislación Sísmica de la Base
Disposición general del sistema de aislamiento de base
Aisladores conformados por resortes helicoidales y amortiguadores elastoplásticos
Aisladores de péndulo de fricción
8.4 Reforzamiento de elementos estructurales mediante fibra de carbono El reforzamiento estructural con fibra de carbono, se refiere al empleo de elementos de fibra de carbono, de modo similar al de las barras de acero de la estructura; esto es, complementando las barras de acero en las zonas traccionadas o los estribos de corte, siempre teniendo en cuenta que la capacidad de refuerzo del carbono es unidireccional en el sentido de las fibras, dependiendo del tipo de fibra que se está usando. Comúnmente se utilizan tejidos de fibra de carbono conocidos como Wrap cuya disposición es unidireccional, aunque existen configuraciones de tipo bidireccional.
• Es conveniente tener en cuenta el hecho de que los laminados de fibra de carbono presentan unas altas características mecánicas, muy superiores a las del concreto y el acero, por lo que en la mayoría de los casos, el éxito del reforzamiento viene determinado más por el estado y preparación del elemento de soporte que por el propio carbono. • Existen tres tipos de situaciones: Reparación Rehabilitación Reforzamiento
Reforzamiento con fibra de carbono (CFRP: Polímero reforzado c/ fibra de carbono)
Aplicaciones: Incremento de la capacidad debido a algún cambio de uso. Reparaciones de secciones agrietadas o componentes estructurales dañados debido a condiciones agresivas de su entorno (fuego, impacto de vehículos, envejecimiento, etc.) Cambios en el sistema estructural: nuevas aberturas en la losa, demolición de muros existentes, perforaciones, etc. Reforzamiento alrededor de nuevas aberturas en placas Reparación de tuberías de diámetros grandes para lograr refuerzo y permeabilidad. Confinamiento pasivo para aumentar la resistencia sísmica. Corrección de errores de diseño o construcción: varillas de acero de refuerzo colocadas erróneamente, peralte insuficiente, etc.
Ventajas de la fibra de carbono: Es una tela fuerte y resistente, ideal para espacios confinados. Se usa para refuerzo de flexión y cortante, así como para confinamiento. Posee gran módulo de elasticidad. Es no corrosiva. Es versátil: puede usarse para envolver formas complejas. Es ligera en peso; no altera la masa ni las cargas dinámicas en la estructura. Posee resistencia a ambientes alcalinos. Tiene sección delgada. Puede ser fácilmente cruzada y traslapada.
Casos en que NO debe usarse: La condición del concreto en la zona donde se deben colocar las fibras sea de mucho deterioro. Existencia de corrosión sustancial en el acero de refuerzo interno. No existencia de acero suficiente para proporcionar un comportamiento dúctil al elemento de concreto armado.
Propiedades Mecánicas de la Fibra de Carbono o Las platinas CFRP son una combinación de fibras de carbono y una matriz de resina epóxica y tiene en la dirección de la fibra una resistencia muy alta (38000 Kg/cm2 ) y peso específico muy bajo . o Las fibras están colocadas en dirección longitudinal correspondiendo a la dirección de la solicitación. o Las fibras son los elementos con capacidad de carga y la matriz epóxica sirve para unir entre sí las fibras. o La resistencia en dirección transversal a las fibras así como la resistencia a cortante son bajas. o Las características mecánicas en la dirección longitudinal son determinadas por el tipo de fibra y por el contenido en volumen de fibras en la platina.
Comportamiento de las secciones reforzadas con CFRP • La fibra de carbono no es un material dúctil y muestra un comportamiento de esfuerzo-deformación prácticamente lineal cuando es cargado a la falla en tracción. • Las secciones de concreto armado con acero y con fibras de carbono muestran un comportamiento dúctil.
Tipos de falla en secciones reforzadas con CFRP
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Falla a tracción de fibra. Aplastamiento del concreto en la zona a compresión. Desprendimiento del concreto en la zona a tracción. Rotura interlaminar. Falla de cohesión en la capa de adhesivo. Falla de cohesión en la superficie de lamina CFRP. Falla de cohesión en la superficie de concreto.
Reforzamiento completo de viga con CFRP, aplicada como refuerzo de cortante y laminado para soportar tracciones
Reforzamiento con bandas de fibra de carbono
Reforzamiento de viga subarmada
Colocación del refuerzo de fibra de carbono
Encamisetado de columnas
Encamisetado de columnas con fibra CFRP
Reforzamiento de nudo (encuentro viga-columna)
Refuerzo con fibra de carbono a flexión en vigas
Reforzamiento de viga acartelada
Muchas gracias por su atención
Ing. Oscar Fernández Cruz www.ciepsat.com