comportamiento sismoresistente de muros estructurales
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Dr. Lobo Quintero WilliamTRANSCRIPT
COMPORTAMIENTO SISMORRESISTENTE DE MUROS ESTRUCTURALES:
EL CASO DEL TERREMOTO DE MAULE, CHILE, 27-02-2010.
William Lobo Quintero, Profesor Titular Jubilado Activo Ad Honorem, Facultad de Ingeniería, ULA
1. Introducción. La Ingeniería requiere de la revisión de los eventos sísmicos ocurridos, de la
historia de la sismología y de la sismorresistencia, para evolucionar hacia la
prevención, la mitigación y la respuesta posible ante los próximos terremotos,
los cuales seguramente acaecerán. En esa perspectiva, la actividad sísmica de
los eventos con baja probabilidad de excedencia o sismos más fuertes, permite
aprovechar su incidencia, para revisar y mejorar las prescripciones normativas,
métodos de análisis, programas de cálculo y diseño, detallados y procesos de
construcción, inspección y mantenimiento de los sistemas estructurales.
Entonces, reconociendo los efectos de los sismos en las construcciones, la
experiencia nos dice que cada uno trae lecciones particulares, en función de sus
características, de los efectos de sitio y de los sistemas constructivos utilizados.
En cada país, se conforma una experiencia particular y algunos de estos, existen
programas de investigación y de prevención pertinentes, sobre los cuales se
tiene el mayor interés. Allí cabe el desarrollo que se le ha dado a la Ingeniería
sísmica en Chile y a su normativa actualizada, que de alguna manera, en un
terremoto tan fuerte como el ocurrido el 27 de Febrero de 2010, se pone en
evidencia y se contrasta su desempeño. Y por ser un país, que tiene una
experiencia acumulada en el diseño y construcción de muros estructurales de
concreto armado, conocidos como sistemas rígidos que ofrecen mayor control de
las deformaciones, y de los daños a los elementos no estructurales, por tanto,
nos interesa conocer como han sido sus comportamientos sismorresistentes.
Cuando hacemos esto, para revisar conceptos aplicados, diremos según Mete
Sozen 2004, que no somos pesimistas si reconocemos que el diseño
sismorresistente no ha llegado aún al final de la historia. Y además agrega, que
el objeto del diseño es producir un artefacto de ingeniería que sea seguro,
serviciable y económico. Y respecto a la sismorresistencia y a la relación de
coordenadas nodales de una estructura, antes y después de un evento, asume
los criterios siguientes: (1). Que las coordenadas verticales de los pisos no
deben cambiar, y (2). Que la coordenada horizontal de un piso debe ser menor
del 2% de la altura del mismo, y preferiblemente el 1%. Con el primer criterio
se protegerán vidas y con el segundo, las inversiones. Para proteger vidas, hay
que ser sensibles a las cuantías, los arreglos y los detalles del refuerzo
transversal, pero, el segundo criterio, no es tan simple, y el ingeniero estructural
debe aplicar con cuidado la normativa vigente, pero mantener buen criterio,
sensibilidad y conocimientos, para estimar sus rangos e incorporar, si es preciso,
aspectos que no estén exigidos por los códigos.
2. El Muro Estructural.
La selección del sistema estructural y no-estructural de concreto armado, y su
desempeño bajo acciones sísmicas, involucra considerar sismicidad, geotecnia,
comportamiento bajo acciones laterales, tenacidad, rigidez, costos de
construcción y buen juicio ingenieril. En la perspectiva de un comportamiento
eficaz, el muro estructural entonces, puede limitar las derivas laterales, permite
diseñar detalles simples, controlar la disipación de energía para evitar suficientes
daños y pérdidas, aunque asume mayor fuerza lateral.
La información recogida, nos dice que un diseño
racional, se fundamenta en las siguientes
recomendaciones: 1. El muro estructural da la
oportunidad de satisfacer: rigidez, resistencia y
ductilidad. 2. Si se ubica en la estructura en
forma ventajosa, puede constituir un sistema
sismorresistente adecuado. 3. Al contar con un
eficaz sistema de fundaciones, se podrán
transmitir los efectos al suelo, aceptando las
deformaciones elásticas e inelásticas, donde la
fundación de uno o de varios muros no afecta la
rigidez relativa de los otros. 4. Las fuerzas de
inercia en cada piso se transmiten por acción Fig. 2. 1. Sistema Dual.
de diafragma elástico, con adecuadas conexiones. 5. Sobre los 30 pisos, su
aplicación es imperativa al combinar muros con pórticos de vigas acarteladas, en
un sistema dual (Fig. 2. 1), ccuuyyaa interacción pórtico-muro, es la de dos sistemas
que imponen curvaturas reversibles: el pórtico en modo de cortante y el muro
en modo de flexión y con ambos, se pueden alcanzar grandes alturas.
La interacción depende de la rigidez de ambos sistemas, porque si el pórtico
tiene columnas muy cercanas y vigas profundas, tiende a una rigidez por flexión,
y cuando se debilita por aberturas grandes responde en modo de cortante. Es
conveniente entonces, que la relación de rigideces pórtico-muro se mantenga
constante en la altura, para garantizar un adecuado comportamiento estructural.
6. La acción de los muros estructurales es planar y eficiente para transmitir
acciones laterales, pero los efectos sísmicos requieren de un sistema ortogonal.
Fig. 2.2. Falla de columnas y reparación de los muros, 1967.
Fig. 2.3. Edificio Petunia II, con daños en 1967. Evaluado por P. Maglioni, 2011.
