Estimación de La Vulnerabilidad Sísmica de una Edificación Indispensable Mediante Confiabilidad Estructural

En el presente trabajo se resumen los resultados de la evaluación de la vulnerabilidad sísmica (física) del sistema estructural de una edificación indispensable usando las técnicas de confiabilidad estructural. El proyecto de investigación se basó en recopilación de información existente (planos, memorias de cálculo, etc), estudios de patología, levantamiento estructural y la evaluación de amenaza sísmica local.   Para evaluar la capacidad a cortante de la estructura se realizó un análisis estático no lineal de “pushover” de tres(3) modelos estructurales del edificio, variando su rigidez en función de cien(100) datos del modulo de elasticidad y la resistencias a la compresión del concreto. El primer modelo es el original sin refuerzo, el segundo es rehabilitado con diagonales concéntricas de acero y el tercero consiste en un muro en concreto reforzado. La demanda se evaluó al realizar un análisis dinámico espectral de los tres(3) modelos estructurales. Variando la solicitación incluyendo en los modelos estructurales doce(12) espectros de respuesta con diferentes periodos de retorno y además su rigidez al cambiar su módulo de elasticidad. Mediante la comparación entre la resistencia a cortante de la edificación (tomado de las curvas de capacidad) y la demanda a cortante en los modelos producida por los efectos de los diferentes espectros de respuesta, se estimaron las probabilidades anuales de falla. Así mismo se calcularon las probabilidades anuales de falla, empleando el desplazamiento espectral en el punto de desempeño. De acuerdo con los resultados basados en confiabilidad se identificó un riesgo inminente y niveles de seguridad inadecuada de la estructura sin rehabilitar cuando es sometida a un evento sísmico. Por esta razón, se evaluó desde el punto de vista de la confiabilidad estructural, la alternativa de rehabilitación mediante muros de concreto reforzado y diagonales de acero. De esta manera se determinaron probabilidad anuales de falla menores para la estructura rehabilitada, que representa una disminución del riesgo. Además se realizó un análisis aproximado de beneficio – costo, procedimiento útil en el momento que se desee rehabilitar la edificación indispensable.

1.  ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

El Congreso de la República de Colombia expidió una serie de leyes para que a las edificaciones cuyo uso se clasifique como indispensable y de atención a la comunidad, localizadas en zonas de amenaza sísmica alta e intermedia construidas con anterioridad al año 1998, se les evalúe su vulnerabilidad sísmica. Por esta razón en el año 2001 se llevó a cabo un estudio de vulnerabilidad sísmica estructural de las instalaciones de una edificación indispensable para lo cual se llevaron a cabo diferentes actividades que se describirán a continuación:

1.1 Recopilación de información existente y visitas técnicas de inspección

En esta etapa se recopiló la información disponible tal como planos estructurales y arquitectónicos, memorias de cálculo, estudios de suelos y diversos documentos técnicos de vital importancia para el estudio de vulnerabilidad estructural. Se realizaron visitas técnicas de inspección a las edificaciones donde se pudo establecer criterios básicos para el desarrollo del estudio. Adicionalmente en estas visitas técnicas se verificaron las dimensiones de los elementos principales de la estructura así como la ubicación y distribución del refuerzo de acero corroborando la información de los planos estructurales. Así mismo se ubicaron las zonas estratégicas para la ejecución de ensayos parcialmente destructivos y no destructivos para las evaluaciones de patología estructural. Para ello se llevaron a cabo auscultaciones con equipos de detección de refuerzo mediante técnicas no destructivas. Así mismo se verificó que el sistema estructural de la edificación corresponde a pórticos de concreto resistentes a momento con un sistema de entrepiso en sistema reticular celulado.

1.2  Evaluación patológica

Se adelantaron análisis de las características de los aceros de refuerzo y la resistencias de los concretos, por parte del Laboratorio de Resistencia de Materiales del Departamento de Ingeniería Civil. Se realizó un programa de investigación que minimizó la cantidad de núcleos a extraer y se complementaron esos resultados con Ensayos No- Destructivos. Se ensayaron en total 50 núcleos y se tomaron 188 lecturas de Velocidad del Pulso Ultrasónico.

