Daños estructurales en construcciones patrimoniales de la Iglesia Católica en la Arquidiócesis de Concepción producto del sismo del 27 de febrero 2010 (Chile)

El 27 de febrero del 2010 a las 3:34am (hora local), la zona centro-sur de Chile fue sacudida por un terremoto magnitud momento 8,8. A consecuencia de ello varias iglesias de la Arquidiócesis de Concepción sufrieron daños desde menores hasta algunas que tuvieron que ser demolidas o que simplemente colapsaron en el mismo instante del terremoto. Por lo anterior, las autoridades de la Universidad Católica de la Santísima Concepción pidieron se conformara una comisión para revisar estas iglesias y capillas. A través de un trabajo de ingenieros, arquitectos y constructores que constituyeron esta comisión, se logró tener una evaluación de estas construcciones. En esta evaluación se identificaron algunas fallas típicas propias de este tipo de construcción que evidenciaron que frente a movimientos telúricos de esta magnitud era claro que fallarían. Por eso este trabajo también trata de la identificación de estas fallas y entregar recomendaciones para que no se vuelvan a producir.
 
Introducción
Este artículo presenta las inspecciones estructurales realizadas a varias construcciones como la Catedral de Concepción e iglesias y capillas pertenecientes al Arzobispado de Concepción. Este trabajo fue encomendado por las autoridades de la Universidad Católica de la Santísima Concepción, el Rector Dr. Juan Cancino y el Gran Canciller Monseñor Ricardo Ezzati, a través de la Vicerrectoría de Asuntos Económicos y Administrativos. La duración de los trabajos fue de alrededor de 3 meses. Si bien se inspeccionaron 34 iglesias y otras estructuras, sólo se presentan análisis de las más importantes y simbólicas.
Se entregan algunos aspectos generales del sismo del 27/02/2010 y una comparación con otros eventos ocurridos en tiempos pasados. Además se presenta una descripción de las estructuras resistentes, los daños observados y se realiza un análisis de las causas de dichos daños. Esta información fue parte de los informes estructurales utilizados para su reparación. Las estructuras inspeccionadas corresponden a la Catedral de Concepción, El Sagrario y la Iglesia La Pompeya, todas ubicadas en el centro de Concepción. Además, se inspeccionó el Templo Parroquial Jesús Obrero, ubicado en el sector Schwager de Coronel y el Santuario de Yumbel. La Figura 1 muestra la ubicación geográfica de las estructuras inspeccionadas de Yumbel y Schwager respecto a Concepción.


A pesar de que se han publicado trabajos sobre los efectos del terremoto del 27 de febrero 2010, estos han sido principalmente sobre daños en edificios habitacionales y en estructuras industriales (GEER 2010, Betanzo, 2010). Es por ello que este trabajo aporta en la investigación de estructuras de iglesias, las cuales son en general más antiguas y por lo tanto ya han sufrido antes grandes terremotos.
Aspectos generales del sismo
El sismo del 27 de febrero del año 2010, de magnitud momento 8.8, tuvo su epicentro en las costas de Cobquecura, región del Bío Bío. Para mayor información sobre este terremoto revisar Barrientos (2010) y Quezada et al. (2010). La Figura 2 muestra la localización del epicentro, el cual se ubicó a 100 km al norte de la ciudad de Concepción, lo que explica la gran intensidad del sismo en esta zona.


La intensidad de un sismo se mide mediante la escala de Mercalli. Esta escala posee 12 grados y mide la intensidad en un lugar específico. Por lo tanto refleja la sensación que perciben las personas de tal lugar de ese movimiento telúrico y del estado en que quedan las estructuras, luego de una evaluación estructural, en caso de intensidades mayores a VI. Para una descripción de los grados de la escala de Mercalli modificada, ver por ejemplo Sauter (1989). De este modo, se pueden reportar varias intensidades para un mismo sismo, dependiendo del lugar donde se obtengan, las cuales van decreciendo a medida que la distancia desde la zona de ruptura aumenta. La Tabla 1 muestra las intensidades reportadas en distintas ciudades para el evento del 27 de febrero 2010. Se puede observar que el máximo valor alcanzado se reportó en Concepción, alcanzando un valor de IX. Otros registros de intensidades algo menores y más detallados han sido reportados por Astroza et al. (2010).


Según la descripción de la escala, con un sismo de intensidad IX se produce pánico general. "Las estructuras de albañilería mal proyectadas o mal construidas se destruyen. Las estructuras corrientes de albañilería bien construidas se dañan y a veces se derrumban totalmente. Las estructuras de albañilería bien proyectadas y bien construidas se dañan seriamente. Los cimientos se dañan. Las estructuras de madera son removidas de sus cimientos. Sufren daños considerables los depósitos de agua, gas, etc. Se quiebran las tuberías (cañerías) subterráneas. Aparecen grietas aún en suelos secos. En las regiones aluviales, pequeñas cantidades de lodo y arena son expelidas del suelo".
Como una comparación, el sismo de Chillán de 1939 fue catalogado como intensidad X en la escala de Mercalli. Según reportes oficiales, el 50% de las construcciones existentes en Chillán colapsaron y unas 5.650 personas fallecieron, aun cuando la prensa contabilizó unos 30.000 (Villavicencio, 2010). Las construcciones de esa época eran principalmente de albañilería sin confinar, madera y adobe, lo que explica el alto porcentaje de estructuras destruidas. Por otro lado, el sismo del 21 de mayo de 1960 sigue siendo el más grande de la historia medido instrumentalmente. Alcanzó una magnitud momento 9.5 y una intensidad VIII en Concepción. Aun cuando la intensidad en Valdivia alcanzó los XI grados. En Concepción y Talcahuano se estimó en más de 10.500 las viviendas destruidas. El puente carretero sobre el río Bío Bío se destruyó en tres partes, especialmente en la zona aledaña a Concepción, donde se derrumbó un tramo de 45 m (Steinbrugge y Flores, 1963; Villavicencio, 2010).
Los dos sismos anteriormente mencionados, más el de 1985 ocurrido en Santiago y Valparaíso, son de gran importancia para el estudio de la ingeniería antisísmica. El sismo de Chillán de 1939 demostró la ineficacia de las albañilerías sin armar para resistir los esfuerzos sísmicos y las bondades de la albañilería confinada. Del mismo modo, el evento de 1960 señaló la considerable importancia que tiene la Mecánica de Suelos y su consideración en los proyectos de ingeniería. De este modo, La Ley de Ordenanza General de Construcciones y Urbanización, vigente desde 1931, fue modificada. Además, en 1972 entró en vigencia la primera Norma Chilena para el cálculo sísmico de edificios NCh 433, la que fue modificada en el año 1996 tras la incorporación de información del terremoto de 1985 (Flores 1998). Por lo tanto, es muy probable que nuevas modificaciones sean implementadas en la norma NCh 433 cuando se analicen los datos obtenidos del sismo del 27 de febrero 2010. Sin embargo, la norma NCh 433 no es directamente aplicable al tipo de estructuración que tienen la mayoría de las iglesias.
Inspecciones realizadas
Iglesia La Pompeya
Esta iglesia está ubicada en la intersección de Lincoyán y San Martín en Concepción y consta de una estructura en base a muros de albañilería de 1 y 2 m de espesor aproximadamente con cerchas y pilares de madera y una techumbre de planchas metálicas (Figura 3). La fecha de construcción es de aproximadamente el año 1850, según antecedentes aportados por los sacerdotes de esta iglesia. Por lo tanto posterior al gran terremoto y tsunami ocurrido en Concepción en 1835. El año 1940 se hicieron trabajos de refuerzo de la estructura de la nave central en base a vigas de hormigón armado de una altura aproximada de 1 m que unieron los muros laterales en la parte central de la iglesia y el año 1960 se hicieron trabajos de refuerzo del frontón.

