Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 CONSIDERACIONES SOBRE LA VULNERABILIDAD SISMICA DE EDIFICACIONES EXISTENTES EDIFICACIONES SISMORRESISTENTES. El diseño sismorresistente de edificaciones tiene como objetivo reducir los daños y prevenir el colapso de las edificaciones y construcciones en general para así minimizar la pérdida de vidas y reducir el impacto en la economía de las regiones afectadas por estos eventos. Los criterios básicos, que constituyen la filosofía del diseño sismorresistente se pueden reducir a los siguientes: 1. Proporcionar rigidez adecuada durante sismos moderados para asegurar completa protección contra daños, especialmente en componentes no estructurales. 2. Proporcionar la resistencia para asegurar que la excitación sísmica contemplada en los códigos no resulte en daños irreparables. 3. Proporcionar ductilidad adecuada y capacidad para disipar energía para el caso en que ocurran disturbios excepcionales, lo cual puede resultar en daños irreparables pero se debe prevenir toda posibilidad de colapso. De tal manera que las edificaciones sismorresistentes deben ser concebidas y diseñadas con determinadas características que garanticen su desempeño ante la acción de los sismos. Entre las características deseables de los sistemas sismorresistentes encontramos las siguientes: 1. Presentar varias líneas resistentes bien definidas. Normalmente dos líneas resistentes ortogonales. 2. Preferiblemente deben tener una distribución simétrica de masas y rigideces en planta y altura. 3. Se deben evitar los cambios bruscos de rigideces con la altura. 4. Se deben evitar concentraciones de masas en los pisos superiores de las edificaciones. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 5. Se deben evitar plantas con entrantes o salientes muy pronunciados que no garanticen la acción de diafragma rígido de los entrepisos. 6. Los elementos verticales deben ser más resistentes que los elementos horizontales que se conecten a ellos (columnas fuertes y vigas débiles) 7. Se debe incluir en el análisis el efecto de la interacción de la tabiquería; especialmente cuando la presencia de éstas reduce la longitud no arriostrada de las columnas (columnas cortas). 8. Debe garantizarse la disipación de energía mediante la formación de rótulas plásticas en vigas y dinteles 9. Debe evitarse, en la medida de lo posible, cualquier otro mecanismo de falla distinto a la flexión. 10.Se deben confinar todos los miembros en aquellas zonas donde se puedan formar rótulas plásticas (vigas, columnas, muros estructurales). Las edificaciones existentes que no cumplan con una o varias de las características antes mencionadas, presentan por lo tanto un cierto índice de vulnerabilidad, es decir existe cierta probabilidad de que en las mismas se produzcan daños estructurales de importancia variable que pueden ocasionar daños locales o generales que comprometan la estabilidad de dichas edificaciones debido al movimiento sísmico del terreno de una intensidad determinada. Los sistemas estructurales concebidos para resistir sismos presentan una gran variedad, en función del planeamiento arquitectónico, altura del edificio, material a utilizarse, importancia de la edificación, tipo de suelo y amenaza sísmica, entre los cuales podemos mencionar los siguientes: • Pórticos de concreto armado. • Pórticos de acero diagonalizados. • Pórticos de acero resistentes a momentos. • Muros estructurales aislados o acoplados. • Muros de mampostería confinada. • Muros de mampostería reforzada interiormente. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 • Fachadas resistentes (Edificios tipo tubo). • Pórticos de madera. Los anteriores sistemas pueden resistir las acciones sísmicas actuando solos o interactuando con otros sistemas resistentes. En las edificaciones flexibles (v.g. pórticos) también se deben incluir la interacción de los componentes no estructurales tales como los tabiques de mampostería y antepechos de concreto, particularmente cuando estos modifiquen la rigidez de algunos elementos y por ende la rigidez de la estructura. VULNERABILIDAD DE EDIFICACIONES EXISTENTES Los daños producidos por los últimos terremotos tales como el de Loma Prieta, Northridge, ambos en E.U.A., Hyogo-Ken Nambu (Kobe), Japón y más recientemente el de Sucre del 9 de Julio de 1.997, con pérdidas de vidas humanas y cuantiosas pérdidas materiales, mayores de las esperadas, obligan a evaluar las edificaciones existentes para estimar el grado de seguridad que ellas poseen y la propensión a sufrir daños, ante eventos sísmicos La evaluación vulnerabilidad de las construcciones en general, se debe realizar atendiendo dos objetivos fundamentales, a saber: • Evaluación de la seguridad sísmica, mediante la determinación del corte basal esperado y el corte basal resistente, orientado a prevenir lesiones en los seres humanos y proteger su vida. • Evaluación de los daños esperados para estimar las pérdidas económicas. Así que el enfoque y por ende los métodos a seguir difieren sensiblemente, de tal manera que en el primero de los enfoques enunciados arriba se debe llegar a evaluar el riesgo mediante un análisis estructural, mientras que en el segundo generalmente se logra establecer el índice de vulnerabilidad por métodos cualitativos. El objetivo final de la valorización de la vulnerabilidad de edificaciones, puentes y otros tipos de estructuras es el establecimiento de las estrategias apropiadas para la Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 rehabilitación, adecuación o reparación de las mismas, para lo cual, se deben considerar, entre otros, los siguientes aspectos: • Confiabilidad en las estimaciones del riesgo sísmico incluyendo el efecto de la cercanía de la fuente, efectos del sitio, licuefacción, deslizamiento de taludes, ruptura de la falla y probabilidad de ocurrencia. • Criterios de aceptación de los niveles de riesgo sísmico. • Aplicación de procedimientos confiables para el análisis y diseño en función del riesgo específico. • Aplicación de técnicas de rehabilitación y reparación que causen las mínimas molestias a los ocupantes y/o usuarios. Al valorizar la vulnerabilidad, no solo debe considerarse la seguridad del sistema estructural resistente primario, sino también aquellos componentes no estructurales cuyo derrumbe pueda causar o lesiones a los seres humanos dentro o fuera de las edificaciones, o bien obstruir salidas de emergencia y vías de escape. ESTRUCTURAS VULNERABLES. Dado el carácter aleatorio de la ocurrencia y magnitud de los sismos, en principio cualquier construcción hecha por el hombre es susceptible de sufrir daños y provocar pérdida de vidas, sin embargo la reducción y mitigación de los riesgos constituye el pilar fundamental de la filosofía del diseño sismorresistente. Así, la detección, evaluación y posterior adecuación de estructuras vulnerables a la acción sísmica, de acuerdo al estado del conocimiento actual, plasmado en las Normas COVENIN 1753 y 1756, para el análisis y diseño de estructuras ubicadas en zonas de alta amenaza sísmica, es un paso esencial en la reducción del riesgo sísmico. Como primer paso para lograr una reducción significativa del riesgo es esencial identificar aquellos edificios que clasifiquen como vulnerables. Las edificaciones de mayor riesgo son aquellas que no han sido diseñadas para resistir fuerzas sísmicas y aquellas en los cuales las fuerzas sísmicas de diseño son consideradas insuficientes. La frontera entre edificios Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 conformes y edificios no conformes, aceptando un cierto nivel de riesgo, se puede establecer con la puesta en vigencia y aplicación de códigos y regulaciones sísmicas razonablemente adecuadas. Para efecto del diseño antisísmico podemos considerar edificios potencialmente vulnerables aquellos proyectados y