Se podrán diseñar secciones de muros para trabajar con dos ejes
independientes, bajo un efecto biaxial (Paulay y Priestley, 1991). Un sistema
dual no recomendable es el de los muros estructurales apoyados directamente
sobre un sistema de vigas y columnas. En el terremoto de Caracas, se tuvo la
experiencia que se produjo en el Hotel Macuto Sheraton, con la falla de
columnas de 110 cm de diámetro por la interrupción de los muros superiores
frente a una mezzanina (Hanson y Degenkolb, 1969), La reparación consistió en
prolongar los muros estructurales a tierra (Mazzeo, IMME 1986, Fig. 2.2).
El Edificio Petunia II, tuvo graves daños en el Terremoto de Caracas de 1967,
fue reforzado en 1968, con Muros Estructurales hasta los 10 pisos y evaluado
recientemente por el Ing. Pedro Maglioni en 2011, en su tesis de especialización
en Ingeniería Estructural, hecha con la tutoría del Dr. José Grases. Se consideró
plausible el reforzamiento de muro inferior, logrando la armonía entre
arquitectura y estructura, con buena concepción estructural y evitando el cambio
brusco de rigideces y de resistencias en los niveles 8 y 10 (Maglioni, 2011).
La solución más eficiente de los sistemas de
muros corresponde a los muros acoplados
con dinteles, donde se rotulan las bases y
los extremos de los dinteles, generando una
disipación de energía en un área muy
grande, que ocasiona el aumento del
amortiguamiento estructural (fig. 2.3). El
sistema exige el diseño adecuado de los
dinteles, sujetos principalmente a cortante,
y evitando la fractura de la losa (Paulay y
Priestley, 1991; Taranath, 1988).
Fig. 2.3. Muros acoplados
Para dos muros, el momento resistente al volcamiento en la base es la suma de
las capacidades de cada muro además del efecto de la fuerza de tracción en los
muros T por el brazo de palanca “l” :
Mof = M1 + M2 + l . T (VOLCAMIENTO)
Donde, para A=T. l /Mof ; se tiene que A grande → Viga fuerte y
A pequeña → Viga débil; quedando: Pórtico → 1/3 ≤ A ≤ 2/3
Aunque para los muros, se prefieren las secciones simétricas, abundan las más
comunes, que son diversas debido a la estructuración de las plantas y a la
necesidad de la sismorresistencia bi-direccional, tal como se muestran en la Fig.
2.4, obtenidas de Paulay y Priestley, el mejor documento que se ha escrito sobre
el tema. En (a) los muros individuales que pueden estar acoplados o no; en (b),
(c) y (d), tienen elementos de borde, que rigidizan y estabilizan al muro,
permiten el paso de vigas, el anclaje de barras y el confinamiento en zonas de
inestabilidad; en (e), (f) y (g), se tienen secciones de ductilidad limitada,
requieren refuerzos confinantes en las zonas de compresión y actúan mejor
acoplados a secciones invertidas; en (h), (i), (j) y (k), deben considerarse
anchos efectivos dentro del análisis para la estabilidad de la condición sísmica
reversible.
Fig. 2.4. Secciones Comunes (Paulay y Priestley, 1991.
Para el análisis elástico de estas secciones abiertas con paredes delgadas, bajo
flexo-compresión doble y torsión, se tiene una distribución de cortantes no
uniforme, que se expresa en un efecto secundario de alabeo de la sección, tal
cómo se muestra en la
sección en “C” o en canal,
mostrada en la Fig. 2.5,
donde el centro de corte
queda fuera de la sección
a una distancia “e” y se
desarrollan momentos y
bimomentos en el alma
Wb y en las alas Wf, como
Fig. 2.5. Alabeo de una Sección en Canal (Oden, 1967).
producto del giro “ф” (Oden, 1967).
2.1. Análisis y Diseño de Sistemas con Muros Estructurales.
Sobre este tema se ha desarrollado para los sistemas completos, una extensa
experiencia de investigación en Venezuela, con aplicación práctica, considerando
el efecto mixto de Saint Venant y Vlasov entre otros, con trabajos en el dominio
elástico e inelástico, lineal y no lineal, publicados por el Dr. Simón Lamar 1978;
Dr. Mario Paparoni 1991,
los Profs. José A. Delgado,
José Adolfo Peña y Waclaw
Zalewski 1967, Manuel
Pagá C., UCV 1988 y el
Prof. Pedro J. Montilla, ULA
1995. En Caracas se
diseñaron edificios
importantes, como la Torre
Británica, de 28 pisos,
Fig. 2.6. Torre Británica, Caracas.
cuya planta en cruz y 4 muros estructurales, se muestra en la Fig. 2.6, calculado
por el Ing°. Prof. Agustín Mazzeo La Creta, excelente profesional fallecido
recientemente y cuyo trabajo se publicó en el ACI-SP 63-16. Con la
presentación de programas comerciales, desde las fechas iniciales hasta el
presente, se han diseñado y construido suficientes edificios de muros de pared
delgada por sistema túnel, cuya evaluación sismorresistente merece ser hecha y
m. Hoy los análisis se hacen con los programas comerciales 3-D, del tipo SAP
2000, ETABS, ANSYS, FRAME, MULTIFRAME 3D, RUAUMOKO 3D, STRUDL,
PCAFRAME o el ZEUS-NL, entre otros.
Hay que tener cuidado de incorporar la interacción entre muros y pórticos, sobre
todo en los casos de muros de secciones abiertas, incluir cuidadosamente las
vigas dinteles de acoplamiento en puertas y ventanas, considerar los efectos en
el plano y fuera del plano, así como modelar los elementos de borde. Una
discusión importante de este tema se da en García y Sozen, 2004.
El programa espacial ZEUS-NL diseñado por los Profs. Elnashai, Papanikolaou y
Lee, trabaja en el campo no lineal con masas concentradas y resuelve análisis de
historia de aceleraciones, curva pushover convencional y adaptiva, y puede
resolver el Método de Análisis Incremental IDA.