1.3  Estudio de amenaza sísmica local

Con el fin de estimar la amenaza sísmica local se desarrolló una exhaustiva investigación de las características y propiedades del suelo de cimentación del edificio mediante la ejecución de cuatro (4) sondeos de alrededor de 15 m de profundidad. Con estos sondeos se verificó el perfil estratigráfico y las propiedades índices de las diferentes capas de suelo bajo la cimentación de la estructura. Se realizaron ensayos de laboratorio y de campo tales como triaxiales, "down hole" y "cross hole", con los cuales se determinaron las principales propiedades dinámicas del suelo (velocidad de onda de corte, variación del módulo de corte y del amortiguamiento en función de la deformación angular). A partir de esta caracterización y con base en modelaciones analíticas y en consideraciones probabilísticas, fue posible estimar, además de las propiedades mecánicas del suelo, la función de transferencia del estrato de suelo desde la roca hasta la superficie y el espectro de respuesta local a usar en la evaluación de la vulnerabilidad sísmica. Con base en esta información se evaluaron los doce(12) espectros de repuesta para el análisis mediante confiabilidad estructural, lo cual se expone en el numeral 2.3 del presente documento.

1.4  Evaluación de la vulnerabilidad sísmica estructural

Para llevar a cabo el estudio de la vulnerabilidad sísmica estructural, se decidió tomar como guía para el estudio el documento FEMA-310. Con base en esta referencia se elaboró una evaluación conceptual preliminar detectando los siguientes aspectos: deficiente detallado de refuerzo de las vigas y en los nudos, inadecuado traslapo en el refuerzo de columnas y vigas, demasiado espaciamiento de flejes en columnas, excentricidad en los nudos, placas delgadas, discontinuidad del diafragma, irregularidad en planta y edificios adyacentes (golpeteo). Como complemento a lo anterior se llevó a cabo una modelación analítica de las estructuras para poder realizar la evaluación y revisión del comportamiento sísmico y dinámico de la edificación indispensable. Se elaboraron diferentes modelos planos y tridimensionales en el programa SAP - 2000, los cuales se presentan en las Figura 1.1.  Mediante un análisis elástico lineal, se desarrollaron modelos espaciales conformados por elementos “frame” y shell.

Figura 1.1 Modelos estructurales de las edificaciones bajo estudio

Para el caso de los edificios con entrepiso en reticular celulado, se consideró la rigidez equivalente de las vigas, como una sección rectangular correspondiente a la suma de las viguetas que convergen al capitel más una zona rígida que proporciona el capitel aligerado. Con base en los modelos analíticos se estimaron los niveles de deriva en las edificaciones para las solicitaciones sísmicas. En la Figura 1.2 se presenta un resumen de las derivas encontradas, las cuales varían entre 1.0% y 3.0%, lo que indica que son estructuras en general flexibles y no cumplen con las recomendaciones de la Norma Colombiana (máximo 1 %). Lo anterior adquiere mayor importancia si se tiene en cuenta que los edificios con entrepisos en sistema reticular celulado pueden presentar fenómenos de punzonamiento cerca de los capiteles para derivas de entrepiso altas, tal como sucedió en diversos edificios de la ciudad de México en el año de 1985.  Por otro lado al analizar los índices de sobreesfuerzo en columnas y vigas se concluyó que la edificación es crítica principalmente por el alto número de fallas de tipo frágil que podrían generar un colapso parcial ante la ocurrencia de un evento sísmico. Se detectaron posibles fallas por cortante, flexión y compresión en las columnas así como por cortante y flexión en las vigas de acuerdo con las especificaciones del FEMA 310 –356 y la Norma Colombiana. En particular son preocupantes los altos niveles de esfuerzos cortantes encontrados en las estructuras con entrepiso en sistema reticular celulado tal como se mencionó anteriormente.

