Propuesta de normativa para la rehabilitación símica de edificaciones patrimoniales

Con el fin de aportar a la solución del problema sísmico de las edificaciones en tierra, se han realizado investigaciones en las mejores universidades de Colombia sobre las propiedades de los materiales y el comportamiento de los sistemas estructurales en tierra ante fuerzas sísmicas. Estas investigaciones han sido innovadoras y se han apoyado en estudios a nivel internacional. Sin embargo para que estos estudios tengan un real impacto deben incluirse en la norma sismo resistente (NSR-10), la cual actualmente no incluye apartados específicos sobre la manera de rehabilitar sísmicamente las construcciones en tierra. Por esta razón los autores, que han trabajado por más de una década en rehabilitación y restauración de edificaciones en tierra, presentan en este documento un borrador de propuesta de normativa para la rehabilitación de edificaciones en tierra para que sea incluida en las siguientes actualizaciones de la Norma Sismo Resistente de la República de Colombia.

El presente documento es un borrador de una propuesta de normativa que los autores quieren, en un futuro próximo, poner a consideración de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, de la Sociedad Colombiana de Ingenieros y de la Asociación Colombiana de Ingeniería Estructural para ser estudiada, analizada y trabajada como una base de desarrollo que reglamente la rehabilitación sísmica de las construcciones patrimoniales en tierra en Colombia. Asimismo, los autores desean agradecer a la Pontificia Universidad Javeriana y en especial a las Facultades de Arquitectura y Diseño e Ingeniería por el apoyo brindado para la realización de la presente propuesta.

---

Las construcciones en tierra constituyen una parte fundamental del patrimonio construido de nuestro país. De la mano del adobe y de la tapia pisada se desarrolló la arquitectura urbana y residencial en Colombia durante cuatro siglos. De acuerdo con el listado de la Dirección de Patrimonio del Ministerio de Cultura, se han declarado 1.133 Monumentos Nacionales y 47 Centros Históricos, de los cuales el 80% se encuentra construido en tierra. Dentro de estos Centros Históricos se encuentra La Candelaria en Bogotá, Zipaquirá, Villa de Leyva, Popayán, Barichara, Salento, etc. Dentro de los Monumentos Históricos se puede nombrar la Casa de la Moneda, el Colegio Mayor del Rosario, el Colegio Helvetia, Hacienda Montes (Museo Antonio Nariño), el Convento del Santo Ecce Homo (Boyacá), entre otros.

En la actualidad este patrimonio se ve amenazado y deteriorado por diversos factores medio ambientales, destacándose entre ellos los procesos de deterioro por humedad y los eventos sísmicos. Con respecto a este último es importante mencionar que terremotos dentro del ámbito colombiano, el sismo del eje cafetero del 25 de enero de 1999, el sismo de Popayán de 1983, o el sismo de Cúcuta de 1875 (Figura 1) han ratificado la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones en tierra.

Los terremotos pueden derrumbar en unos pocos segundos las edificaciones patrimoniales en tierra que llevan siglos de haber sido construidas. En relación a lo anterior es importante resaltar que el hecho de que algunas edificaciones lleven varios siglos en pie (como algunas del Barrio La Candelaria en Bogotá) no es garantía de que sean sismo resistentes. Prueba de ello es el sismo ocurrido en 1rán a finales de 2003 (magnitud de 6.5 en la escala de Richter), el cual prácticamente destruyó Arg-é-Bam (véanse las fotografías de la Figura 2) que era patrimonio histórico de la humanidad según la UNESCO. Esta fortificación tenía más de 2.500 años de antigüedad y era la mayor construcción de adobe del mundo, colapsó en pocos segundos.

Con el fin de aportar a la solución del problema sísmico de las edificaciones en tierra, se han realizado investigaciones en algunas de las mejores universidades del país en torno al conocimiento de las propiedades de los materiales y del comportamiento de los sistemas estructurales en tierra ante fuerzas sísmicas. Ejemplo de esto son los estudios realizados por los grupos de investigación Estructuras (Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería) y GR1ME de la Pontificia Universidad Javeriana (PUJ) en conjunto con el grupo G1MEC1 de la Escuela Colombiana de 1ngeniería (EC1), haciendo ensayos como los que se muestran en la Figura 3. Asimismo el grupo C1MOC de la Universidad de los Andes (Uniandes) ha realizado investigaciones importantes al respecto.

Aisladores y disipadores sísmicos

Estos sistemas se colocan entre la subestructura y la superestructura de edificios, puentes y también en algunos casos, en la misma superestructura de edificios, y permiten mejorar la respuesta sísmica aumentando los periodos y proporcionando amortiguamiento y absorción de energía adicional, reduciendo sus deformaciones según sea el caso.

