Evaluación de edificios dañados por el sismo en Chile

Evaluación de edificios dañados
por el sismo en Chile
Por: Ing. Santiago Pujol
Profesor, MSCE y PhD. de Purdue University.
Ing. Joseph Jiménez Elizondo
MSCE Purdue University.
y 0,52 m/s (20”/s) en la dirección longitudinal (60° componente) y la dirección
transversal (150° componente), respectivamente.
Colegio de Ingenieros Civiles DE Costa Rica
Suplemento de Ingenieros Civiles
Descripción de los edificios
El terremoto de Maule del 27 de febrero
del 2010 causó graves daños en 20 de
los 102 edificios de mediana altura en
Concepción, Chile. Entre estos edificios se
desplomó uno de 15 pisos (Alto Río) de concreto reforzado con muros de corte.
El edificio fue construido en 2009 siguiendo el código chileno de 1996 (NCh4331996). Este es equivalente al código de
construcción ACI de 1995 (ACI-318 1995),
excepto que se excluye los requisitos de
confinamiento en los elementos de borde
en muros de corte. Este artículo describe
las principales propiedades del edificio Alto
Río utilizando una serie de índices. Estas
propiedades se comparan con otros cinco
edificios con sistemas estructurales y alturas similares, ubicados dentro de un radio
de 3,7 km (2,3 millas) alrededor del edificio
Alto Río.
Para este trabajo se realiza la siguiente
pregunta: ¿cuál o cuáles características
hicieron a Alto Río diferente de los otros
edificios?
Descripción del movimiento
sísmico
El movimiento sísmico del 27 de febrero
del 2010 (terremoto en Maule, Chile) tuvo
una magnitud de Mw=8,8 (USGS 2010),
el epicentro (35,909°S y 72,733°O, profundidad=35 km) se estima que se ubicó
a 105 kilómetros (65 millas) al noreste de
Concepción. Las aceleraciones pico del
terreno fueron 0,40 g y 0,65 g y las velocidades pico del terreno 0,67 m/s (27”/s)
El edificio de Alto Río era una estructura
de 15 pisos, con una altura de 38 metros
y fue construido en el 2009. En su eje
largo medía 40 metros y en su eje corto 12
metros de ancho. La altura típica de piso
a piso era de 2,52 metros y el primer nivel
era de 3,06 metros. Tenía dos sótanos para
estacionamientos, cada uno con una altura
de 2,52 metros. El sistema estructural era
tipo muro. La relación del área de sección
transversal de los muros con respecto al
área en planta del edificio era del 7%. La
relación de los muros en dirección longitudinal (N-S) era de aproximadamente 3% y
en el sentido transversal (E-O) era de 4%.
El espesor de pared típico era de 200 mm
(8”). El promedio de la cuantía de refuerzo
vertical era 0,6% y en el refuerzo horizontal
era de 0,3% en el primer piso. El refuerzo
estaba distribuido en dos mallas de acero.
El espesor de la losa de entrepiso era de
150 mm (6”) de concreto reforzado.
El concreto utilizado era de peso normal
y tenía una resistencia a la compresión
f’c=48 MPa (6800 psi) obtenida a partir
de ensayos de núcleos extraídos de muros
estructurales después del terremoto. La
media de la resistencia a tensión fue de
fy=480 MPa (70 ksi) y una tensión de rotura
media fu=720 MPa (105 ksi), según informes IDIEM 2010.
El período del primer modo (dirección
E-O) de oscilación fue de 0,5 s y el factor de
participación modal fue de 1,6 según Song
et al 2011.
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La demanda de desplazamiento espectral
se estimó en aproximadamente 0,25 m
(10”) utilizando el método propuesto por
Sözen (2003). Este espectro se ha asociado con una deriva media máxima de 1%.
La capacidad a la flexión del edificio
se calculó utilizando un análisis límite.
Solamente se calculó en la dirección transversal (E-O), ya que en esta dirección
colapsó el edificio. Las relaciones momento-curvatura fueron calculadas para cada
eje estructural del edificio. El peso por unidad de superficie del entrepiso se supone
en 1000 kgf/m2 (205 psf). La carga axial
que actúa sobre cada sección de pared
se calcula utilizando anchos tributarios
iguales a la mitad de la distancia entre
ejes estructurales adyacentes. Se estudió
dos mecanismos de falla de flexión. En el
primero se asume que se formaban rótulas
en la base de las paredes del primer nivel.