Para los Muros Estructurales, este programa da las siguientes posibilidades:
a). El análisis incluye aberturas, selecciona mallas o sistemas simplificados
equivalentes y puede incorporar nuevos nodos.
b). El tamaño de los elementos finitos será proporcional a las dimensiones de los
miembros.
c). Deben emplearse mallas refinadas en zonas de concentración de esfuerzos,
punto de aplicación de cargas
o esquinas agudas.
d). Puede modelarse la
extensión del agrietamiento y
deslizamiento de las barras de
acero.
Un texto moderno de
Ingeniería sIsmorresistente y
los modelos estructurales para
manejar análisis no lineal de
edificaciones con muros
estructurales se muestra en la
Fig. 2.7. Fig. 2.7. Un Nuevo Texto y muestra del modelo estructural
2. La Condición del Diafragma.
La distribución de las fuerzas cortantes en un sistema estructural, para traslación
y torsión, se debe considerar en el análisis, asumiendo la condición del
diafragma, rígido o flexible. En la Norma Covenin 1756-2001, se aplican el
Método de la Torsión Estática Equivalente (Sec. 9.5) o el de la Superposición
Modal con Tres Grados de libertad por Nivel (Sec. 9.6), sobre la base de un
diafragma rígido; y queda el Método de Análisis Dinámico Espacial con Diafragma
Flexible, con una metodología detallada, para resolver los casos de irregularidad
del diafragma, mediante un modelo matemático espacial de elementos finitos,
que permitan resolver su grado de deformabilidad, las zonas de concentración de
esfuerzos y la interacción de fuerzas entre estructura y diafragma (Rodríguez y
López, 1998). Aunque, el concepto del diafragma flexible, generalmente no se
considera, debe ser incluido en las plantas alargadas y/o en las plantas de gran
excentricidad, evaluando la verdadera condición del diafragma. En el aparte ACI-
21.7.1., los diafragmas se consideran como elementos estructurales que
transfieren fuerzas laterales, pero que no son parte del sistema resistente a
fuerzas verticales. La deformación fuera del plano del diafragma tiene un efecto
significativo en la respuesta estructural.
Según García y Sozen, 2004, la estructura debe analizarse como un todo, y se
tienen herramientas suficientes para conocer mejor la respuesta global. De su
análisis, se deducen las siguientes reglas:
a). El análisis espacial evalúa en el plano rígido o flexible del diafragma,
simplifica la torsión, el efecto P-delta, y resuelve el problema integral.
b). Es importante la geometría del diafragma, y éste podría ser considerado
rígido si está soportado por columnas, y podría ser flexible, si están presente los
muros estructurales.
c). La consideración de diafragma infinitamente rígido es un subterfugio para
eliminar grados de libertad por diafragma. En los casos de plantas cuadradas o
rectangulares con relaciones de ancho menores de 3, sin aberturas, la condición
rígida es aceptable.
d). En una estructura con diafragmas no conectados a todos los elementos
verticales del sistema resistente, como las mezzaninas, el desacoplamiento de
los desplazamientos de columnas y muros, con las columnas libres, hacen que
éstas pueden tomar mayor carga.
e). En casos donde los tamaños de las
plantas consecutivas cambian
notablemente, tal como se muestra en la
Fig. 2.8. (Set-Back), el diseñador pierde de
vista el flujo y la trayectoria de las
fuerzas y se requieren elementos
colectores. Para éstos, se considera la
diferencia de centros de cortante entre los
elementos verticales del entrepiso arriba y
abajo, y con las fuerzas colectoras se
diseña un diafragma de transferencia. Fig. 2.8. Edificio Set Back
Fig. 2.9. Modelos de estructuras Set back.
En los casos de asimetrías del diafragma respecto a la torre, se pueden tener
torsiones grandes a considerar. La Fig. 2.9. muestra diversas condiciones de
excentricidad de la torre, que requieren del diseño de diafragmas de
transferencia. El edificio Alto Río, colapsado en Chile 2010, no consideró esta
condición entre diafragmas.
La Norma Covenin 1756-2001, define al Diafragma como “parte de la estructura,
generalmente horizontal, con suficiente rigidez en su plano, diseñada para
transmitir las fuerzas a los elementos verticales del sistema resistente a sismos”.
Realmente es una unidad estructural que actúa como una viga profunda que
transfiere en su plano acciones de interacción a los elementos portantes. Se
adolece de investigación suficiente que valore y resuelva en sus condiciones
reales, el importante rol de un diafragma, determine sus fuerzas locales internas,
las fuerzas en los colectores creados y las fuerzas cortantes reversibles de
transferencia. Por tanto, la robustez de una estructura sismorresistente depende
del desempeño de su diafragma, y este debe comprenderse mejor (Booth y
Fenwick, 1994). Otro aspecto de interés en el análisis de muros es el efecto de
las fuerzas de inercia que transfieren los diafragmas y que pueden ser más
grandes que las consideradas en los diseños normales, por influencia de modos
superiores (Priestley et al, 2007).
Otra cuestión que no se ha considerado es la interacción suelo-estructura, en
suelos blandos, que se hace principal en los edificios set-back, por la forma de
ubicación de los sótanos. Aún para una torre simétrica, se muestra en la
Fig.2.10., que el sistema de los sótanos se convierte en una gran viga, que
genera un diagrama de momentos flectores correctivo, donde los
Fig. 2.10. Interacción Suelo-Estructura en edificios Set-Back.
desplazamientos verticales no son constantes y se llega a cambiar el signo de las
flexiones, que exige como solución juntas para reducir los asentamientos
diferenciales, que puedan cambian las coordenadas verticales de los pisos,
acorde con la prevención necesaria prevista inicialmente por el Prof. Sozen
(Zeevart L, 1972). En Chile 2010, en el colapso del edificio Alto Río, se asume
influencia de la respuesta del suelo blando.