Sin embargo, desde el punto de vista estructural, ambos sistema trabajan de forma muy diferente. Veamos las diferencias:

Los aisladores sísmicos consiguen desacoplar la estructura del terreno colocándose estratégicamente en partes especificas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura.

Es decir, la idea es separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su cimentación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Como una imagen vale mas que mil palabras, os pongo un vídeo donde se puede ver la diferencia entre una estructura sin aislador y otra con aislador. Video

Los disipadores sísmicos tienen como función disipar las acumulaciones de energía asegurándose que otros elementos de la estructuras no sean sobresolicitados, evitando daños a la estructura. Es decir, los disipadores sísmicos ofrecen un incremento de la amortiguación a la estructura.

En el siguiente vídeo podemos ver como se comporta una estructura con y sin disipadores

 

sísmicos: Video

Los japoneses usan estos sistemas en sus edificios con regularidad. En el siguiente vídeo se puede observar como se mueven unos rascacielos de Japón con estos sistemas sísmicos, sin sufrir daños, durante el terremoto de marzo de 2011

Las pruebas del equipo del sistema ABC Con Resistencia a Terremoto

Se le añadió una serie de filamentos pretensados ​​y barras de refuerzo tradicionales a las columnas de hormigón que luego fueron sustentada por tapas de acero. La disposición, que está destinado a ayudar a los puentes soportan fuertes terremotos, está siendo probado en las mesas de agitación de la Universidad de Nevada. © John Stanton
Mesas Shake pondrán a prueba un sistema de doblado prefabricado que se puede construir utilizando la construcción de puentes acelerado (ABC) técnicas y ofrece un mejor rendimiento sísmica.
Un equipo de investigación está completando una serie de pruebas en las grandes mesas de agitación en la Universidad de Nevada que se centra en una versión de una cuarta escala de un nuevo sistema de doblado puente que se puede construir con la ayuda de la construcción de puentes acelerada (ABC) técnicas y también ofrece un mejor comportamiento sísmico. La prueba final se replicará el terremoto de magnitud 6,9 que sacudió Kobe, Japón, en 1995. Dirigido por John Stanton, Ph.D., PE, profesor del departamento de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Washington, el equipo incluye a Marc Eberhard , Ph.D., profesor de la Universidad de Washington, y David Sanders, Ph.D., F.ASCE, profesor de la Universidad de Nevada. Dos asistentes de investigación de posgrado en la Universidad de Washington, Travis Thonstad, SMASCE y Olafur Haraldsson, SMASCE, también son miembros, junto con el Islam Mantawy, asistente de investigación en la Universidad de Nevada. Stanton dice que los métodos tradicionales de ABC que se basan en elementos prefabricados concreto plantea un problema en las zonas sísmicas debido a que las conexiones en el lugar entre vigas y columnas son generalmente más débiles que los propios miembros. "El puente se construye más fácilmente si las piezas prefabricadas individuales son rectas, como vigas y columnas tradicionales, y están conectados en sus intersecciones, pero lamentablemente esas intersecciones son exactamente donde las fuerzas sísmicas llegan a ser lo peor", dice Stanton. "Así que al hacer el puente fácil de construir, entonces usted está haciendo su dolor de cabeza terremoto mucho más grande. Es un verdadero reto, ¿cómo puede usted hacer estas conexiones de trabajo tanto para la factibilidad de construcción y sismo resistencia? Hemos golpeado la cabeza contra las paredes de ladrillo durante mucho tiempo para tratar de trabajar que uno. " Y entonces, dice Stanton, Un día hace varios años tuvo una epifanía mientras se prepara para una conferencia de la ingeniería sísmica. Después de esbozar el concepto, desarrolló dibujos más detallados y buscó las opiniones de sus colegas y contactores, recuerda. Todo indica que el concepto era factible, y las pruebas posteriores han apoyado esto. El equipo realizó pruebas pseudoestática de las inclinaciones que aumentaron progresivamente las fuerzas horizontales. En estas pruebas, el equipo empujó primero la parte superior de las columnas por la deriva aproximadamente el 2 por ciento esperado en un sismo de diseño y luego por la deriva del 3 al 4 por ciento esperado en un terremoto máximo creíble, que tiene un periodo de retorno de 2.500 años.