Efectos estructurales del megaterremoto de Chile

 

 

Un nuevo terremoto ocurrió en el norte Chile a las 20.46 hora local del martes 1 de abril de 2014, de magnitud 8,2 en la escala de Richter y de larga duración. Esta noticia sirve de nexo para analizar el megaterremoto que tuvo lugar en el 2010. En efecto, el Terremoto de Chile de 2010 fue un sismo ocurrido a las 03:34:08 hora local (UTC-3), del sábado 27 de febrero , que alcanzó una magnitud de 8,8 M_W. El epicentro se ubicó en el Mar chileno, frente a las localidades de Curanipey Cobquecura, cerca de 150 kilómetros al noroeste de Concepción y a 63 kilómetros al suroeste de Cauquenes, y a 30,1 kilómetros de profundidad bajo la corteza terrestre. El sismo tuvo una duración de 3 minutos 25 segundos, al menos en Santiago y en algunas zonas llegando a los 6 minutos. Fue percibido en gran parte del Cono Sur con diversas intensidades, en lugares como Buenos Aires y São Paulo por el oriente.  Las víctimas llegaron a un total de 525 fallecidos. Cerca de 500 mil viviendas están con daño severo y se estiman un total de 2 millones de damnificados, en la peor tragedia natural vivida en Chile desde 1960. El sismo es considerado como el segundo más fuerte en la historia del país y el sexto más fuerte registrado por la humanidad. Sólo es superado a nivel nacional por el cataclismo del terremoto de Valdivia de 1960, el de mayor intensidad registrado por el ser humano mediante sismómetros. El sismo chileno fue 31 veces más fuerte y liberó cerca de 178 veces más energía que el devastador terremoto de Haití ocurrido el mes anterior, y la energía liberada es cercana a 100.000 bombas atómicas como la liberada en Hiroshima en 1945.

Este terremoto causó graves daños en las edificaciones del centro del país.  Se ha visto en la práctica el funcionamiento sísmico del universo de edificaciones existentes en la zona, en todos sus sistemas de estructuración, materiales y usos. En lo que compete a la Ingeniería Estructural ha sido un tiempo de aprendizaje, de observación de los distintos tipos de fallas, del comportamiento variado de los materiales y también de los defectos constructivos. Ha generado la necesidad de confeccionar un catastro de las edificaciones, basándose en su daño estructural, estudiar edificios completamente colapsados, otros que han quedado con serios problemas estructurales y aquéllos que mediante reparaciones menores, podrán seguir siendo habitados. Las edificaciones que requieran ser demolidas, precisan la realización de proyectos de ingeniería, la disposición de importantes recursos económicos y técnicos, y medidas de seguridad extremas para salvaguardar a la población. Este escenario obliga a poner en ejercicio las diferentes técnicas de reparación, de acuerdo a los distintos materiales de construcción y sobre la base de las tecnologías existentes. El objetivo planteado ha sido darles nuevamente las características de resistencia que eviten su colapso ante nuevas solicitaciones sísmicas.

A continuación os paso un vídeo realizado por la Universidad Politécnica de Madrid donde Richard Leonardo Zapata Garrido explica este terremoto y sus consecuencias desde el punto de vista ingenieril. Espero que os guste y os sea útil. video

Tipos de falla en los muros de concreto de edificios chilenos en el sismo del 27 de febrero de 2010

 

