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VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO ESCOLAR. ALTERNATIVAS PARA MEJORAR SU SEGURIDAD ESTRUCTURAL. UN CASO

DE ESTUDIO

Nelson Daro Agera CeReDeTeC, Universidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Mendoza, Rodrguez 273,

Ciudad, 5500, Mendoza, Argentina naguera@frm.utn.edu.ar

Miguel Eduardo Tornello CeReDeTeC, Universidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Mendoza, Rodrguez 273,

Ciudad, 5500, Mendoza, Argentina mtornell@frm.utn.edu.ar

RESUMEN Los ltimos grandes terremotos ocurridos en el mundo (Chile, 2010, New Zeland, 2011, Japn, 2011) han puesto de manifiesto, en muchos casos, la inadecuada respuesta de muchas estructuras existentes. Este hecho pone en evidencia la urgente necesidad de intervenir aquellas construcciones esenciales que han sido diseadas con criterios normativos antiguos o bien las que han sido construidas con anterioridad a la aparicin de los cdigos modernos de diseo. El avance del conocimiento en la ingeniera sismorresistente ha plasmado nuevos criterios de diseo que es necesario extenderlos a las estructuras existentes, situacin que obliga a identificar el grado de vulnerabilidad ssmica que poseen. Los edificios escolares se caracterizan por tener un importante riesgo ssmico asociado al elevado factor de ocupacin, importante valor patrimonial y gran impacto social frente al dao ssmico. El trabajo evala la vulnerabilidad ssmica de un edificio escolar tpico de la Provincia de Mendoza, mediante mtodos cualitativos y cuantitativos y se demuestra que la vulnerabilidad estructural obtenida por el mtodo del espectro de capacidad es elevada. Se proponen dos alternativas de refuerzo estructural para alcanzar la seguridad ssmica suficiente frente a la probabilidad de ocurrencia de un evento ssmico importante. Se comparan las opciones de refuerzo en trminos de desempeo estructural, viabilidad constructiva y econmica. Los resultados indican que las alternativas de refuerzos propuestas permiten mejorar la seguridad estructural del edificio frente a la ocurrencia de un terremoto importante en el lugar de emplazamiento del edificio escolar.

Palabras Clave: vulnerabilidad estructural, espectro de capacidad, refuerzo estructural.

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VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO ESCOLAR. ALTERNATIVAS PARA MEJORAR SU SEGURIDAD ESTRUCTURAL. UN CASO

DE ESTUDIO

INTRODUCCIN Los estudios y anlisis desarrollados en el presente trabajo forma parte de uno de los captulos de la Tesis Doctoral, titulada "Mitigacin de la Vulnerabilidad Ssmica de Edificios Educacionales Patrimoniales", la cual busca aportar nuevos conocimientos que permitan obtener resultados que reproduzcan lo ms fielmente posible la respuesta real de estas construcciones, proponer nuevas tcnicas de reparacin y/o recuperacin estructural con la inclusin de tecnologas innovativas. Los edificios con destino educativo que integran los bienes patrimoniales de la provincia de Mendoza, albergan una importante poblacin de jvenes estudiantes, docentes y administrativos. Un estudio de vulnerabilidad ssmica realizado por Palencia, Agera y Tornello (2005) a un edificio escolar construido en la dcada de 1960 y repetido varias veces, en su tipologa arquitectnica y estructural en la provincia de Mendoza, concluy como resultado un alto grado de vulnerabilidad ssmica estructural, situacin que implicaba un elevado riesgo para sus ocupantes y contenidos del edificio. Los resultados fueron obtenidos mediante la aplicacin del mtodo del espectro de capacidad sugerido por Chopra et al (1999).

VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL. MTODO DE ANLISIS

Uno de los procedimientos ms utilizados por la especialidad para evaluar la vulnerabilidad ssmica estructural es el mtodo del espectro de capacidad. El mismo consiste en determinar el punto de desempeo de una estructura cuando se ve sometida a movimientos ssmicos de diferente intensidad. Se compara la capacidad para resistir fuerzas laterales con la demanda ssmica, representada por medio de un espectro de respuesta reducido. En la Figura 1 se presenta de manera grfica la esencia del mtodo. La demanda ssmica est representada por un espectro reducido definido por la normativa de aplicacin. Por otro lado el mtodo exige determinar la curva de capacidad de la estructura analizada y finalmente, a travs de un pushover se busca definir el punto de demanda el cual puede presentar diversas alternativas en funcin de la capacidad de la estructura analizada.

Figura1. Superposicin curva de capacidad y espectro de capacidad. (Goel R.K., 2002)

Caractersticas del edificio estudiado

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El edificio educacional constituye un modelo tpico de construccin en el Gran Mendoza en la dcada del 1960. Consta de una estructura de dos niveles, el entrepiso posee una losa de hormign armado lo que permite plantear la hiptesis de diafragma rgido del primer nivel. En el segundo nivel se tiene una cubierta con estructura metlica por lo tanto, el diafragma fue considerado flexible y sin capacidad para transferir las acciones ssmicas a los elementos estructurales del nivel. En sentido longitudinal la estructura vertical est compuesta por prticos de hormign armado y en sentido transversal hay una marcada presencia de muros de mampostera encadenada y tabiques de hormign armado. En la Figura 2 se observa el modelo estructural en 3D del edificio escolar estudiado.

Figura 2. Modelo estructural del edificio estudiado.

De la documentacin tcnica del edificio se obtuvieron los datos necesarios para realizar el anlisis, ellos fueron:

1. Peso Total del Edificio (W) = 539 tn 2. Coeficiente de Cortante en la Base (Cs) = 0,13 (Co = 0,10 ; e = 1 ; d = 1,3 ; s = 1)

(Cdigo de Construcciones Antissmicas. Ministerio de Obras y Servicios Pblicos. Mendoza. 1970).

3. Fuerza Ssmica Asociada a la direccin longitudinal (Fs) = 70 tn. 4. Hormign tipo H13 segn CIRSOC 201. (1982). 5. Acero tipo ADN 42/50 segn CIRSOC 201. (1982). 6. Mampostera de ladrillo macizo LCM con mortero clase 1. (Cdigo de Construcciones

Sismorresistentes para la Provincia de Mendoza. 1987).

En el presente trabajo se presentan slo los resultados obtenidos para la direccin longitudinal. En dicha direccin el edificio est constituida por tres planos estructurales conformados por prticos sismorresistentes. Los prticos tienen 14 vanos espaciados cada 2,72m y la altura del primer nivel es de 2,75m.

Vulnerabilidad estructural determinada En la Figura 3 se han representado el espectro elstico de la normativa de aplicacin, el espectro reducido y la curva de capacidad de la estructura original (espectro de capacidad). El grfico muestra claramente que la curva de capacidad de la estructura original (espectro de capacidad) se desarrolla por debajo de la demanda impuesta por el terremoto de diseo (espectro reducido). El hecho de que ambas curvas no se corten y se evidencie un notorio

38.35 m

9.60 m

5.50 m

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alejamiento entre ambas, indica que el edificio es altamente vulnerable a la ocurrencia del terremoto de diseo impuesto por la normativa de aplicacin . El espectro de diseo que se utiliz para el anlisis fue el correspondiente al Reglamento INPRES CIRSOC 103 (1991), para la zona ssmica 4 y suelo tipo II.

Figura 3. Curva de capacidad de la estructura original (espectro de capacidad) y la diferencia que existe con la demanda impuesta por el terremoto de diseo (espectro reducido).