Figura 1.2 Resumen de las derivas de diferentes edificaciones

vulnerabilidad sísmica, rehabilitación y refuerzo de casas en adobe y tapia pisada

 

Introducción, justificación y antecedentes
La tierra es uno de los materiales más antiguos usados en la construcción de edificaciones. La construcción con tierra tiene miles de años de historia y existe evidencia arqueológica que sugiere la existencia de ciudades construidas enteramente en tierra: Jericó, Çatal Huyuk en Turquía, Harappa en Pakistán, Akhlet-Aton en Egipto, Chan-Chan en Perú, Babilonia en Iraq, Duheros en España, entre otras. Todas las grandes civilizaciones del Medio Este -los asirios, los babilonios, los persas y los sumerios- construyeron con tierra apisonada y con bloques de barro. Por otro lado, cuando los españoles empezaron su conquista del Nuevo Mundo, trajeron consigo el conocimiento de la construcción con adobe y tapia pisada. Fue así como se inició la construcción de las principales ciudades capitales del reino de la Nueva Granada. Las casas urbanas del común de la gente eran edificadas en uno o dos pisos en adobe y tapia pisada. Así mismo, en las ciudades se edificaron las construcciones religiosas levantadas en piedra, en tapia pisada o en ladrillo cocido sentado en argamasa. Con el avance de los siglos, el ladrillo cocido desplazó las técnicas de construcción con tierra y estos sistemas tradicionales han ido desapareciendo. Hoy en día sobreviven diversas edificaciones en tierra que deben ser preservadas.
Esquemas de falla y patrones de agrietamiento ante terremotos de las edificaciones en tierra
Las edificaciones de adobe y tapia pisada presentan usualmente unas características constructivas que contribuyen a aumentar su vulnerabilidad sísmica. Frecuentemente la edad de estas edificaciones y el deterioro de las propiedades mecánicas de sus materiales llevan a una disminución adicional de su capacidad de soportar un terremoto.
Los principales factores que contribuyen a aumentar la vulnerabilidad sísmica de viviendas en adobe y tapia pisada son: irregularidades en planta y en altura, distribución inadecuada de los muros en planta, pérdida de la verticalidad -o plomo- de los muros, problemas de humedad, filtraciones, conexión inadecuada entre muros, pérdida de recubrimiento de muros, uso de materiales no compatibles, entrepisos pesados y ausencia de diafragmas, apoyo y anclaje inadecuado de elementos de entrepiso y cubiertas sobre muros, entrepisos muy flexibles, luces muy largas y estructuración de cubierta deficiente.
Con base en las anteriores características, las edificaciones de dos pisos construidas en tierra presentan una mayor vulnerabilidad ante la acción de las fuerzas horizontales inducidas por un evento sísmico, tal como se presenta en la figura 1.

Debido a las deficiencias anteriormente mencionadas, las edificaciones construidas en mampostería de adobe y tapia pisada presentan mecanismos de colapso y patrones de agrietamiento que pueden ser agrupados de acuerdo con la Tabla 1.

Evaluación de la vulnerabilidad sísmica de puentes extradosados durante su construcción por voladizos sucesivos