El sismo de Chile del 27 de febrero del 2010, tuvo características excepcionales en cuanto a magnitud, duración, aceleraciones, contenido de frecuencias, poder destructivo, etcétera. El terremoto produjo un nivel considerable de daños estructurales en varios edificios de concreto armado de diversas alturas, particularmente en los ubicados sobre suelos blandos, susceptibles de amplificar las aceleraciones sísmicas de manera sustancial. En especial, se dieron fallas en los muros estructurales de concreto armado de carácter repetitivo en muchos edificios, cuya naturaleza fue discutida por especialistas peruanos, sin que se llegara a un consenso. En este artículo se comentan algunos tipos de fallas, a partir de investigaciones realizadas y basadas también en los códigos de diseño del ACI chileno y peruano para, de esta manera, aprovechar las lecciones dejadas por este sismo, así como para proponer mejoras en el diseño estructural.
Introducción
El terremoto ocurrido el 27 de febrero del 2010 en Chile, produjo fuertes daños en numerosas edificaciones (edificios, obras portuarias, obras viales, naves industriales, etc.) construidas con diversos materiales (concreto armado, albañilería, acero, tierra cruda, etc.). En particular, fue notorio el daño presentado en edificios de concreto armado, estructurados con muros, columnas y vigas. Llamó la atención la formas de falla repetitiva que exhibieron los muros de concreto armado; en especial, la falla horizontal localizada en la zona superior de los muros con el pandeo del refuerzo vertical interno. Ello originó un debate entre especialistas peruanos en estructuras, sin que se llegara a unconsenso; de ahí que es importante conocer las causas de estas fallas para que no se repitan en sismos futuros, o al menos, que sus efectos queden atenuados. Es por esto que se presentan en este artículo una serie de comentarios sobre estas fallas, contemplando las investigaciones experimentales realizadas y las especificaciones reglamentarias de tres códigos de diseño estructural.
Características del sismo
De acuerdo a la información del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS por sus siglas en inglés), (Ref.1 y Fig.1), el sismo tuvo una magnitud Mw=8.8; produjo fuertes daños en una extensa zona, incluyendo a la capital, Santiago, ubicada a 325 km del epicentro, así como en otras ciudades como Concepción, situada a 115 km del epicentro. El foco fue localizado a 35 km de profundidad.
En Santiago, según la información proporcionada por Boroschek, et. al. 2010 (Ref. 2), las aceleraciones horizontales máximas en suelo de buena calidad, oscilaron entre 0.17 y 0.30 g, con un promedio de 0.24 g. Sin embargo, en la Comuna de Maipú (distrito de Santiago, Fig.2), esta aceleración fue de 0.56 g, 2.3 veces mayor que el valor promedio registrado en suelo duro, lo que se atribuye a las características particulares del suelo de Maipú.
El promedio de la aceleración horizontal en suelo duro (0.24 g) de Santiago -a 325 km del epicentro-, fue menor que el valor utilizado en suelo duro para efectos de diseño estructural para la zona sísmica 2 (0.3 g, Ref.3). Sin embargo, si bien la Norma Sísmica Chilena (Ref. 3) ubica a Santiago en la zona sísmica 2, en la Fig. 18 se aprecia que la ciudad está localizada prácticamente en la frontera con la zona sísmica 3, donde la aceleración de diseño en suelo duro es 0.4 g, por lo que en Santiago, desde el punto de vista estructural, el sismo en cuestión debió haberse catalogado como "moderado"; aún así, produjo fuertes daños estructurales. Al cierre de este artículo, se tiene conocimiento de que en Concepción, a 115 km del epicentro, la aceleración horizontal máxima registrada fue 0.65 g (Ref.4) y 0.4 g (Ref.13); sin embargo, aún no se conoce el tipo de suelo donde estuvieron ubicados los acelerógrafos.
Formas de falla en los muros de concreto armado
En las visitas de reconocimiento efectuadas por Quiun, Silva y Blanco (Ref. 5), así como por las fotografías extraídas de internet, se observan las clásicas fallas por flexión, las de fuerza cortante y las de deslizamiento en los muros de concreto armado, producidas también en los diversos terremotos ocurridos en el mundo (Ref. 6). Sin embargo, llamó 2 la atención una forma de falla horizontal, localizada en la parte superior de los muros, con un pandeo del refuerzo vertical interno. Puesto que para los autores esta forma de falla no tiene antecedentes, y porque se presentó en muchos edificios, se le trata en forma especial más adelante. Debe mencionarse que el momento flector, la carga axial y la fuerza cortante, actúan de manera simultánea durante el sismo, y que sus valores máximos tienen lugar en los primeros pisos del edificio, por lo que es allí donde tienden a presentarse las fallas, que inclusive pueden darse por una combinación de las tres fuerzas de sección mencionadas.
Falla por flexión
Este tipo de falla se presenta cuando la capacidad de resistencia a la fuerza cortante (proporcionada por el refuerzo horizontal y el concreto) supera a la de flexión (generada por el refuerzo vertical y la carga axial). Esta falla se caracteriza por el balanceo del muro en torno a sus extremos, transmitiéndose gran parte de la carga vertical (P, en la Fig. 3) por el extremo comprimido, lo que puede originar la trituración del concreto con el subsiguiente pandeo del refuerzo vertical, en caso de que no exista confinamiento en los extremos (caso muy común en los edificios chilenos, Fig.4). Aunado a esto, experimentalmente se ha observado (Ref. 8) que una vez formada la grieta de tracción por o flexión en el borde del muro, el refuerzo vertical al trabajar en tracción o compresión, trata de expulsar al concreto. Estas continuas aberturas y cierres de las grietas, son las causantes de la trituración del concreto en el borde carente de confinamiento.




Cabe indicar que sólo los bordes libres (sin muros transversales) necesitan ser confinados con estribos a corto espacia-miento, puesto que en el extremo con muros transversales largos, el área flexocomprimida se incrementa notoriamente, aparte que los muros transversales proporcionan confinamiento al muro en análisis (Fig. 5). Asimismo, el refuerzo vertical existente en los muros transversales y la carga de gravedad que baja por esos muros, incrementan notoriamente la capacidad resistente a flexión del muro en análisis y tratan de evitar que se desarrollen las grietas de tracción por flexión en esa unión entre muros. En la Fig. 5, no puede afirmarse que la falla haya sido netamente por flexión; si esto hubiese sido así, los giros por flexión en el muro hubieran sido importantes y habrían generado la formación de una rótula plástica en la viga que arriba coplanarmente al muro; asimismo, se hubiesen presentado otras fisuras de tracción por flexión en el muro y la falla hubiera quedado concentrada principalmente en su base. Como lo indicado no ocurrió, se piensa que la falla del muro se debió a una acción combinada de flexión y fuerza cortante, agravada por la carga vertical concentrada que transmiten las vigas en el extremo libre superior del muro.


Conviene señalar que la falla por flexión trata de concentrarse en la zona más débil del muro, por ejemplo, donde hay una reducción significativa de su longitud (Fig. 6), evidentemente porque la capacidad resistente a flexión en la zona más larga del muro es mayor que la existente en la zona de menor longitud.