ALTERNATIVAS DE MEJORAS EN LA SEGURIDAD ESTRUCTURAL

Con el objeto de controlar la vulnerabilidad del edificio y por lo tanto recuperar su seguridad estructural fue necesario proponer tcnicas de refuerzo o de disipacin de energa. Entre las distintas alternativas posibles, se estudiaron dos opciones de refuerzo, la opcin A se lleva a cabo introduciendo en dos prticos longitudinales diagonales de acero, la opcin B se materializa a partir del recrecido de las columnas de hormign armado de los prticos longitudinales mencionados anteriormente. Para la opcin de refuerzo A se utilizaron diagonales de acero, de seccin circular hueca, de 20cm de dimetro y 0.6cm de espesor. En la opcin de refuerzo B se recrecieron las secciones de columnas de hormign armado logrando secciones de 40cm de ancho por 60cm de largo.

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0,600,40

0,40

0,20

Columna OriginalColumna Reforzada

0,40

0,20

Figura 4. Refuerzo estructural en columnas de hormign armado

Figura 5: Opcin de refuerzo A. Prticos longitudinales reforzados con diagonales de acero.

Plano Estructural P3x REFORZADO

Plano Estructural P1x REFORZADO

Figura 6: Opcin de refuerzo B. Prticos longitudinales reforzados con recrecido de columnas de hormign armado.

En la opcin de refuerzo B se propone la eliminacin de la mampostera ubicada en planta baja del prtico P1x, para luego utilizar un cerramiento con carpintera integral

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desvinculada de la superestructura. Esta propuesta de refuerzo se realiza con el objetivo, entre otros, de eliminar el efecto de columna corta que el prtico P1x posee en su actualidad.

MTODO DE ANLISIS

La Curva de capacidad de la estructura se obtuvo a travs de un anlisis pushover utilizando el programa computacional ETABS. El anlisis pushover requiere conocer las caractersticas seccionales de los elementos que constituyen la estructura principal y las caractersticas mecnicas de los materiales.

Leyes constitutivas de los materiales Para determinar las caractersticas de resistencia y ductilidad de las secciones, se utilizaron las siguientes leyes constitutivas:

Acero Debido a las grandes deformaciones plsticas que los terremotos destructivos imponen a las estructuras, se evala la resistencia del acero en deformaciones mayores a la de fluencia para determinar la resistencia de los miembros bajo esas condiciones. El modelo utilizado es el propuesto por Park, R y Paulay, T. (1980) el cual considera el rango de endurecimiento por deformacin. Los resultados se evalan con un acero de dureza natural con tensin de fluencia de 420 MPa y tensin de rotura 500 MPa.

Hormign Confinado El confinamiento mediante acero transversal incrementa la resistencia a compresin del hormign y la deformacin especfica ltima. Para el presente estudio se adopta el modelo de Priestley, M. J. N y Park, R. (1988), el cual se caracteriza fundamentalmente por ser utilizable para cualquier forma seccional y para cualquier grado de confinamiento.

Determinacin de las Curvas Momento-Curvatura Para determinar las curvas tericas momentocurvatura de las secciones de hormign armado, sometidas a flexin y carga axial, se adoptaron hiptesis de la teora de flexin y las leyes constitutivas de los materiales definidos precedentemente. Las curvas momento-curvatura utilizadas en la modelacin de la estructura fueron obtenidas mediante el programa computacional Response2000, Bentz, Evan C, Collins, Michael P. (2000). Las curvas obtenidas se aproximaron al modelo bilineal, se determin la curvatura de fluencia equivalente mediante la extrapolacin lineal de la recta que une el origen de la curva y el punto de primera fluencia hasta interceptar la recta que une el momento ltimo con el punto de la curva correspondiente al 4 de deformacin especfica de compresin.

Determinacin del punto de performance Con los datos precedentes se realiz el modelo de la estructura en ETABS. Se utiliz la herramienta del anlisis pushover del mismo software y se obtuvo las curvas de capacidad de cada estructura, los espectros de capacidad y los puntos de performance para cada opcin de refuerzo estructural. El programa ETABS determina el punto de performance a partir del procedimiento B del ATC-40 (1996).