diseñados antes de la puesta en vigencia de las actuales Normas COVENIN MINDUR1753 y 1756, “Estructuras de concreto armado para edificaciones. Análisis y diseño” y “Edificaciones antisísmicas” respectivamente. Lo anterior no significa que las edificaciones construidas con anterioridad a las Normas actuales sean de alto riesgo sísmico y que las construidas después de ese año queden exentas de evaluación, puesto que en el terremoto de Sucre de 1.997, se produjo en la población de Cariaco el colapso de dos edificaciones escolares lo cual mostró la vulnerabilidad de edificaciones construidas en diferentes épocas, una de ellas de dos niveles construida antes del año 1967 y otra de tres niveles construida después del año 1.982. Lo anterior nos indica que edificaciones nuevas en las cuales se han violentado disposiciones normativas, se han incurrido en errores de proyecto, no se han evaluado adecuadamente las condiciones del sitio o se ha hecho caso omiso de las buenas prácticas de construcción se hacen sumamente vulnerables ante la acción de los terremotos. También se consideran vulnerables, aquellas estructuras cuya resistencia se ha debilitado como consecuencia de haber sufrido durante su vida los efectos de incendios, asentamiento de fundaciones, sismos, y otros deterioros importantes como corrosión del acero o ataques químicos en el concreto. Terremotos destructivos ocurridos en el pasado, mostraron que ciertos tipos de construcción, diseñadas con Códigos relativamente modernos, mostraron un desempeño muy pobre como es el caso de las edificaciones prefabricadas durante el terremoto de Armenia y estructuras con pórticos no dúctiles de concreto armado. Adicionalmente, edificios con configuraciones altamente irregulares en planta y discontinuidades verticales de masa y/o rigideces han resultado ser muy vulnerables. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Muro Núcleo Rígido Ubicación irregular de rigideces en planta Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 A/L > 0.150-0.20 A/L > 0.15-0.20 L A A A/L > 0.15-0.20 L A Plantas en las cuales debe considerarse su flexibilidad Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Plantas sumamente flexibles Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Masa grande Masa grande Masa grande Distribución irregular de masas Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Distribución irregular de rigideces verticales Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Interrupción de muros estructurales. Pisos blandos Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Interrupción de tabiques de mampostería. Columnas cortas. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 EVALUACION CUALITATIVA DE LA VULNERABILIDAD La evaluación cualitativa debe adelantarse para el sistema estructural primario y para los componentes estructurales y no estructurales que posean un potencial de riesgo basado en el examen de la documentación relativa al diseño, construcción e instalación y en la inspección ocular. Mediante la evaluación cualitativa se podrá determinar sí: • El diseño y el detallado, a juicio del evaluador, cumple con los requerimientos de seguridad. • La capacidad resistente sísmica no puede determinarse con la información disponible y se requiere una Evaluación Analítica. Los componentes no estructurales exteriores que deben ser objeto de la evaluación para determinar el riesgo potencial, comprenden, pero no están limitados a, parapetos, ornamentos, marquesinas, aleros, y cualquier apéndice o revestimiento localizado en el exterior del edificio. Entre los componentes no estructurales interiores que deben ser evaluados, se incluyen, aunque no limitados a ellos, equipos, luces, ornamentos y acabados, los que por su peso pueden al desprenderse pueden provocar lesiones. Además se deben evaluar aquellos componentes interiores cuya falla puedan bloquear salidas y escaleras o que durante un incendio liberen materiales tóxicos. La evaluación analítica comienza con la búsqueda de los planos de construcción y la memoria de cálculo, entre las posibles fuentes que posean tal información como son: • Propietarios (presentes y pasados). • Arquitectos. • Ingenieros estructurales. • Organismos oficiales • Constructores. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 Si los planos se encuentran disponibles, se deben estudiar para identificar los sistemas estructurales primarios resistentes a cargas gravitatorias y sísmicas en las direcciones principales. La inspección del sistema estructural primario consiste en verificar que la obra construida coincide con lo contenido en los planos, todas las geometrías y tamaño de los miembros deben verificarse. En aquellos edificios donde los acabados oculten detalles estructurales importantes, aquellos deben removerse. Una vez concluida la inspección de los sistemas estructurales primarios, se debe alcanzar una decisión sobre la conformidad o no del edificio. Los sistemas estructurales se clasificaran de acuerdo a lo siguiente: • Conforme. • No conforme. • La conformidad no se puede determinar mediante la Evaluación Cualitativa y por lo tanto se requiere una Evaluación Analítica. Un sistema estructural se considera no-conforme cuando presenta serias deficiencias tales como: 1. La estructura construida difiere sensiblemente de la proyectada y diseñada. 2. El sistema resistente no puede ser definido, está incompleto o no existe. 3. El sistema estructural tiene discontinuidades en rigideces a lo largo de su altura que afectan adversamente su desempeño durante sismos. 4. El edificio presenta una planta irregular que puede inducir torsiones excesivas durante sismos. 5. Edificios donde se observan evidentes daños en los materiales de construcción del sistema estructural primario. 6. El sistema ha sido debilitado por la acción de incendios, terremotos previos, asentamientos de fundaciones y otras alteraciones. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 7. Los elementos que constituyen los pórticos de concreto, siendo estos los únicos dispuestos para resistir cargas laterales, no fueron diseñados para desarrollar suficiente ductilidad. 8. Edificios que presentan plantas libres o primeros pisos blandos, y que fueron diseñados antes de que se evidenciaran, durante terremotos, las desventajas de esta configuración. 9. Edificios con columnas cortas, en los cuales las fallas por corte preceden las fallas por flexión. 10. Edificios con muros de concreto o mampostería con acero suficiente para garantizar una respuesta sísmica adecuada. 11. Edificio donde se emplearon elementos estructurales de concreto prefabricado con juntas inadecuadas. Para los componentes no estructurales los procedimientos, aunque difieren en detalles, son esencialmente los mismos. Si el sistema resistente primario resulta suficiente, se supone que los componentes no estructurales también lo son, sin embargo todos los elementos no estructurales exteriores independientemente del resultado de la evaluación del sistema resistente primario. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 EVALUACION CUANTITATIVA - INSPECCION VISUAL - BUSQUEDA DE INFORMACIÓN, PLANOS, MEMORIA DE CÁLCULO, ESTUDIO DE SUELOS. - VERIFICACION EN SITIO DE LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN LOS PLANOS. - EVALUACION DE LA CANTIDAD DEL CONCRETO. - DETERMINACION DEL ARMADO DE LOS ELEMENTOS. - ESTIMACION DEL FACTOR DE REDUCCION DE RESPUESTA (INCIDENCIAS SISMORRESISTENTES). - CONSTRUCCION DEL ESPECTRO DE RESPUESTA (DEMANDA) - ANALISIS ESTRUCTURAL. METODO DE ANALISIS - REVISION DE LA RESISTENCIA DE LAS SECCIONES Y DEFORMACIONES DE LA ESTRUCTUURA (CAPACIDAD) - ESTRATEGIA DE ADECUACIÓN SÍSMICA. - SISTEMA DE ADECUACIÓN SÍSMICA. - ANALISIS DE LA ESTRUCTURA REFORZADA. - VERIFICACION DE LAS FUNDACIONES. - DETALLADO DE LOS ELEMENTOS DE REFUERZO Y CONEXIONES CON LA ESTRUCTURA ORIGINAL. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 MÉTODOS DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL. - Método estático equivalente. - Método de superposición modal. - Análisis dinámico no lineal en el tiempo. - Análisis estático no lineal (pushover) MOVIMIENTOS SÍSMICOS. SISMO DE SERVICIO: Se define probabilísticamente como el nivel de sacudida del terreno que tiene una probabilidad del 50% de ser excedido en un período de 50 años. Este nivel de sacudida sísmica corresponde aproximadamente al la mitad del sismo de diseño. Tiene un período de retorno medio de aproximadamente 75 años. SISMO DE DISEÑO: Se define como el nivel de sacudida del terreno que tiene una probabilidad del 10% de ser excedido en un período de 50 años. Tiene un período de retorno medio de aproximadamente 500 años. SISMO MÁXIMO: Se define como el máximo nivel de sacudida del terreno que puede esperarse en el sitio donde se encuentra el edificio y tiene una probabilidad del 5% de ser excedido en un período de 50 años. Tiene un período de retorno medio de aproximadamente 1.000 años. Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 NIVELES DE DESEMPEÑO ESTRUCTURAL. - OCUPACION INMEDIATA - SEGURIDAD DE LA VIDA - ESTABILIDAD ESTRUCTURAL ESTRATEGIAS DE ADECUACION - AUMENTO DE RIGIDEZ - AUMENTO DE RESISTENCIA - MEJORA EN LA CAPACIDAD DE DEFORMACION (DUCTILIDAD) - MEJORA EN LA CAPACIDAD DE DISIPACION DE ENERGIA - REDUCCION DE LA DEMANDA (AISLAMIENTO DE LA BASE) Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 SISTEMAS DE ADECUACION - MUROS ESTRUCTURALES - PORTICOS ARRIOSTRADOS - CONTRAFUERTES - PORTICOS DUCTILES - CONFINAMIENTO DE SECCIONES - REFORZAMIENTO DE COLUMNAS - ELEMENTOS ADICIONALES DE SOPORTE - AISLAMIENTO DE LA BASE - SISTEMAS DE DISIPACION DE ENERGIA - REDUCCION DE LA MASA Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 SISTEMA 1 GDL VIBRACION LIBRE NO AMORTIGUADA X (t) m &x& + kx ω 2. = = 0 k m k En el instante inicial t=0 x(0) = x0 x& (0) = υ0 La ecuación del movimiento es: x(t ) = υ0 senωt + x0 cos ωt ω La frecuencia circular en rad/seg viene dada por la siguiente expresión: ω= k m La frecuencia angular en ciclos/seg es igual a: f = ω 1 = 2π 2π k m El período en segundos es el inverso de la frecuencia: m k T = 2π La amplitud del movimiento viene dada por la siguiente ecuación: X = ⎛υ ⎞ x +⎜ 0 ⎟ ⎝ω ⎠ 2 0 2 Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 SISTEMA 1 GDL VIBRACION LIBRE AMORTIGUADA X (t) m &x& + c x& + kx = 0 c c ξ= = cc 2 km k ω2 = m c k En el instante inicial t=0 x(0) = x0 x& (0) = υ0 La ecuación del movimiento es: υ 0 + ξωx0 senω D t + x0 cos ω D t ) ωD x(t ) = e −ξωt ( La frecuencia circular en rad/seg y la frecuencia amortiguada vienen dadas por las siguientes expresiones: k m ω= ωD = ω 1 − ξ 2 ωD ≅ ω La frecuencia angular en ciclos/seg y el período en seg es igual a: f = ω 1 = 2π 2π k m T = 2π m k La diferencia de amplitud del movimiento entre dos picos viene dada por lo siguiente: ω 2πξ xn = e ωD xn +1 El decremento logarítmico δ se expresa de la siguiente manera: δ ≡ ln xn ω = 2πξ xn +1 ωD δ = 2πξ 1−ξ 2 δ ≅ 2πξ Otto Carvajal F., Ing. Civil, M.Sc., CIV 22.082 SISTEMA 1 GDL VIBRACION FORZADA AMORTIGUADA m &x& + c x& + kx = F (t ) F(t) F (t ) = F0 senω t ω2 = k m ξ= c c c = cc 2 km k En el instante inicial t=0 x(0) = 0 x& (0) = 0 La ecuación del movimiento en régimen permanente es: ⎤ 1 F0 ⎡ −ξωt ξ ⎢e ( x(t ) = senω D t + cos ω D t ) − cos ω D t ⎥ 2 2ξ k ⎢ ⎥⎦ 1−ξ ⎣ La amplitud de la respuesta en régimen permanente es igual a: ρ= [( ) 2 F0 1 − β 2 + (2ξβ ) 2 k ] −1 / 2 donde β ≡ ω ω Si el desplazamiento estático se expresa como F0/k. El factor de amplificación dinámica (D) viene dado por la siguiente ecuación: D≡ ρ F0 / k = [( ) 2 F0 1 − β 2 + (2ξβ ) 2 k ] −1 / 2 Cuando la relación de frecuencia es igual a 1, se produce la condición de RESONANCIA y la respuesta del sistema se amplifica considerablemente.