Estimación del daño sísmico en edificaciones de mampostería

En el presente trabajo se aplica un modelo de evaluación del nivel de daño que pueden alcanzar las edificaciones de mampostería de una ciudad ante un determinado evento sísmico, el cual fue construido para condiciones propias de nuestro país. El modelo se basa en la aplicación de funciones de vulnerabilidad o matrices de probabilidad de daño, elaboradas a partir de técnicas de simulación. Las funciones están propuestas para valores de aceleración máxima desde 0,02 g a 0,25 g, y su utilización se recomienda a gran escala. El modelo fue aplicado a una población ubicada al nororiente colombiano, dentro del área metropolitana de Bucaramanga. Para su aplicación fue necesario realizar levantamiento en campo de la información básica de las edificaciones de la zona de estudio. En la construcción de las funciones y matrices se utilizó el estudio de amenaza sísmica existente. Con la información disponible, se aplicó el modelo implementando herramientas computacionales, y con ellas se elaboraron los mapas de daños para diferentes eventos sísmicos. Los resultados demostraron la aplicabilidad y sencillez del modelo, dado que para estimación de la vulnerabilidad de las edificaciones se requiere información general de las edificaciones, la cual es de fácil recolección en campo, y para la estimación del daño ante una acción determinada se utilizan directamente las funciones propuestas.
1. INTRODUCCIÓN
En el territorio colombiano muchas de sus poblaciones se han desarrollado a través de edificaciones de baja altura en el sistema estructural de muros en mampostería, sea confinada, sin confinar, reforzada o no reforzada. A su vez, algunas de estas edificaciones se han construido sin parámetros sismorresistentes, a pesar de encontrarse ubicadas en zonas de amenaza sísmica alta. Asimismo, ciertos desarrollos urbanos dentro de las ciudades se han desplegado desordenadamente sin planificación, pues han nacido y crecido atendiendo las necesidades básicas de vivienda económica de sus habitantes. Por todo lo anterior es fundamental desarrollar estudios de vulnerabilidad sísmica de estas zonas, que permitan visualizar y cuantificar el nivel de riesgo al que se encuentran expuestas. Luego, ante la necesidad de estos estudios es importante aplicar metodologías que tomen en consideración las características propias del desarrollo de estas poblaciones, y para ello es importante construir o aplicar modelos propios.
Dentro de este contexto se encuentra la ciudad de Bucaramanga y su área metropolitana donde las edificaciones que predominan son de, máximo, tres niveles en mampostería no siempre confinada (Maldonado y Chío, 2007). En el interior del área metropolitana se halla la población de Floridablanca la cual cuenta con desarrollos urbanos, algunos subnormales, ubicados en zonas de alta pendiente, los cuales son preocupación de las entidades gubernamentales del municipio. Luego, dado el interés en conocer el nivel de daños que puede alcanzar esta zona ante los eventos sísmicos propuestos en el estudio de zonificación sismo geotécnica indicativa de la ciudad de Bucaramanga (Ingeominas y CDMB, 2002).
Para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de Floridablanca no se contaba con registros de datos reales ni con información experimental; por ello se tomó la decisión de usar técnicas basadas en opinión de expertos, combinadas con procesos analíticos, y para ello se utilizó la metodología sugerida por Maldonado et al. (2007), la cual propone aplicar funciones de vulnerabilidad sísmica o matrices de probabilidad de daño a partir de un calificativo de la edificación, llamado índice de vulnerabilidad. Las funciones fueron aplicadas para los dos escenarios sísmicos más probables, y los resultados demostraron la aplicabilidad del modelo utilizado.

2. METODOLOGÍA UTILIZADA
El nivel da daño que pueden alcanzar las edificaciones del área de estudio, sometida a una determinada acción sísmica se puede obtener mediante dos procedimientos: el primero, por medio de las denominadas matrices de probabilidad de daño, y el segundo a través de las funciones de vulnerabilidad. Los principales métodos utilizados para la generación de las matrices de probabilidad de daño o funciones de vulnerabilidad difieren básicamente en los datos de entrada y en la forma como se obtienen las probabilidades asociadas a cada estado de daño; luego, estos pueden ser métodos basados en observaciones de campo, experimentales, basados en al opinión de expertos y métodos analíticos. Dependiendo de la información con la que se cuente se podrá utilizar uno u otro método, o se podrán combinar. En el caso de aplicación a ciudades colombianas como Floridablanca en el área metropolitana de Bucaramanga, se han construido funciones y matrices basadas en opinión de expertos y en técnicas de simulación (Maldonado et al., 2007). Estas funciones fueron construidas a partir de la simulación de las características de edificaciones que definen su respuesta ante una acción sísmica, y mediante la estimación de vulnerabilidad dada por expertos a cada uno de los parámetros del modelo (Maldonado et al. 2008), realizando el siguiente procedimiento:
a) Generación aleatoria de los parámetros que intervienen en la determinación de la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones de mampostería, los cuales son considerados como los de mayor influencia en la respuesta sísmica de las edificaciones de mampostería. 
b) Cuantificación de la vulnerabilidad a través del índice de vulnerabilidad (Maldonado et al., 2007, UIS-Alcaldía Floridablanca, 2006) el cual relaciona el grado de vulnerabilidad y los valores de importancia de los parámetros; este índice se basa en el método propuesto por Benedetti y Petrini (1984). Los valores de grado de vulnerabilidad y de importancia son definidos a partir de opiniones de expertos. 
c) Determinación del cortante de piso que actúa en cada nivel (FHE), que se utiliza como solicitación lateral del piso en el caso de edificios con flexibilidad despreciable del diafragma. 
d) Cálculo del índice global de daño para cada nivel, ante diferentes solicitudes sísmicas, utilizando el modelo de Abrams (Abrams, 1992). 
e) Relación de los valores del índice de vulnerabilidad con el índice de daño para cada acción sísmica definida.
Las funciones fueron construidas para valores de aceleración de 0.02, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 y 0.25g. En la figura 1 se presentan las funciones para las diferentes acciones sísmicas.

Figura 1. Funciones de vulnerabilidad calculadas (Maldonado et al.2006).