RESPUESTA ESTRUCTURAL DE LA OPCIN DE REFUERZO A

En la figura 7 se ha graficado la curva de capacidad obtenida del anlisis pushover de la estructura reforzada.

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Figura 7. Curva de capacidad de la estructura reforzada con la opcin A.

En la Figura 8 se compara la curva de capacidad de la estructura original y la curva de capacidad de la estructura reforzada.

Figura 8. Comparacin de curva de capacidad de la estructura original y la estructura reforzada con la opcin A.

Para obtener el punto de desempeo se superponen en un mismo grfico con formato de pseudoaceleraciones y pseudodesplazamientos, el espectro de demanda elstico de diseo y

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el espectro de capacidad de la estructura. En la figura 9 se presenta el punto de performance obtenido a partir del programa ETABS (ATC40, procedimiento B). La aceleracin espectral se mide en unidades de g y el desplazamiento espectral en unidades de cm.

Figura 9. Punto de performance de la estructura reforzada opcin A.

Punto de Desempeo

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Los valores obtenidos correspondientes al punto de performance de la estructura reforzada son:

- Pseudodesplazamiento Sd = 0,294 cm - Pseudoaceleracin Sa = 0,795 g - Amortiguamiento Efectivo eff = 10 % - Periodo del punto de desempeo Teff = 0,122 seg

En la figura 10 se presenta el nivel de rotulacin de la estructura reforzada con la opcin A para el punto de performance obtenido.

Figura 10. Rotulacin para el punto de performance de la estructura reforzada opcin A.

RESPUESTA ESTRUCTURAL DE LA OPCIN DE REFUERZO B

En la figura 11 se ha graficado la curva de capacidad obtenida del anlisis pushover de la estructura reforzada con la opcin B.

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Figura 11. Curva de capacidad de la estructura reforzada opcin B.

En la Figura 12 se compara la curva de capacidad de la estructura original y la curva de capacidad de la estructura reforzada con la opcin B.

Figura 12. Comparacin de curva de capacidad de la estructura original y la estructura reforzada con la opcin B.

Para obtener el punto de desempeo se superponen en un mismo grfico con formato de pseudoaceleraciones y pseudodesplazamientos, el espectro de demanda elstico de diseo y

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el espectro de capacidad de la estructura. En la figura 13 se presenta el punto de performance obtenido a partir del programa ETABS (ATC40, procedimiento B). La aceleracin espectral se mide en unidades de g y el desplazamiento espectral en unidades de cm.

Figura 13. Punto de performance de la estructura reforzada opcin B.

Punto de Desempeo

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Los valores correspondientes al punto de performance de la estructura reforzada opcin B son:

- Pseudodesplazamiento Sd = 0,434 cm - Pseudoaceleracin Sa = 0,943 g - Amortiguamiento Efectivo eff = 6,4 % - Periodo del punto de desempeo Teff = 0,134 seg

En la figura 14 se observa el nivel de rotulacin de la estructura reforzada con la opcin B para el punto de performance obtenido.

Figura 14. Rotulacin para el punto de performance de la estructura reforzada con la opcin B.

NIVELES DE DESEMPEO

Existen nmeros antecedentes relacionados con los niveles de desempeo de las estructuras, dao discreto o controlado y distorsiones de piso. Entre ellos los ms relevantes son ATC-40, VISION-2000, FEMA-273. Estos reglamentos proporcionan directrices para establecer los lmites de desempeo pero presentan una incertidumbre en la definicin de los mismos y tambin permiten cierta flexibilidad para tomar otros valores que los profesionales estructuralistas crean ms convenientes de acuerdo al comportamiento que deseen de la estructura, nivel de desempeo y uso del propio edificio.