3. El Sismo de Chile del 3 de Marzo
de 1985.
La Sismicidad de Chile es reconocida por 10
terremotos históricos en el siglo XIX de magnitudes
estimadas entre 8 y 8.5, y siete grandes terremotos
en el siglo XX de magnitudes entre 7.3 y 8.6, éste
último fue el de Valparaíso del 7 de agosto de 1906
(Lomnitz, 1974). El Sismo de Marzo de 1985, ocurrió
a las 07:46:57 pm, con magnitud Ms = 7.8, a 16 Km
de profundidad, en la zona de subducción entre las
placas Nazca y Sudamericana con desplazamiento de
2 m., desgarrando una falla de 120 Km, generando
réplicas hasta Ms = 6.1, durante 5 semanas, con
intensidades de VIII en Melipilla, Pomaire, Valparaíso
y Viña del Mar y aceleraciones registradas en la
estación de LLolleo (sismo de 40 seg.) en arenisca y Fig.3.1. Mapa de Isosistas
roca volcánica de 0.852g. Se
muestra el mapa de isosistas
(Fig. 3.1) levantado por el
Prof. Rodolfo Saragoni, 1986.
Fig. 3.2. Planta tipo y Perfil del
Edificio EL FARO.
El sismo generó el colapso del
edificio El Faro (Fig. 3.2 y 3.3), de
8 pisos con muros estructurales, su
sótano está desfasado, tiene efecto
set-back, notables cambios de
rigidez y resistencia, que generaron
un estudio de modelaje en la
Universidad Técnica Federico Santa
Fig. 3.3. Ensayos de Laboratorio del Edificio El Faro.
María (UTFSM); graves daños en los edificios Acapulco de 15 pisos, con daños
en muros, cedencia del acero y agrietamiento en las losas de pasillos actuando
como elementos de acoplamiento (Fig. 3.3) y Hanga Roa de 15 pisos y una
planta especial, con grietas en los muros curvos, en los dinteles y un costo de
reparación de más de un millón de dólares (Fig. 3.4).
Fueron muy conocidos el colapso de un edificio de la Villa Olímpica, por
interrumpir en el primer piso la continuidad de un muro estructural (Fig. 3.5) y
además, los daños en los muros del Edificio Canal Beagle (Fig. 3.6), y las
evidencias del efecto de la topografía.
Fig. 3.3. Edificio Acapulco, Viña del Mar.
Fig. 3.4. Edificio Hanga Roa, Viña del Mar.
Fig. 3.5. Colapso de la Villa Olímpica por Piso Blando de Muro Estructural.
Fig. 3.6. Fallas en Conjunto de Edificios habitacionales Canal Beagle.
El Informe del Instituto Chileno del Cemento y del Hormigón, publicado en Julio
de 1988 y elaborado por el Prof. Ernesto Cruz Z. et al 1988, respecto a los
muros estructurales concluye en los siguientes puntos:
a). Se verificó la seguridad de los edificios de muros estructurales, siendo bueno
retener esta modalidad constructiva.
b). Se deben modificar algunas disposiciones normativas que privilegian la
estructuración de estructuras aporticadas.
c). Preocuparse por la técnicas de diseño de los edificios de muros estructurales,
respecto a la cantidad y detalles de refuerzo, la inclusión de la arquitectura
sismorresistente y a la reparación apropiada de los daños ocurridos.
4. El Sismo de Maule del 27 de Febrero de 2010
Fig. 4.1. Región Epicentral y Tectónica de la zona. A las 03:34 am, se presentó un fuerte sismo con magnitud Mw = 8.8, en un
tiempo de 100 seg., que afectó unos 80.000 Km2 en la Zona Central de Chile.,
con epicentro cercano a Maule a 105 km., al Noreste de Concepción (Fig. 4.1),
que causó 521 muertes y dejó experiencias en 8 millones de personas. Se
registraron aceleraciones mayores de 0.60g, con daños a 300.000 edificios y 830
fallas en vías y puentes. Según la tectónica, la placa de Nazca se deslizó por
debajo de la placa Sud-Americana y las dos convergen a una tasa de 3 y ½
pulgada por año. (EERI, Junio 2010).
4.1. Estructuras colapsadas.
La mayoría de las construcciones medias y altas están construidas de muros
estructurales de concreto armado y más recientemente de sistemas duales de
muros y pórticos. Se reporta el colapso de 4 edificios, con daños severos en 31
edificios, todos con muros. Los edificios colapsados son: 2 edificios contiguos de
5 plantas en Maipu (Fig. 4.2), la Torre O´Higgins de 23 pisos (Fig. 4.3) y el
Edificio Alto Río de 15 pisos en Concepción (Fig. 4.4).
Fig. 4.2. Colapso de Edificios en Maipu, con piso blando y muros ligeros.
Fig. 4.3. Torre O´Higgins, recién terminado, con colapso parcial de niveles 10, 14 y 18. (Medina et al, Banco Mundial, 2010)
Fig. 4.4. Espectacular derrumbe del Edificio Alto Río.
En las edificaciones de Maipu (Fig. 4.2), se
revela el relajamiento que se fue adoptando
con los sistemas de muros estructurales,
favoreciendo la condición de planta baja libre
para resolver el estacionamiento vehicular. Se
redujeron los tamaños de los muros hasta
alcanzar la condición de columnas o de muros
ligeros. Se asumen diseños de ingeniería
deficientes al crear el piso blando, en zonas de
aceleraciones máximas (0.50g), y amplificación
del suelo (Medina et al, 2010). Fig. 4.5. Colapso de pilares.