El trabajo presenta el estudio de la vulnerabilidad sísmica de los puentes extradosados durante construcción por voladizos sucesivos. Para esto fueron desarrollados modelos de elementos finitos de un puente extradosado de tres luces (60 + 100 + 60 m), a partir de los cuales se determinó la respuesta sísmica durante seis etapas constructivas, y dos en estado de servicio, antes y después de que ocurran los efectos de fluencia y contracción del concreto. Siguiendo el enfoque propuesto en Wilson y Holmes (2007), se comparó la respuesta sísmica durante construcción y en servicio para determinar los elementos estructurales con mayor vulnerabilidad sísmica, además de detectar las etapas constructivas críticas. Los resultados encontrados permiten concluir que la vulnerabilidad sísmica del puente extradosado durante construcción es mayor que la del estado de servicio, ya que durante construcción se tienen probabilidades de excedencias anuales mucho mayores al 0.21% que se adopta para el diseño sísmico del puente. Además, se encontró que los cables extradosados y las torres son los elementos con mayor vulnerabilidad, y que las etapas previas al cierre del puente son las más críticas.
Introducción
Generalmente, la construcción de los puentes extradosados se hace empleando el método de los voladizos sucesivos. Este método deja a los puentes en un alto grado de vulnerabilidad frente a diversas acciones como el viento, la caída de segmentos y/o del carro de avance, o el volcamiento de uno de los voladizos, acciones que son consideradas y revisadas durante la fase de diseño del puente. En cambio, a los eventos sísmicos que puedan ocurrir durante la construcción no se les da mucha importancia y el diseño sísmico del puente se hace, generalmente, para la estructura completa. Este hecho se argumenta en la baja probabilidad de excedencia del sismo de diseño durante el periodo de construcción. Por ejemplo, usando la filosofía de diseño del Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (AIS, 1995), en donde se propone un sismo de diseño con probabilidad de excedencia (P) del 10%, en un lapso (t) de 50 años, lo que equivale a un evento con probabilidad de excedencia anual (p) del 0.21%, se tendría, para ese mismo evento pero en un periodo de construcción supuesto en 1.5 años, una probabilidad de excedencia de 0.32%, determinado a partir de la Ecuación 1.
Si en lugar de usar el tiempo total de construcción se empleara la duración máxima de cada una de las etapas constructivas, como es sugerido en Calvi, Sullivan y Villani (2010), la probabilidad sería aún mucho menor.
(1)
Sin embargo, podría darse el caso de que ocurran eventos sísmicos durante construcción que tengan menor magnitud que el sismo de diseño pero que, debido a la baja redundancia del sistema estructural y al gran porcentaje de masa, puedan generar fuerzas considerables en los elementos estructurales. Este hecho fue estudiado por Wilson y Holmes (2007), quienes a partir de la respuesta sísmica en la base de los pilares de un puente atirantado, pudieron determinar que las fuerzas obtenidas en el puente completo, para el sismo de diseño con p= 0.21%, son igualadas durante construcción por sismos de menor magnitud pero con probabilidades de excedencia anual mucho mayores que llegan hasta el 20%, exponiendo el alto grado de vulnerabilidad sísmica de esa tipología.
Usando el mismo enfoque presentado por Wilson y Holmes, en el presente estudio se evalúa la vulnerabilidad sísmica de los puentes extradosados durante construcción, tipología que comparte similitudes morfológicas con los puentes atirantados, pero cuyo diseño y comportamiento difiere en cuanto a la mayor rigidez que tiene el tablero. Para este propósito se analiza la respuesta sísmica de un puente extradosado de luz central 100 metros, modelado numéricamente mediante elementos finitos, en el cual se ha incluido a la altura de los pilares como una de las variables. El trabajo describe las características del estudio y presenta los resultados no solo para los pilares, si no que se analizan otros elementos principales como el tablero, las torres y los cables, de modo tal que se obtenga una idea mucho más global de la vulnerabilidad del puente. Por último, se presentan las principales conclusiones del estudio.
2. Características del estudio
2.1 Descripción del puente
Las características geométricas principales se definieron a partir de los criterios de diseño presentados en Benjumea, et al. (2010) y las tendencias actuales en puentes extradosados presentadas en Benjumea, et al. (Benjumea, et al. 2012). El puente tiene una luz central de 100 m y dos vanos laterales de 60 m. Las torres son elementos macizos de dimensión 2.5 x 1.5 m, con altura igual a 10 m, ver Figura 1. El tablero tiene una altura constante de 2.5 m (esbeltez igual a L/40) y consiste en una sección tipo cajón unicelular con voladizos, con espesor de losa inferior variable, ver Figura 2 y Tabla 1. El primer cable extradosado se ancla sobre el tablero a una distancia de 21.5 m respecto del eje de la torre y los cinco cables restantes se ubican cada 5.5 m, haciendo coincidir los extremos de las dovelas con los nodos de anclaje de los cables. Estos elementos están conformados por 12 tendones de Ø0.6" presolicitados a una tensión promedio de 0.42fpu. Los pilares consisten en una sección rectangular hueca, cuya sección se presenta en la Figura 3.
Su altura (Hp) fue modificada, siendo estudiadas longitudes de 25, 37.5 y 50 m. Se ha supuesto que el puente se apoya sobre rodillos en sus extremos, aunque se restringieron los movimientos en la dirección transversal. Los pilares se suponen empotrados en la cimentación y unidos rígidamente al tablero en la corona.
Las propiedades del acero de los cables extradosados son: fpu de 1860 MPa, Eps de 1.999x10⁵ MPa, y Υ_ps igual a 77.14 kN/m³. La verificación por fatiga en estado límite de servicio y del esfuerzo admisible en estado límite último se ha hecho de acuerdo a lo establecido en SETRA (2001). Para el análisis estructural no fue considerada la relajación de estos elementos. En cuanto al concreto del tablero, la torre, y los pilares, se ha empleado un hormigón de f'_c igual a 39.2 MPa, E_c igual a 2.55x10⁴ MPa, y Υ_c igual a 23.5 kN/m³. En el análisis durante construcción se tuvieron en cuenta los efectos por fluencia y contracción del concreto, siguiendo las provisiones del CEB-FIB Model Code 1990 (CEB-FIP, 1993). Los efectos del envejecimiento en la resistencia y el módulo de elasticidad del concreto no fueron incluidos en el análisis.