En el segundo se supuso que las rótulas
se formaron en la base de las paredes del
segundo piso. Se asume que las losas de
entrepiso actuaron como vigas de acople
y que la aceleración lateral es lineal, de
acuerdo con Song et al (2011).
Cinco edificios de concreto reforzado tipo
muro fueron comparados con Alto Río: Alto
Arauco, Alto Huerto, Centro Mayor, Plaza del
Río1 y Plaza del Río2. Para la comparación
de estos cinco edificios fueron establecidos
una serie de parámetros como propiedades
geométricas, detalles de refuerzo y esfuerzos normales debidos a la carga axial y
flexión.
Se obtuvo resultados de ensayos a compresión para Alto Río de 47 MPa (6800 psi)
y Centro Mayor 56 MPa (8000 psi), pero
no así para los otros edificios. Luego, otros
datos de f’c (en términos de la resistencia
de un cubo de 200 mm) fueron obtenidos
para el Alto Río y Centro Mayor, 30 MPa
(4350 psi) de muestras extraídas de las
fundaciones, del primer y segundo nivel.
Para el resto de los edificios se especifica
en planos 25 y 30 MPa. Se asume resistencias de 52 MPa (7500 psi) para todas las
edificaciones distintas a Alto Río y Centro
Mayor bajo la teoría de ensayos de compresión utilizando cilindros de concreto.
Un parámetro manejado fue el índice
de esfuerzo a la flexión propuesto por
S.Wood (1989) para identificar las paredes
estructurales vulnerables a la fractura del
refuerzo. Este sugiere que los muros estructurales con índices menores a 15% tienden
a presentar daños a tensión.
Otros parámetros se refieren a detalles
estructurales (refuerzo de confinamiento y
ubicación de traslapos) y discontinuidades
geométricas en la elevación de muros.
Análisis general
La altura de los edificios tiene un rango
que va desde los 30 hasta los 50 metros
y el número de pisos varió de 13 hasta 20
niveles. Los edificios fueron construidos
entre 2004 y 2009. Todos excepto Plaza del
Río2 estaban orientados con sus ejes longitudinales en la dirección N-30°-O, aproximadamente. Plaza del Río2 se orientó en
la dirección perpendicular (N-60°-E). Esta
dirección (N-60°-E) coincide tanto con la
dirección en la que los edificios eran más
delgados como en la dirección donde hubo
más daños. De hecho, Plaza del Río2 fue el
único en la muestra con daños leves.
Para los edificios considerados, sus períodos fundamentales van de 0,5 s a 0,7 s,
por lo tanto se podría esperar demandas de
desplazamiento espectral parecidas para
los seis edificios, bajo el supuesto que el
movimiento del suelo no varía dramáticamente de uno a otro.
El promedio de las cuantías de refuerzo
vertical varían entre 0,3% y 2%. Alto Huerto
y Centro Mayor tiene cuantías entre el 2% y
el 1,4%, respectivamente. Las otras cuatro
edificaciones tienen en promedio cuantías
de refuerzo menores al 1%. Alto Río tenía
una cuantía de refuerzo promedio de 0,6%
y Alto Arauco tenía 0,4%. Plaza del Río1
y Plaza del Río2 presentaron el menor
promedio de cuantía de acero vertical con
sólo 0,3%.
El promedio de cuantía de acero horizontal varía entre el 0,3% y 0,7%, donde cinco
de los seis edificios tienen promedios entre
0,3% y Alto Huerto cuenta con un promedio
de 0,7%.
La relación de área de pared en la sección transversal entre el área de piso (calculado para el primer piso) varió de 4,5%
a 7%. Alto Río y Centro Mayor tenían una
densidad de área de paredes entre área de
construcción por piso del 7%, Alto Arauco
tenía una proporción del 6% y el resto tenía
aproximadamente una proporción del 4,5%.
Se calculó los valores promedio de la
relación de carga axial P/f’c Ag y el índice
de esfuerzo a flexión (Wood, 1989). Alto
Huerto y Plaza del Río1 presentaron los
mayores valores de tensión axial, aproximadamente el 10% de f’c. Alto Río tuvo el valor
más bajo para los esfuerzos axiales (5% de
f’c), lo que indica una baja probabilidad de
falla en compresión.