En la Torre O´Higgins se tiene una estructura set-back, que marca el primer
nivel de colapso, se muestran demasiado perforados los muros con ventanas,
generando pilares muy angostos, que colapsaron (Fig. 4.5). Una visión del
problema de las aberturas de los muros respecto a la irregularidad vertical, se
muestra en la Fig. 4.6., esquemas de Paulay Priestley, 1991.
Fig. 4.6. Abertura de Muros y ubicación indeseable, Paula y Priestley, 1991.
Fig. 4.7. Ubicación y fotografía frontal que ilustra el colapso de Edificio Alto Río.
El edificio colapsado más conocido fue Alto Río, en donde existió discontinuidad
de muros en las líneas de fachada, una condición set-back entre la torre y el
sótano y el desgarramiento se produce en ese nivel, contando con la torsión de
la torre y el sótano, y la condición de suelo blando no considerada. La falla por
tracción se produce en los solapes del acero vertical; hay una contribución de
efectos que generan el espectacular derrumbe (Fig. 4.7).
Fig. 4.8. Deficiencia de Anclaje, Perfil de la planta y Secuencia de colapso.
En las Figs. 4.8 y 4.9 se muestran la limitación del anclaje de refuerzo, los
detalles de la falla estructural y la secuencia del colapso instantáneo: Primera
falla, momento sin sustentación, fisuras en frontis, inclinación, la caída,
derrumbe y posición final; Se nota claramente la condición set-back. Esta
excelente ilustración, con asesoría técnica, fue publicada por el diario El Mercurio
de Chile, el 27-02-2011, a un año del terremoto, en vista de no haberse definido
aún las responsabilidades del colapso de esta edificación. En la Fig. 4.10, están
las fotografías del proceso de falla.
Fig. 4.9. Muestra del detalle del empalme del acero.
Fig. 4.10. Fotos del colapso integral.
El tema de la densidad de muros de cortante, se considera calculando la relación
entre la suma de las áreas de los muros ∑Am y el área de piso ∑Ap, y ese tipo
de planta revela un índice de muros Imcx mucho mayor que en la dirección y,
siendo que el porcentaje total de muros está dentro de límites razonables (Yakut
y Soydas, 2010). En la tabla y gráfica mostrados en la Fig. 4.12, se muestran los
valores más frecuentes de la relación de áreas, recogidos por el Prof. Luis Fargier
G. La ubicación asimétrica de ascensores y escaleras, atrae el centro de rigideces
y valida el efecto torsional ocurrido.
Fig. 4.11. Planta Tipo e Índices de Muros de Corte.
El Dr. M. Paparoni, 1978, en el campo elástico, definió el Parámetro de Cauchy :
n = G.H/(f´c . α), una variable estratégica (decidible), G es el peso unitario de la
estructura ≈ (0.35 t/m3), es una variable estadística, H (altura Total) dato de
proyecto, f’c es la resistencia del concreto y “a” el porcentaje de área portante.
En muros estructurales, se tiene: 0.10 ≤ n ≤ 0.15. En nuestro caso, se tiene
H= (15-2) x 2.65 = 34,45 m.; G = 0,35 t/m3; GH = 0,35 x 34,45 = 12,057
t/m2 ; Para el área portante, se tiene:
Σ Amx = 20.58 m2 ; Σ Amy =7.60 m2 ; Σ Am = 20.58 + 7.60 = 28.18 m2
Αp = 30 x 16 = 480 m2 (Superficie de Ubicación, no incluye sótanos).
α = 28.18 x 100/480 = 0.0587 = 5.87%; f´c = 250 k/cm2 = 2500 t/m2
n = G.H/(f’c. α)= 12,057 /(2500X0.0587) = 0.082 < 0.10, favorable.
Según Bonelli 2010, las plantas de los edificios con muros estructurales que
experimentaron mayores daños eran muy similares, alargadas, con un corredor
central de muros longitudinales y los muros transversales (Fig. 4.13). Una
manera de interpretar la falla de los muros en voladizo se muestra en la Fig.
4.14, deducida de ensayos realizados por Paulay y Priestley, 1991.
Fig. 4.12. Densidad de muros y número de pisos.
Fig. 4.13. Plantas similares en edificios dañados en Chile (Bonelli, 2010).
Fig. 4.14. Modo de Falla de Muros en voladizo (Paulay y Priestley, 1991)
4.2. Falla de otras edificaciones con muros estructurales.
Se trata de mostrar algunas fallas en zonas localizadas de edificios con muros
estructurales, para ir identificando sus causas. Algunas de ellas fueron dañadas
en el terremoto de 1985, aunque la mayoría de los daños se concentraron en las
nuevas. En la Fig. 4.15, se muestra la falla por tensión diagonal de la planta baja
de un edificio de 10 pisos ubicado en Viña del Mar, del tipo set back por sótano,
que experimentó fallas por corte en varios muros, donde su trayectoria depende
de su ubicación, del refuerzo, de la carga vertical y de algún efecto de torsión.
En las Figs. 4.16, 4.17, 4.18, 4.19, 4.20, 4.21 y 4.22, se valora la importancia
de los detalles en las estructuras de concreto armado y particularmente los
muros estructurales. Los extremos de los muros deben llevar elementos de
borde, con suficiente sección, acero longitudinal y ganchos de confinamiento
cerrados o anclados en el muro.
Fig. 4.15. Planta Bajo de Edificio Típico en Viña del Mar.
Fig. 4.16. Descensos verticales y falla de los topes de muros.
Fig. 4.17. Aplastamiento, falla por corte y pandeo de muros estructurales.