Figura 1. Vista longitudinal del puente estudiado


Figura 2. Sección típica del tablero (izquierda) y sección en apoyo sobre pilares (derecha)

Vulnerabilidad sísmica, rehabilitación y refuerzo de casas en adobe

Resumen

Aproximadamente un quinto de la población mundial y alrededor de 35 millones de personas en Suramérica habitan en edificaciones de adobe y tapia pisada. Este tipo de edificaciones han demostrado un pobre comportamiento sísmico en los terremotos ocurridos en los últimos cincuenta años alrededor del mundo generando miles de muertes. Adicionalmente, en Colombia, una gran cantidad de construcciones históricas y culturales en tierra están localizadas en zonas de alta sismicidad. Con estos antecedentes, se desarrolló una investigación orientada a conocer el comportamiento de esta tipología constructiva en su estado actual y proponer alternativas de rehabilitación sísmica viables desde el punto de vista técnico. Las dos alternativas propuestas, refuerzo con malla y pañete y refuerzo con maderas de confinamiento, prueban ser factibles, presentando la segunda un mejor comportamiento sísmico relativo.

Introducción, justificación y antecedentes

La tierra es uno de los materiales más antiguos usados en la construcción de edificaciones. La construcción con tierra tiene miles de años de historia y existe evidencia arqueológica que sugiere la existencia de ciudades construidas enteramente en tierra: Jericó, Çatal Huyuk en Turquía, Harappa en Pakistán, Akhlet-Aton en Egipto, Chan-Chan en Perú, Babilonia en Iraq, Duheros en España, entre otras. Todas las grandes civilizaciones del Medio Este -los asirios, los babilonios, los persas y los sumerios- construyeron con tierra apisonada y con bloques de barro. Por otro lado, cuando los españoles empezaron su conquista del Nuevo Mundo, trajeron consigo el conocimiento de la construcción con adobe y tapia pisada. Fue así como se inició la construcción de las principales ciudades capitales del reino de la Nueva Granada. Las casas urbanas del común de la gente eran edificadas en uno o dos pisos en adobe y tapia pisada. Así mismo, en las ciudades se edificaron las construcciones religiosas levantadas en piedra, en tapia pisada o en ladrillo cocido sentado en argamasa. Con el avance de los siglos, el ladrillo cocido desplazó las técnicas de construcción con tierra y estos sistemas tradicionales han ido desapareciendo. Hoy en día sobreviven diversas edificaciones en tierra que deben ser preservadas.

Esquemas de falla y patrones de agrietamiento ante terremotos de las edificaciones en tierra

Las edificaciones de adobe y tapia pisada presentan usualmente unas características constructivas que contribuyen a aumentar su vulnerabilidad sísmica. Frecuentemente la edad de estas edificaciones y el deterioro de las propiedades mecánicas de sus materiales llevan a una disminución adicional de su capacidad de soportar un terremoto.

Los principales factores que contribuyen a aumentar la vulnerabilidad sísmica de viviendas en adobe y tapia pisada son: irregularidades en planta y en altura, distribución inadecuada de los muros en planta, pérdida de la verticalidad -o plomo- de los muros, problemas de humedad, filtraciones, conexión inadecuada entre muros, pérdida de recubrimiento de muros, uso de materiales no compatibles, entrepisos pesados y ausencia de diafragmas, apoyo y anclaje inadecuado de elementos de entrepiso y cubiertas sobre muros, entrepisos muy flexibles, luces muy largas y estructuración de cubierta deficiente.

Con base en las anteriores características, las edificaciones de dos pisos construidas en tierra presentan una mayor vulnerabilidad ante la acción de las fuerzas horizontales inducidas por un evento sísmico, tal como se presenta en la figura 1.

Debido a las deficiencias anteriormente mencionadas, las edificaciones construidas en mampostería de adobe y tapia pisada presentan mecanismos de colapso y patrones de agrietamiento que pueden ser agrupados de acuerdo con la Tabla 1.