Comportamiento Sísmico y requisitos de diseño para edificios de gran altura de hormigón

En los últimos años ha habido un resurgimiento de la construcción de rascacielos en las grandes ciudades a lo largo de la costa oeste de los EE.UU. A diferencia de anteriores auges de gran altura, la mayoría de los altos edificios nuevos y propuestos son para uso residencial o mixto en lugar de para oficinas. Construcción de hormigón es a menudo favorecida, y muchos de los nuevos rascacielos utilizar núcleo de hormigón de la pared de la construcción sin marcos momento suplementarios en el sistema de sísmica de la fuerza-resistencia.
Núcleo de hormigón de la pared de la construcción puede ofrecer ventajas de menores costos, mayor rapidez de construcción y la arquitectura más abierta y flexible. El ahorro de costes y el calendario se dio cuenta, porque las paredes del núcleo edificios resistir las fuerzas sísmicas y deformaciones sin los pórticos que se utilizan en el tradicional de gran altura de la construcción. Al eliminar la necesidad de marcos de momento, los miembros más pequeños de encuadre o losas planas se pueden utilizar para los pisos del edificio, y la profundidad de enmarcar plantas se pueden reducir.
En un edificio de pared central, resistencia a las fuerzas sísmicas es proporcionada por un núcleo de hormigón armado que rodea los ascensores. Las escaleras, los baños y mecánicos / servicio de los usos también pueden localizarse en el núcleo. Para edificios de 300 pies o más de altura, el núcleo de hormigón por lo general tiene una dimensión mínima de 30 pies en cada dirección en planta, con paredes que son de 18 a 30 pulgadas de espesor (Figura 1). Aberturas regulares se utilizan en los muros del núcleo, y las vigas de acoplamiento por encima de las aberturas son reforzados y detallados para disipar la energía del terremoto.

Figura 1: Hormigón núcleo pared del edificio en construcción, el Washington Mutual / Seattle Art Museum, Magnusson Klemencic Asociados, Ingenieros Estructurales.

Código de aceptación de no-prescriptivo Designs

En zonas sísmicas de alto, las disposiciones preceptivas de los códigos de construcción de Estados Unidos no permiten que el núcleo del sistema de pared estructural para edificios de más de 240 pies de altura, sin embargo, en la construcción de las disposiciones del código que permiten los sistemas alternativos de construcción, las autoridades han concedido la aprobación a los edificios de la pared del núcleo de más de 240 pies de altura con el proceso de Peer Review sísmica. (Ver recuadro). El ingeniero de registro es necesario para identificar las excepciones que se están tomando a los requisitos preceptivos, y para demostrar a un revisor experto que el edificio ofrece un rendimiento al menos sísmica equivalente a la que implícita o como resultado de las prescripciones normativas del código de construcción .
La tarea del ingeniero de grabación es mostrar que un edificio cumple con los criterios de realización equivalentes definidas en la Sección 104.11 IBC:
104.11 Los materiales alternativos, el diseño y los métodos de construcción y equipamiento. Las disposiciones del presente Código no están previstas para impedir la instalación de cualquier material o de prohibir cualquier diseño o método de construcción que no esté específicamente previsto en el presente Código, siempre que cualquiera de estas alternativas ha sido aprobada. Un material alternativo, el diseño o método de construcción deberán ser aprobados en el funcionario de la construcción se encuentra que el diseño propuesto es satisfactorio y cumple con la intención de las disposiciones de este Código, y que el material, el método o el trabajo que se ofrece es, para los fines previstos , por lo menos el equivalente de la prescrita en el código en la calidad, resistencia, eficacia, resistencia al fuego, durabilidad y seguridad.
Para los que no prescriptivas diseños sísmicos, el desempeño se evalúa con respecto a la fuerza, la eficacia y seguridad. Diseños sísmicos alternativos o no prescriptivo también son aceptados en el código de construcción por la ASCE 7-05, Sección 12.1.1, párrafo 3:
Sísmicas que resisten la fuerza-los sistemas que no están contenidas en la Tabla 12.2-1 se permitirá si los datos analíticos y de ensayo se sostiene que establecer las características dinámicas y demostrar la fuerza de resistencia lateral y capacidad de disipación de la energía son equivalentes a los sistemas estructurales que figuran en la tabla 12.2 -1 para el coeficiente equivalente de modificación de respuesta, R, sistema de coeficiente de sobrerresistencia, Ωo, y factor de amplificación de la desviación, CD, valores.
Aunque la Tabla 12.2-1 de la ASCE 7-05 enumera una serie de tipos de muro de hormigón sísmicos resistentes al fuerza de los sistemas, ninguna de las reglas de diseño de estos sistemas son tan estrictos como los requisitos de diseño de la capacidad general aplicada al diseño de núcleo paredes de edificios altos. Por lo tanto, sobre la base de comportamiento sísmico esperado, la capacidad de diseño y flexión gobernados edificios con paredes de concreto se puede considerar un tipo distinto de sismo-resistente a fuerzas del sistema. Esta distinción existe actualmente en los códigos de construcción fuera de los EE.UU., y ha sido discutido como un posible cambio de los códigos de construcción próximos de Estados Unidos por el American Concrete Institute y el Nacional de Terremotos Peligros Programa de Reducción.

Figura 2: La acción típica no lineal para una pared en voladizo (izquierda) es una bisagra de flexión de plástico en la base de la pared. Para una pared acoplado (derecha) acciones no lineales son flexión rendimiento vigas de acoplamiento y una bisagra de flexión de plástico en la base de la pared.