Se producen descensos verticales en la cabeza de los muros, generando
desplome, desplazamiento horizontal y falla o fractura del refuerzo transversal.
En otros casos se inicia la grieta de cortante. En este terremoto se ha
encontrado que los muros y sus elementos de borde, requieren de una
distribución mejorada de los aceros de refuerzo. La falla local en el extremo del
muro se debe a la falta de confinamiento del concreto. La ruptura del
recubrimiento del concreto deja expuestas las armaduras que se pandean por
efecto de la compresión. La revisión en sitio permitió ver que el muro se
construyó sin armaduras de confinamiento especificadas en los planos. En la
Fig. 4.17 quedó a la vista la armadura retorcida y se produjo una grieta de
cuatro metros hacia el interior del muro. Según los cálculos hechos, este daño le
ha restado al edificio un 10% de su capacidad de resistencia a un sismo. El
informe establece que eso “es suficiente para resistir un terremoto importante”.
Fig. 4.18. Malla insuficiente, falta de refuerzo transversal y ganchos abiertos.
Fig. 4.19. Edificio Sol Oriente y Edificio Hermanos Carrera. Ganchos abiertos en muros discontinuos.
Fig. 4.20. Flexión transversal del muro en edificio de 12 pisos, Falla en el muro del primer piso por poca sección, poco acero y ganchos a 90° y no a 135°. El
otro detalle aplasta la base e inicia una falla por corte.
Fig. 4.21. Fallas de muros de cortante en concepción y Viña del Mar.
Para Medina et al 2010, en los edificios dañados se pueden detectar las
particularidades que han aumentados sus vulnerabilidades:
1. Menor cantidad de muros y mayor esbeltez. Para el diseño se han
preferido espesores mínimos e incremento de luces en sótanos (Fig.
4.20).
2. Hay irregularidades verticales y horizontales, Pisos blandos. Se exige ser
más rígidos con la arquitectura.
3. Detalles deficientes en confinamiento, en solapes del acero, en los
estribos, ganchos y elementos de borde.
4. Los edificios nuevos son más flexibles que los antiguos, en espesores y
longitud de muros e incluso incluyen pórticos.
5. Se necesita investigación mayor acerca de análisis, diseño y normativa.
Fig. 4.22. Fotos de daños recogidos por el Prof. Luis Fargier G. en Chile 2010.
Fig. 4.23. Vigas de grandes luces en el estacionamiento (L. Fargier).
Fig. 4.24. Edificio de Viña del Mar con 10 pisos y un sótano., Suelo S2.
Según Bonelli 2010, con los espesores pequeños y falta de refuerzo transversal,
los muros estructurales no soportan rotaciones mayores de 0.01 y es urgente y
razonable asegurar por lo menos u valor de 0.002. Además, hay que evitar la
desintegración de los bordes, agregando refuerzo transversal, concentrar allí
acero longitudinal evitando usar barras grandes en espesores pequeños; agregar
acero transversal en los empalmes. Aplicar en los muros el diseño por capacidad,
de manera de aumentar la resistencia al cortante, sin aumentar la de flexión. Se
muestra el ejemplo del edificio mostrado en la Fig. 4.24, los daños externos y la
falla por pandeo del refuerzo en los muros internos (Fig. 4.25).
Fig. 4.25. Falla de Muros y detalle del refuerzo aplicado (Bonelli, 2010)
Fig. 4.26. Detalle de Muro de sección en canal, señalando zonas críticas.
Las formas de muros abiertos que son múltiples, exigen garantizar la ductilidad y
la estabilidad, y por tanto se señalan áreas de refuerzo transversal y de
confinamiento, para ambos sentidos y en la dirección señalada del sismo (Fig.
4.26). El análisis y el refuerzo debe hacerse en las dos direcciones y sentidos
ortogonales, que señalan las zonas de tracción y de compresión. Para la sección
en forma de canal, cuando el sentido es normal al alma, el ancho de compresión
es grande y permite balancear la fuerza axial de compresión y el efecto de las
tensiones en las alas. Pero en sismos de sentido contrario hacia fuera, la
compresión se instala en los extremos de las alas, pudiendo generar una
condición crítica de inestabilidad, que requiere el confinamiento para evitar la
falla frágil (Paulay and Priestley, 1991).
Este evento sísmico ha dejado la necesidad de revisar los detalles y de atender
su diseño con el mayor cuidado y aplicación normativa. Se agregan las fallas
presentadas en la malla de acero de los muros, las de compresión y falta de
confinamiento de los elementos de borde de los edificios Central Park e
Hipódromo (Fig. 4.27), y más aún en las fracturas del acero en muros del edificio
El Parque (Fig. 4.28).
Fig. 4.26. Defectos en la colocación del acero en los elementos de borde.
Fig. 4.27. Fractura del acero longitudinal y transversal en elementos de borde.
Respecto a los detalles, se hacen recomendaciones para incorporar estribos
cerrados con ganchos de 135° y grapas en las dos direcciones, para confinar los
elementos de borde (Fig. 4.29)[ Bonelli 2010; ACI318, 99; Priestley et al,
2007], para quienes han propuesto confinar todos los muros.
Fig. 4.29. Detalles recomendados para los bordes.
5. La Norma Chilena NCH 433
Para la fecha del terremoto, sobre diseño sísmico de edificios, se contaba en
Chile con la Norma Técnica NCh 433, con carácter obligatorio, aprobada en 1996
y su última modificación hecha en 2009, y posteriormente a este gran evento, se
generó un Decreto de modificación promulgado por el Ministerio de la Vivienda y
Urbanismo, mostrando que dicha norma quedó en evidencia y requería mayor
seguridad a las construcciones, y al efecto conformó un panel de expertos. A
efecto, los principales cambios son los siguientes:
a). Dejar la clasificación de suelos en I, II y III, aunque se crean los
espectros III-A y III-B. Establecer espectros de diseño locales, para los suelos
Tipo IV con Vs < 180 m/s, y para los Tipo V y los no clasificables, como
suelos licuables, colapsibles, orgánicos, sensitivos y turba. La forma espectral se
construye según la Fig. 5.1. El
espectro de diseño queda
definido por: *
aea
SS
RI
donde R* reduce la respuesta e
I es el factor de importancia.