Las funciones corresponden a una polinomial, ver ecuación 1.

 (1)

Siendo, los valores de las constantes a₁, a₂, a₃, y b los presentados en la tabla 1.

Tabla 1. Coeficientes de las funciones ajustadas.

Fuente: elaboración propia
Para la definición del nivel de daño de la edificación, a partir de las funciones o matrices, es necesario estimar un índice de vulnerabilidad el cual se base en la calificación de 11 parámetros (ver figura 2). El concepto de este índice fue introducido por Benedetti y Petrini (1984) en Italia, y posteriormente se ha incorporado en la estimación de la vulnerabilidad en otras ciudades como Barcelona, España (Yépez, 1996 y Mena, 2002), en Cuenca, Ecuador (Jiménez, 2002) y en Mérida, Venezuela (Castillo, 2005).

Fuente: elaboración propia 
(1) Sistema estructural, 
(2) Calidad del sistema resistente, 
(3) Resistencia estructural, 
(4) Posición de la cimentación, 
(5) Suelo y pendiente del terreno, 
(6) Diafragmas horizontales, 
(7) Configuración en planta, 
(8) Configuración en elevación, 
(9) Distancia máxima entre los muros 
(10) Tipo de cubierta, 
(11) Estado de conservación. 
Figura 2. Parámetros en la estimación del índice de vulnerabilidad sísmica.
En la estimación de este índice de vulnerabilidad se requiere realizar el inventario de las edificaciones de mampostería que se desea evaluar. Este inventario se realiza mediante un formulario, el cual contiene las características necesarias para evaluar los once parámetros necesarios para la determinación del índice de vulnerabilidad de la edificación. En lafigura 3 se ilustra parte del formulario que hace referencia a las preguntas correspondientes a los dos primeros parámetros.

Análisis estructural, sísmico y geotécnico de la iglesia de Sant' Agostino en L'aquila (Italia)

A menudo, las construcciones existentes en albañilería son el resultado de construcciones, cambios y modificaciones que se han ido desarrollando durante siglos. Por lo tanto, las adaptaciones y mejoras de las edificaciones en albañilería deben ir acompañadas de un nivel adecuado de conocimiento de su historia. Las trágicas consecuencias de los recientes terremotos ocurridos en Italia y otros países, han llevado a pensar que, a veces, la causa del daño sísmico podría ser justamente una errada intervención de la mejora o adaptación que se les ha realizado. En la mayoría de los casos, este hecho es atribuible a las modificaciones realizadas sin tener los conocimientos necesarios sobre las normas constructivas de esa edificación. El estudio de caso presentado en este trabajo se refiere al análisis sísmico de la iglesia de Sant' Agostino en L'Aquila (gravemente dañada por el sismo ocurrido en abril de 2009), y considera en profundidad los tres niveles de evaluación de la seguridad sísmica establecidos en el Código Italiano para la evaluación y reducción del riesgo sísmico del patrimonio cultural Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, (2003), Decreto Legislativo (2004), Norme tecniche per le costruzioni, DM. (2005), Norme tecniche per le costruzioni, DM. (2008), Circolare n. (2010), Direttiva del Presidente del Consiglio dei ministri per la valutazione e la riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle Norme Tecniche per le Costruzioni. G.U. (2008). Así, para el LV1 (Nivel de evaluación 1) se realizaron todos los análisis exigidos en los anexos de la Directiva del 10 de diciembre de 2007, comenzando por el Módulo A que corresponde al "registro de identificación", continuando con el Módulo B que se refiere al estudio de los "factores de sensibilidad" y finalizando con el Módulo C que considera la "morfología de los elementos". A partir de esta evaluación, hemos concluido que la aceleración máxima del terreno durante el sismo del 6 de abril de 2009 superó el valor de aceleración correspondiente a los estados límite de colapso. Para el LV2 (Nivel de evaluación 2), nos enfocamos principalmente en la verificación de todos los macroelementos como una fuente potencial del mecanismo de daños. Descubrimos que los mecanismos ocurridos estaban mayormente relacionados con la fachada, la nave, la cúpula, el ábside/presbiterio, la techumbre, capillas laterales, las juntas entre la alineación horizontal y vertical, y por último, el campanario. Un vez recopilados todos los datos relacionados con el sitio, la geometría de la construcción, las características de los materiales, la estructura, el suelo, etc., realizamos un análisis modal a la estructura utilizando el Método de Elemento Finito dinámico (FEM, en inglés), válido para el LV3 (Nivel de evaluación 3). Además, estos ensayos dinámicos son esenciales para la evaluación de la seguridad sísmica y poseen la ventaja de no ser destructivos. Finalmente, el análisis entregó los modos de vibración más importantes y sugirió las intervenciones estructurales óptimas para reparar el daño existente y evitar la formación de los mismos mecanismos bajo la acción de un futuro sismo.
1. Aspecto histórico
El caso propuesto constituye la síntesis de análisis estructural y sísmico de la iglesia de Sant' Agostino en L'Aquila, gravemente dañada por una serie de sismos ocurridos en abril de 2009, realizada mediante una profunda comprensión tanto histórica como científica de la edificación.
La construcción de Ia iglesia data de comienzos del 1700. En Ia actualidad, Ia iglesia persiste, al menos parcialmente, en el emplazamiento de otra iglesia fundada en 1282 y dedicada a San Agustín (Cacciamali et al.,2010). La iglesia original fue seriamente dañada por diversos sismos, quedando destruida por un sismo ocurrido el año 1703. El proyecto de Ia actual iglesia pertenece al arquitecto Giovan Battista Contini y data de fines de 1708 y terminándose, probablemente, hacia 1725 (Cacciamali etal., 2010; Gavini I. C, 1926).
En su fase medieval, Ia iglesia tenía una planta en forma de cruz latina, con tres naves y crucero, ábside al fondo y Ia fachada principal orientada hacia el oeste, hacia las calles adyacentes en lugar de mirar hacia Ia plaza. Fue Ia iglesia de las tres órdenes mendicantes que residían en L'Aquila: los Agustinos, después de los Franciscanos y Dominicanos (Figura 1).