En las Tablas 1 y 2 se presentan una posible directriz que pueden ser tomada en cuenta para la verificacin del nivel de desempeo que se espera en una determinada construccin civil .:

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Tabla 1. Lmites de distorsin mxima de piso propuesto por ATC-40, para los diferentes Niveles de Desempeo.

Nivel de Desempeo Distorsin de Piso Ocupacin Inmediata (IO) 0.01 Contro de Dao (DC) 0.01 0.02 Seguridad de Vida (LS) 0.02 Prevencin del Colapso (CP) 0.33*Vi/Pi

Siendo: Vi = corte basal Pi = peso total gravitacional

Definiendo la deriva de piso () como:

H

= (1) Siendo: = desplazamiento de piso H = altura de piso

Tabla 2. Lmites de distorsin mxima de piso segn VISION-2000, para los diferentes Niveles de Desempeo.

Nivel de Desempeo Distorsin de Piso (% altura de piso)

Totalmente Operacional 0.20 Operacional 0.50 Seguridad 1.50 Prximo al Colapso 2.50 Colapso >2.50

En la tabla siguiente se exponen los resultados obtenidos de distorsiones de piso para cada alternativa de refuerzo estructural y se comparan los valores obtenidos los lmites que proponen ATC-40 y VISION-2000.

Tabla 3. Respuesta estructural en trminos de distorsiones de piso para las alternativas de refuerzo.

Alternativa de Refuerzo Estructural

Distorsin de Piso

H

= Nivel de Desempeo

ATC-40 VISION-2000

Opcin A 0.0011 Ocupacin Inmediata (IO)

Totalmente Operacional

Opcin B 0.0016 Ocupacin Inmediata (IO)

Totalmente Operacional

ANLISIS ECONMICO DE LAS ALTERNATIVAS DE REFUERZO ESTRUCTURAL

Se ha desarrollado un anlisis cuantitativo de los costos aproximados de cada alternativa, incluyendo materiales y mano de obra. Ambas opciones de refuerzo estructural no requieren de tcnicas de refuerzo complejas, por ende no requieren de mano de obra especializada. .

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En la Tabla 4 se definen los montos de inversin que contemplara cada alternativa de refuerzo estructural.

Tabla 4. Costos de materiales y mano de obra para cada opcin de refuerzo. Opcin de Refuerzo

Estructural Costo Materiales

(USD) Costo Mano de Obra

(USD) Costo Total

(USD) Opcin A $ 5800 $ 4640 $ 10440 Opcin B $ 7240 $ 6460 $ 13700 Nota: USD es dlar estadounidense, se ha realizado la siguiente equivalencia: $ 1 dlar son $ 4.15 pesos argentinos.

CONCLUSIONES

El estudio de la respuesta estructural del edificio educacional con demandas asociadas a normativas vigentes arroja un elevado grado de vulnerabilidad ssmica del establecimiento. Los resultados indican que se producirn fallas locales que provocarn situaciones de inoperatividad del edificio. Las dos alternativas de refuerzo y recuperacin estructural estudiadas permiten controlar la vulnerabilidad actual del edificio y cumplen con los objetivos de los niveles de desempeo dado por las normativas de la especialidad. La alternativa de recrecimiento de las columnas del primer nivel del prtico conduce a fallas ms frgiles con relacin a la alternativa del refuerzo con diagonales de acero. Con esta ltima solucin la estructura, en su comportamiento global, presenta una falla ms dctil. Las dos alternativas de refuerzo estructural planteado presentan costos de recuperacin estructural parecidos y no se observa una diferencia sustancial entre ambas a pesar que la alternativa asociada al refuerzo con diagonales de acero es ms econmica que la opcin del recrecimiento de las secciones de las columnas de los prticos longitudinales.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo brindado por el CeReDeTeC y por el Programa de Becas para Docentes de la Universidad Tecnolgica Nacional - Formacin de Posgrado, los cuales han permitido el desarrollo del presente trabajo de investigacin.

REFERENCIAS

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