Fig. 5.1. Espectro Elástico de
Diseño, función de los factores de amplificación de aceleraciones A , velocidades
V y desplazamientos D (Fig. 5.2).
Fig. 5.2. Factores y constantes del nuevo espectro.
b). Se debe verificar la rigidez y la resistencia suficiente de los diafragmas, para
distribuir las fuerzas inerciales entre los planos o subestructuras verticales;
considerar su flexibilidad, e incorporar la rigidez a flexión y cortante de los
diafragmas si a través de ellos se produce un acoplamiento que altere los
parámetros vibratorios de la estructura y la magnitud de los esfuerzos sísmicos,
como es el caso de los vanos cortos de puertas o ventanas y de pasillos de
circulación.
c). En las estructuras de concreto armado, considerar el desplazamiento lateral
de diseño en el techo, δu, igual a la ordenada del espectro elástico de
desplazamientos deS , para = 5%, y para el periodo de mayor masa traslacional
Tag, multiplicada por un factor igual a 1.3. [δu =1.3 Sde (Tag)]. Se dan otras
consideraciones cuando los períodos se calculan con secciones gruesas.
d). La distancia de un edificio a otro en cualquier nivel no debe ser inferior al
desplazamiento calculado, ni a 5 cm, y para niveles intermedios interpola
linealmente.
e). En cualquier método de análisis, se modela para tres grados de libertad por
nivel, debe considerarse el monolitismo estructural e incorporar grados de libertad
adicionales en casos particulares.
Para ver la clasificación de los Suelos, se tiene la tabla original mostrada en la Fig.
5.3, y la tabla corregida para la Norma nueva o de emergencia de la Fig. 5.4.
Fig. 5.3. Norma Chilena Original para la Clasificación de Suelos.
Fig. 5.4. Norma Chilena de Emergencia para la Clasificación de Suelos.
Para comprender el uso de la nueva tabla, deben conocerse las recomendaciones
especiales hechas por la Sociedad Chilena de Geotécnia el día 11/11/2010, a
través del Ing°. Ramón Verdugo, referidas al cumplimiento de los diversos
valores de Vs o N1 en caso de arenas, gravas fluviales, o suelos especiales de
diversos espesores.
6. Las Enseñanzas para el Diseño de Muros Estructurales.
Con el apoyo de los trabajos realizados por Medina et al, 2010 (Informe al Banco
Mundial), Guendelman T., 2010, se generan las siguientes conclusiones:
1). La alta magnitud del terremoto de 8.8, lo califica como entre los más fuertes
que han ocurrido y para valorar la magnitud de los daños, debe tomarse en
cuenta. Como hay colapsos y pérdidas materiales y humanas, no puede perderse
de vista que la edad de las edificaciones y la diversidad estructural, muchas sin
el apoyo de la ingeniería.
2). A pesar de los colapsos y de los daños ocurridos, la mayoría de las
edificaciones modernas con muros estructurales protegieron a la población, y en
las diseñadas con edificios aporticados flexibles y no arriostrados, hay daños en
los elementos no estructurales.
3). Después de considerar los daños, las razones sociales e ingenieriles, la
infraestructura de Chile respondió al terremoto y es recomendable un programa
nacional de prevención, mitigación y respuesta a los riesgos futuros.
4). El programa de prevención y reducción del riesgo sísmico comprende la
infraestructura vial, el sistema eléctrico, las edificaciones esenciales, la
microzonificación sísmica, y el desempeño de los elementos no estructurales.
5). Dar un trato particular a las edificaciones de mampostería sin refuerzo, a la
construcción informal y a las edificaciones históricas para mantener el patrimonio
cultural.
6). Revisar la normativa sismorresistente, contando con la presencia de este
gran sismo, respecto a los métodos de análisis, los espectros de diseño, el
refuerzo y la ductilidad de estructuras, mejorar los detalles de diseño, elementos
estructurales, estructuras existentes y equipos. Se cuenta con la iniciativa de
considerar en los diseños dos formas espectrales en distancias cortas y largas.
7). Desarrollar en las municipalidades y en los organismos de permisología,
protocolos de diseño, revisión, inspección y verificación de los materiales
utilizados en las obras y el estricto cumplimiento de las normativas
sismorresistentes.
8). Organizar la red sismológica, la operación permanente, la adquisición de
datos, el monitoreo continuo de la sismicidad y un banco de datos de calidad,
abierto y público.
9). Agregar a los programas existentes conocimiento y entrenamiento operativo
para enfrentar terremotos y tsunamis, haciendo que las pérdidas humanas y
materiales resulten mínimas.
10). Financiar mayor investigación científica y aplicada en ingeniería sismo-
resistente, aprender de las lecciones derivadas del terremoto y generar
oportunidades educativas para la formación de especialistas en Gestión de
Riesgos, Sismología e Ingeniería Sísmica.
11). Se ha dado una consideración especial a la necesidad de la divulgación y el
uso de aisladores y disipadores de energía, que permiten controlar mejor daños
y pérdidas.
Según la apreciación de campo del Prof. Luis Fargier Gabaldón, Martes 24 agosto
2010, quien estuvo en Chile 2010, se tiene:
1°. Las edificaciones con muros son abundantes, las derivas sísmicas esperadas
son muy bajas, la estructura se convierte en una fortaleza muy resistente, que
tiene la bondad de sufrir pocos daños incluso si el detallado es pobre comparado
con los estándares modernos. La clave es que los muros reducen
significativamente las derivas.