Figura 1. La iglesia medieval
En la iconografía de Ia ciudad de 1622 y 1680, la presencia de Ia fachada retranqueada de coronamiento recto, que caracterizaba a la iglesia original, apoya la teoría de la persistencia de su implante medieval (modificado posiblemente en 1656 con la introducción de la apertura principal hacia la plaza) hasta su colapso debido al sismo de 1703, cuando Contini trazó una nueva arquitectura, cubierta por una cúpula y abierta hacia la plaza pública (Cacciamali et al., 2010; Antonini, 2004; Antonini 1999; Chiodi, 1988).

Figura 2. Iconografía de la iglesia después de abrir la puerta principal hacia la plaza
2. Descripción de la iglesia
La iglesia posee un plano longitudinal, la entrada se abre hacia un pequeño atrio cubierto por un techo inclinado, seguido por una nave de forma elíptica, coronada por una cúpula y por un largo ábside, cubierto por una bóveda cilíndrica. A ambos lados de la nave, tiene tres pares de capillas: las capillas mayores están ubicadas en el eje ortogonal principal, mientras que las capillas menores se ubican en los ejes diagonales. En el exterior un sistema de machones. El domo que se levanta sobre la nave tiene un largo máximo de veinte metros, se encuentra reforzado con cuadernas y coronado por una linterna.

Daños estructurales en construcciones patrimoniales de la Iglesia Católica en la Arquidiócesis de Concepción producto del sismo del 27 de febrero 2010

Introducción
Este artículo presenta las inspecciones estructurales realizadas a varias construcciones como la Catedral de Concepción e iglesias y capillas pertenecientes al Arzobispado de Concepción. Este trabajo fue encomendado por las autoridades de la Universidad Católica de la Santísima Concepción, el Rector Dr. Juan Cancino y el Gran Canciller Monseñor Ricardo Ezzati, a través de la Vicerrectoría de Asuntos Económicos y Administrativos. La duración de los trabajos fue de alrededor de 3 meses. Si bien se inspeccionaron 34 iglesias y otras estructuras, sólo se presentan análisis de las más importantes y simbólicas.
Se entregan algunos aspectos generales del sismo del 27/02/2010 y una comparación con otros eventos ocurridos en tiempos pasados. Además se presenta una descripción de las estructuras resistentes, los daños observados y se realiza un análisis de las causas de dichos daños. Esta información fue parte de los informes estructurales utilizados para su reparación. Las estructuras inspeccionadas corresponden a la Catedral de Concepción, El Sagrario y la Iglesia La Pompeya, todas ubicadas en el centro de Concepción. Además, se inspeccionó el Templo Parroquial Jesús Obrero, ubicado en el sector Schwager de Coronel y el Santuario de Yumbel. La Figura 1 muestra la ubicación geográfica de las estructuras inspeccionadas de Yumbel y Schwager respecto a Concepción.


A pesar de que se han publicado trabajos sobre los efectos del terremoto del 27 de febrero 2010, estos han sido principalmente sobre daños en edificios habitacionales y en estructuras industriales (GEER 2010, Betanzo, 2010). Es por ello que este trabajo aporta en la investigación de estructuras de iglesias, las cuales son en general más antiguas y por lo tanto ya han sufrido antes grandes terremotos.
Aspectos generales del sismo
El sismo del 27 de febrero del año 2010, de magnitud momento 8.8, tuvo su epicentro en las costas de Cobquecura, región del Bío Bío. Para mayor información sobre este terremoto revisar Barrientos (2010) y Quezadaet al. (2010). La Figura 2 muestra la localización del epicentro, el cual se ubicó a 100 km al norte de la ciudad de Concepción, lo que explica la gran intensidad del sismo en esta zona.

Guía de Evaluación Sísmica de Daños Sísmicos

 

I. INTRODUCCION

El reciente terremoto ocurrido el 27 de febrero de 2010 sometió a las construcciones a una energía de movimiento mayor de la que históricamente había sucedido en la zona central del país provocando daños de diversa consideración en los edificios.
El objetivo del diseño sismoresistente, regido en Chile por la norma NCH 433. Of. 96, es impedir que la estructura resistente de un edificio colapse o se desmorone evitando así la pérdida de vidas humanas. Pero es prácticamente imposible que un sismo de tal magnitud no provoque algún tipo de daño en las construcciones.
Los propietarios de viviendas en altura o de pocos pisos pueden realizar una evaluación previa de los daños sufridos por sus propiedades siguiendo algunas sencillas recomendaciones que se entregarán en esta guía.
· Es importante distinguir entre daño estructural y no estructural. El primero es el sufrido por el sistema o esqueleto resistente del edificio (pilares, vigas, muros de carga, losas) y que compromete su estabilidad constituyendo un real peligro para los habitantes; el segundo se refiere a todos los elementos constructivos no resistentes (ciertos muros, tabiques y otros) que no comprometen la estabilidad de la obra, pero dependiendo de la magnitud del daño sufrido pueden constituir un peligro a la integridad física de los ocupantes.
· La aparición de fracturas y grietas en tabiques no estructurales pueden parecer daños realmente espectaculares, pero es importante recordar que éstos no tienen relación con la estructura resistente del edificio y que incluso su rotura ayuda a disipar la energía en la estructura principal.
· También es posible que el sismo haya generado microfracturas en las instalaciones de la vivienda (electricidad, gas, agua) las que no son evidentes en un principio, pero pueden constituir un problema con el tiempo.
· Es recomendable que los propietarios realicen un catastro fotográfico de sus viviendas en el caso de existir seguros comprometidos o para postular a los diversos fondos de reconstrucción que podría ofrecer el gobierno.

· Es imprescindible que un especialista en estructuras evalúe lo antes posible la propiedad.