Esto demuestra que todos los edificios,
de acuerdo con los criterios propuestos
por Wood, eran vulnerables a la fractura
del refuerzo vertical. Plaza del Río2 y Alto
Arauco eran los más vulnerables y el resto
tenía una vulnerabilidad a la fractura a
tensión similar.
Se realizó una ubicación de los empalmes del refuerzo vertical en los edificios
analizados. Plaza del Río1 y Plaza del Río2
tenían empalmes en la base del segundo y
cuarto nivel. Alto Arauco tenía traslapes en
la parte inferior del segundo y tercer nivel.
Alto Huerto tenía empalmes en la parte
superior del primer sótano y el tercer nivel.
En Centro Mayor se colocó empalmes
desfasados en el primer y tercer nivel. Alto
Río tenía todos sus traslapes en la base
del primer nivel. Además, se revisó las longitudes de los empalmes utilizados. Esta
longitud varió entre los 60 y 75 diámetros
de barra.
Dos de los seis edificios tenían elementos de borde en las paredes estructurales
(Centro Mayor y Alto Arauco). Estos edificios
con elementos de borde no cumplían con
las cuantías de refuerzo especificadas por
el ACI 318-08.
Se observó todas las discontinuidades en
elevación y se estima que el 70% y el 60%
de las paredes de Alto Huerto y Alto Río,
respectivamente, tenían discontinuidades.
En Plaza del Río1 y Alto Arauco el 25% de
los muros estructurales tiene discontinuidades. En Centro Mayor y Plaza del Río2 el
porcentaje de muros discontinuos fue del
14% y 5%, respectivamente.
Los equipos de reconocimiento que visitaron Chile (Jack Moehle et al., 2010)
sugieren que un posible inicio de daño era
la presencia de discontinuidades en muros
estructurales. Para estudiar los méritos
de esta hipótesis se realizó una serie de
interrogantes utilizando la información disponible:
1. ¿Hubo daños en todas las discontinuidades?
No, de los 16 muros con discontinuidades, sólo en cuatro se observó daños
graves.
2. Cuando se observó un daño severo
¿existía una discontinuidad?
No, sólo el 7% de los lugares con
daños graves coincidió con esquinas
reentrantes.
la única característica sobresaliente del
Alto Río que puede explicar su colapso
era la localización de los empalmes. Para
probar esta hipótesis adicional, la siguiente sección explora una comparación más
detallada entre este edificio y el otro que
fue considerado como el más similar en la
muestra disponible: Centro Mayor.
Con este ejercicio se verificó que no siempre coinciden los daños con la ubicación de
discontinuidades, pero sí con la ubicación
de los traslapos. A partir de esto fueron
formuladas las siguientes preguntas:
1. ¿Hubo daños en todos los traslapos?
No, sólo se encontró daños en un 15%
de los traslapos.
2. Cuando se observó un daño grave ¿existía un traslapo cerca?
En un 70% de los lugares donde se
observó daños graves existían empalmes de refuerzo.
Los períodos calculados para Alto Río y
Centro Mayor fueron 0,5 s y 0,7 s, respectivamente. La capacidad a cortante basal,
así como el coeficiente de falla dominado
por la flexión y el de corte fueron estimados
por Song et al. (2011) para Alto Río y en el
presente trabajo para Centro Mayor. Alto
Río tenía un coeficiente de cortante basal
mínimo (resistencia a la flexión) de 0,35 y
Centro Mayor tuvo un coeficiente de cortante basal mínimo de 0,22 en sus direcciones
transversales, ambos en la base del segundo piso. Los coeficientes a cortante en el
primer nivel fueron 0,72 para Alto Río y
0,57 para Centro Mayo. Los coeficientes de
resistencia al corte en la base del segundo
piso fueron de 0,62 y 0,61, respectivamente. Estos valores indican que para ambos
casos el mecanismo de falla que se podría
esperar era a flexión en lugar de cortante.
La probabilidad de fallo de un mecanismo
dominado por flexión se entiende mejor en
términos de desplazamiento en lugar de
fuerza.