2°. En la reunión posterior del ACI-318L, la apreciación que dominó es la de un
magnifico comportamiento de los edificios de muros en Chile y es improbable
que se vayan a introducir cambios en el código 318, por observaciones del
sismo de Chile, que indiquen inconsistencia en las recomendaciones y la práctica
correcta de la profesión.
3°. Los poquísimos daños en comparación con la cantidad de edificios sacudidos
ocurrieron en estructuras con muros muy esbeltos de espesores pequeños (unos
12-15 cm) y con acero de confinamiento en sus extremos -elementos de borde-
muy pobremente detallados o inexistentes. Posiblemente estas pantallas
sufrieron los rigores de derivas altas, pues a nivel de su base acusan pandeo y
fractura del acero principal atribuible a la ausencia de acero de confinamiento.
4°. Referente a la práctica venezolana, es necesario ver con detenimiento las
losas de fundaciones que se usan para los edificios tipo túnel de más de 8-10
pisos, con espesores de hasta 35-40 cm, y que soportan muros que
potencialmente tiene la capacidad de transferir momentos muy grandes a tierra,
lo que resultan en excentricidades gigantescas que en muchos casos requerirían
grandes fundaciones y/o pilotaje.
5°. Chile 2010 confirmó que los muros siguen siendo, muy superiores a los
marcos o pórticos, y sería injusto descalificarlos por el comportamiento de pocos
edificios muy particulares, que en proporción no llega al 1.0% de los afectados.
6°. El terremoto de Chile 2010 es un ejemplo para la profesión que confirma la
supremacía de los muros de corte en resguardar vidas e inversiones, sobre
cualquier otro sistema estructural de uso generalizado. Si pudiese proponer algo
a la comisión de Normas, sería establecer en el código una deriva máxima del
1.20%.
7. Una Nota Conclusiva.
Se reconoce que la ingeniería sismorresistente sigue un proceso de creación
soportada en las lecciones que dejan los propios terremotos y en la
experimentación, para avanzar en el camino del conocimiento. Entre las mejore
posibilidades para la edificación sismorresistente, se cuenta con el muro
estructural que por su condición rígida permite limitar las derivas y controlar los
daños y las pérdidas. Y en tal caso, es válida la presencia de la arquitectura
sismorresistente, para encontrar adecuadas soluciones al muro estructural, que
en los planos horizontales y verticales, no generen excentricidades, otras
irregularidades, altas concentraciones de esfuerzos o diafragmas que no
realicen su interacción con los elementos portantes. Aunque se prescribe la
consideración de diafragma rígido y flexible, no se han tomado en cuenta sus
diseños como tales y sus conexiones, para comprender mejor el desempeño
estructural y evitar que se produzcan fallas catastróficas. Sabemos que ante el
desarrollo tecnológico y científico, se cuentan con suficientes programas o
software que permiten un mejor análisis y más integral que determina la
respuesta estructural en el campo lineal y no lineal, que valida la posibilidad de
entrenamiento del sector ingenieril. El gran colapso del edificio Alto Río, muestra
la necesidad de evitar las torres excéntricas sobre grandes sótanos, que crean
una condición set-back, torsión, problemas de interacción suelo-estructura,
interrupción y asimetría de los diafragmas, que se encargan de conseguir los
detalles mal diseñados y llevan a un derrumbe total. Una vez queda clara la
necesidad de la revisión exigente en la permisología del proyecto, el estudio de
suelos, la memoria de cálculo y el cumplimiento de los protocolos de inspección,
para garantizar la ejecución acorde a los planos y a la calidad de la obra. Se deja
una lección interesante acerca de la relación de los proyectos de edificaciones
con muros estructurales, se han venido haciendo bien, y por su bondad, se van
reduciendo los espesores, se van limitando sus espacios para facilitar los
estacionamientos, se combinan sistemas de muros estructurales con pórticos de
concreto armado para alcanzar este fin y se va relajando la aplicación de un
buen sistema estructural, pero que requiere detalles bien estudiados, que de no
hacerlo, son los fusibles que inician las fallas importantes. En ese rumbo, se
recomienda con urgencia, para mejorar el diseño y la construcción nacional de
edificios de muros estructurales de pared delgada, hechas con sistema túnel,
preparar una norma particular con un manual de aplicación que mejore los
diseños, basado en el diseño por capacidad, que debe cumplir con los siguientes
requisitos:
1). No es técnica de análisis sino herramienta de diseño.
2). Identifica y evita mecanismos frágiles para que se desarrollen
mecanismos dúctiles.
3. Seleccionar mecanismos dúctiles cinemáticamente admisibles y facilitar
su desarrollo.
4). Desarrollar ductilidad global con menores demandas inelásticas
locales.
5). Seleccionar con precisión las zonas de rotulación.
6). Las zonas fuera de rótulas deben ser elásticas y las articula-ciones
con sobrerresistencia.
7). La estructura no debe desarrollar mecanismos indeseables, debe
hacerse insensible a los sismos, con ductilidad adecuada permite óptima
disipación de energía y así tolerar las demandas de ductilidad impuestas
por los sismos fuertes.
8). Que permita condiciones de deformación por estados límites de
servicio y seguridad (Paulay y Priestley, 1991).
8. Agradecimiento.
Al Prof. Arnaldo Gutiérrez de la U.C.A.B, por toda la información suministrada; al
Prof. Luis Fargier G. por hacernos conocer de su experiencia en Chile 2010 y al
Dr. Miguel Angel Álvarez por su invitación al Seminario de Sidetur.
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