II. CONCEPTOS GENERALES
Fig. 1 Fig. 2
Fig. 1 y 2: El efecto de un terremoto sobre un edificio se incrementa con cada oscilación. Las fuerzas horizontales de corte actúan poderosamente sobre su base y sus solicitaciones se van incrementando según la altura del edificio.
· La acción sísmica se traduce en esfuerzos verticales y horizontales que actúan simultáneamente por vibración sobre la estructura. Para el diseño y análisis de estructuras se suele considerar a las cargas horizontales como las más significativas por las respuestas que generan en el edificio.
· Los edificios de baja altura se comportan mejor que los altos debido al incremento de la oscilación que se produce en los pisos altos. En cualquier caso la cimentación de sus estructuras debe estar debidamente arriostrada.
· Existen dos tipos básicos de estructuraciones para absorber los esfuerzos generados por los movimientos sísmicos del suelo:
1. Estructuración de pórticos formada por vigas y pilares.
2. Estructuración de muros, los que pueden tener o no dinteles o vigas de acoplamiento
En ambos casos es muy ventajoso el uso de losas para que desarrollen la función de diafragma rígido al nivel del cielo de cada piso, ya que con ello todos los elementos resistentes se incorporan a la labor de resistir los dañinos esfuerzos horizontales (de corte) que solicitan cada piso del edificio.

Fig. 3: Tipos de estructuraciones aptas para resistir cargas horizontales.
· La estructuración de muros resistentes presenta grandes ventajas sismoresistentes, ya que conforman sistemas muy difíciles de colapsar y ofrecen gran resistencia a las deformaciones laterales minimizando con ello los daños en los elementos no estructurales y en el equipamiento del edificio. Su desventaja es su alta rigidez que atrae esfuerzos sísmicos mayores los cuales deben ser disipados por sus cimientos, y la limitación que existe en el diseño de las plantas.
· Los pórticos proporcionan estructuras más flexibles que atraen menores esfuerzos sísmicos permitiendo la disipación de los mismos, y otorgan mayor libertad en el diseño de las plantas. Su gran flexibilidad permite, sin embargo, una mayor deformación que produce daños en los elementos no estructurales, pudiendo colapsar la estructura en sismos de gran severidad.
· En Chile en la construcción de edificios de vivienda en altura se suele utilizar preferentemente un sistema mixto de pórticos reforzados mediante muros de carga internos y externos. El caso nacional tiene una amplia y ventajosa experiencia en este tipo de construcciones. En estos casos los muros tienden a tomar una mayor proporción de los esfuerzos en los niveles inferiores, mientras que los pórticos lo hacen en los niveles superiores.
· Es importante distinguir los muros resistentes de aquellos tabiques que debido al estuco y terminaciones parecen serlo. Los primeros son generalmente de hormigón armado y continuos en todos los pisos (aunque algunos edificios antiguos suelen tener gruesos muros de albañilería de ladrillo como muros resistentes), mientras que los tabiques de albañilería o de otro material más ligero no presentan una función estructural, sólo separan dependencias y pueden no estar presentes en todos los pisos.

III. RECONOCIMIENTO DE DAÑOS

· Lo primero que debe hacer el interesado es reconocer el tipo de estructura que sostiene el edificio.
Posiblemente para esto se necesite la ayuda de un profesional. Es recomendable disponer de los
planos de arquitectura y estructuras.
Fig. 4: Principales elementos de una estructura resistente de hormigón armado, en un diseño de tipo tradicional.
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Daño Sísmico Estructural

El daño sísmico estructural es el que sufren las vigas, las columnas, las losas o las cimentaciones durante un sismo. Es decir, es el deterioro de aquellos elementos o componentes que forman parte del sistema resistente o estructural de la edificación. 

El nivel de daño estructural que sufrirá una edificación depende tanto del comportamiento global como del comportamiento local de la estructura. Está relacionado con los tipos y la calidad de los materiales que se utilizan, sus características, su configuración, el esquema resistente y con las cargas que actúan.  

Algunos problemas en el diseño de edificios tienen que ver con la configuración geométrica y estructural, esta última se refiere al tipo, disposición, fragmentación, resistencia y geometría de la edificación. Es decir, si el edificio se aleja de formas y esquemas estructurales simples hace que estas tengan un comportamiento inestable ante sismos. Además, resultan ser estructuras difíciles de modelar en la etapa de diseño y muchas veces presentan dificultades de construcción.

1.La configuración geométrica

Este es un tema que debe ser tomado desde la etapa de diseño y comprendido por los ingenieros y los arquitectos, dado que tiene que ver con la distribución del espacio. Los principales problemas que se pueden presentar se relacionan con la longitud en planta, las plantas complejas y los escalonamientos en altura. 

• Longitud en planta  

Si las estructuras son muy largas, la excitación que se da en un punto de ella será diferente de la que se produce en un punto ubicado en el otro extremo. Este efecto es muy difícil de cuantificar y de resolver en la etapa de diseño, lo anterior no aplica para el caso de edificios cortos, dado que este efecto no es tan significativo. Además, las plantas largas permiten que los efectos de torsión se manifiesten por los movimientos distintos en el terreno. Esto puede solucionarse al partir las plantas largas en bloques independientes si se dejan juntas constructivas, esto permitirá que cada bloque se mueva independientemente y el choque entre módulos debe ser evitado por la separación de la junta de construcción.

Figura 1. Solución al problema de longitud en planta.

• Plantas complejas

Esta configuración es típica de plantas compuestas por alas de significativo que se orientan en distintas direcciones (por ejemplo en forma de X, H, o T). Esto provoca que se concentren esfuerzos entre el cuerpo principal y las alas, ya que estas trabajan como elementos empotrados en un cuerpo más rígido y propenso a sufrir menos deformaciones. La solución suele ser diseñar una junta constructiva entre las alas y el cuerpo central, que permiten que cada cuerpo se mueva sin estar atado al cuerpo principal.

Figura 2. Ejemplos de plantas complejas.

• Elevación

Los escalonamientos en elevación se diseñan con el objetivo de resolver problemas de iluminación y de proporción, pero estos provocan un cambio abrupto en la rigidez y en la masa de los pisos, que propicia la concentración de esfuerzos producto de las acciones sísmicas. Son preferibles las transiciones suaves para evitar este fenómeno.

Figura 3. Ejemplos de elevaciones complejas.