Mediante una relación momento-curvatura se calculó la curvatura máxima de cada
muro estructural en dirección este-oeste,
suponiendo εc=0,004 como deformación
última a la compresión del concreto. La curvatura última se calculó al dividir la deriva
entre la altura, bajo el supuesto de rótulas
plásticas en la base del edificio.
Esta razón de curvatura indica cuánta fue
la demanda por desplazamiento rotacional
sobre la capacidad de flexión de la pared
estructural. Las relaciones en el primer
piso de Centro Mayor varían entre 0,1 a
2,6 y 0,1 a 1,8 en Alto Río. El promedio
de esta relación en Centro Mayor es 1,0 y
para el Alto Río la proporción media es de
0,9. Se calculó los coeficientes de demanda de desplazamiento y la capacidad de
desplazamiento, en dirección este-oeste y
oeste-este. Estos resultados muestran que
En general, Alto Río no muestra grandes
diferencias con respecto a los otros cinco
edificios analizados. Únicamente hay dos
características que sacan a Alto Río de la
muestra: la relación de esbeltez y la ubicación de los traslapos en el refuerzo vertical.
Alto Río fue el edificio más delgado en
la muestra. En definitiva, es difícil atribuir
el colapso a esta diferencia porque la relación de esbeltez no tiene tanta validez en
términos de la respuesta dinámica como
sí lo tienen parámetros como la relación de
carga axial y el índice de esfuerzo a flexión.
Ahora, en términos de proporción de carga
axial (P/f’c Ag), la cual es un índice que
debería estar correlacionado con la vulnerabilidad a la compresión, Alto Río parecía
haber sido el edificio menos vulnerable en
la muestra. En cuanto al índice de esfuerzo
a flexión, también indica que esta edificación era vulnerable a la tensión. De acuerdo
con Wood (1989), un índice de esfuerzo a
la flexión menor al 15% indica vulnerabilidad a la fractura del refuerzo de tracción.
Sin embargo, otros cuatro edificios tenían
índices de flexión tan bajos como Alto Río,
incluso Plaza del Río 2 y Alto Arauco tenían
índices aun más bajos.
El análisis anterior indica que, en términos de los parámetros considerados,
Comparación entre el Alto Río
y Centro Mayor
ambos edificios tuvieron un comportamiento similar.
Por lo descrito anteriormente se puede
determinar que los muros estructurales
de Alto Río fueron menos exigidos que los
muros estructurales de Centro Mayor bajo
estas estimaciones. Sin embargo, Alto Río
se derrumbó sobre su costado este.
Se concluye de nuevo que este no era el
edificio más vulnerable de la zona, incluso
Centro Mayor (bajo parámetros de derivacapacidad) fue más exigido que Alto Río.
Conclusiones
Seis edificios estudiados después del
terremoto de Maule de 2010 en Concepción
fueron comparados entre sí con un total de
19 parámetros. De estos solamente uno
se derrumbó: Alto Río. En términos de
los parámetros considerados, Alto Río no
parece ser diferente de los otros cinco edificios, excepto que fue el único donde sus
traslapos fueron hechos en un sólo nivel.
Esta observación sugiere que los efectos
de los traslapos en el refuerzo vertical de
muros de corte es un tema que debe ser
más investigado.
Colegio de Ingenieros Civiles DE Costa Rica
Suplemento de Ingenieros Civiles
Referencias
1. Sözen, M.A. “The velocity of displacement”, en Proceedings, The NATO
Science for Peace Workshop on Seismic
Assessment and Rehabilitation of
Existing Buildings. S.T. Watsi, G. Ozcebe
(editores), Izmir, Turquía. (2003): pág.
11-28. Impreso
2. Sharon L.Wood and Jack P. Moehle.
Performance of RC Shear Wall Buildings
during the 1985 Chile Earthquake.
3. Sharon L.Wood, “Minimum Tensile
Reinforcement Requirements in Walls”,
ACI Structural Journal. V.86, No 4,
Septiembre-Octubre (1989). Impreso.
4. Cheng S and Pujol S, The Collapse of the
Alto Río Building during the 27 February
2010 Maule, Chile, Earthquake.
5. Moehle J., National Science Foundation
<https://nees.org/resources/3111)>.
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