2. La configuración estructural

Los sitios donde se concentran los mayores esfuerzos (intensidad de una fuerza) en las estructuras son las uniones y conexiones entre elementos estructurales, por ejemplo las conexiones viga-columna, y columna-cimiento. Estas zonas deben soportar las mayores fuerzas cortantes y momentos debidos a flexión y por ello su diseño debe realizarse cuidadosamente, en especial, verificando la distribución del acero de refuerzo en los nudos, o la cantidad y tipo de soldadura a utilizar si son elementos de acero, y además, contar con una adecuada inspección durante su construcción.   

Los principales problemas que se pueden presentar tienen que ver con: las altas concentraciones de masa en niveles superiores, columnas débiles, menor resistencia de columnas que vigas, pisos blandos o suaves, falta de confinamiento del concreto en columnas, falta de redundancia, flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso, la torsión entre pisos y el desplazamiento relativo entre pisos. 

• Altas concentraciones de masa en niveles superiores

Las fuerzas sísmicas son proporcionales a la masa, entonces si en un piso superior se concentran elementos como tanques de almacenamiento de agua, equipos, bodegas o archivos, las fuerzas sísmicas aumentan en ese nivel. Lo recomendable es colocar estos elementos pesados en el sótano o en sitios aledaños a la estructura principal.

Figura 4. Efecto de las concentraciones de masa en niveles superiores.

• Columnas débiles

Las fuerzas sísmicas se distribuyen proporcionalmente a la rigidez y resistencia de los elementos estructurales verticales. Entonces, si la rigidez de las columnas o paredes que soportan la estructura sufre un cambio brusco ya sea por confinamiento de las paredes hasta cierta altura de los marcos, por desniveles del terreno, por nivel intermedio entre dos pisos, se concentrarán los esfuerzos y se acumulará energía en el piso más débil, dado que el nivel donde se interrumpen los elementos verticales es más flexible que los demás, lo que permite que se produzca un problema de estabilidad.

Figura 5. Problema de columnas débiles.

• Menor resistencia de columnas que vigas

Si las columnas tienen menor resistencia que las vigas, las primeras fallarán primero lo que provoca que la estructura se vuelva un  mecanismo y esta colapse. La falla puede ser reparada si se da en las vigas.

Figura 6. Efecto de una menor resistencia en columnas que en las vigas.

• Pisos blandos o suaves

Son pisos donde los elementos estructurales verticales son interrumpidos, para ofrecer más espacio en ese piso o por razones arquitectónicas, generalmente en los niveles de acceso. Esto produce un debilitamiento de la rigidez de los elementos verticales en ese piso.

Figura 7. Piso blando por interrupción de elementos.

• Falta de confinamiento del concreto en columnas

Se produce cuando se utilizan pocos o ningún aro de confinamiento del concreto, por lo que el núcleo de los elementos sometidos a flexocompresión falla en forma explosiva.

Figura 8. Esquema de falla por falta de confinamiento del concreto.

• Falta de redundancia

Se debe buscar que la resistencia a fuerzas sísmicas dependa de varios elementos, puesto que si se cuenta con pocos elementos resistentes (falta de redundancia), la falla de uno de ellos provocará el colapso total o parcial de la estructura.

Figura 9. Ejemplo sobre la falta de redundancia.

• Flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso

La flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso produce deformaciones laterales no uniformes, que son perjudiciales para los elementos no estructurales adosados al diafragma. Son debidas a una relación muy grande largo/ancho (mayor que 5), y a aberturas creadas en el diafragma para efectos de iluminación, ventilación, que impiden que este funcione como un cuerpo rígido.

Figura 10. Ejemplo sobre flexibilidad excesiva en el diafragma.

• Torsión entre pisos

La torsión entre pisos se produce por la excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez en un piso, debido a que los elementos rígidos están colocados de manera asimétrica en un piso (ductos de elevadores), o a la colocación de grandes masas en forma asimétrica respecto al centro de masa. Generalmente se produce en edificios de esquina, debido a la gran rigidez que presentan los muros de colindancia, pero basta con que se excedan ciertos límites de excentricidad (una mala distribución de la rigidez lateral) para que se produzcan efectos negativos de la torsión.

Figura 11. Ejemplos de arreglos estructurales que producen torsión.

• Desplazamiento relativo entre pisos.

El desplazamiento relativo entre pisos (excesiva flexibilidad de los marcos) y dimensiones de juntas constructivas insuficientes, provoca daños en paredes de cerramiento por la excesiva flexibilidad de los marcos. Los desplazamientos laterales excesivos se deben a las grandes distancias entre los elementos de soporte (claros o luces), las alturas y las rigideces de los mismos. Se pueden tener como problemas: inestabilidad estructural y daños en elementos no estructurales adosados a niveles contiguos.

Figura 12. Choque entre dos edificios que se mueven distinto.

Reconocer Daños simples y Daños estructurales

Muy Importante! Les pedimos de verdad que por favor envíen ésto a todos sus conocidos! Si algún otro ingeniero quiere aportar algo, por favor escribir a todosporunmundomejor@gmail.com. Esto es muy importante y hay poca información en internet al respecto.

Es importante destacar que ésta información no debe ser usada para descartar daños, sería una irresponsabilidad confiar en un post para tales efectos. Está más orientada a ver en qué casos es imperativo y urgente llamar a un ingeniero de daño estructural para que lo evalúe, aclarando cuáles son los mayores peligros. Como se ha dicho reiteradamente, un daño que se ve grande puede ser insignificante, y un daño que se ve pequeño puede ser importante.

COMO RECONOCER DAÑOS SIMPLES Y DAÑOS ESTRUCTURALES:
Consideraciones generales:
Los sismos someten a las edificaciones a distintas fuerzas para las cuales pueden estar o no preparados. De esta forma pueden generar daños estruturales y daños no estructurales, que pueden ser peligrosos para los ocupantes. El primero compromete el esqueleto del inmueble puede provocar derrumbes parciales o totales, y el segundo, por caída de materiales.
Generalmente después de un sismo se suceden varias réplicas. Aun siendo de menor magnitud, éstas actúan sobre estructuras o materiales que han sido deteriorados o están inestables, por lo cual es muy importante hacer una revisión de la edificación.