desempeño sr de edificios escolares peruanos a10-14

Universidad de Concepción Departamento de Ingeniería Civil

Asociación Chilena de Sismología e

Ingeniería Antisísmica

N° A10-14 DESEMPEÑO SISMORRESISTENTE DE LOS COLEGIOS PERUANOS MODERNOS.

A. Muñoz1 , H. León2 , U. Quintana3 y M. Blondet4 1.- Departamento de Ingeniería Civil, Pontificia Universidad Católica del Perú. Av. Universitaria s/n, Lima, Perú e-mail: [email protected] 2.- Departamento de Ingeniería Civil, Pontificia Universidad Católica del Perú. Av. Universitaria s/n, Lima, Perú e-mail: [email protected] 3- Departamento de Ingeniería Civil, Pontificia Universidad Católica del Perú. Av. Universitaria s/n, Lima, Perú e-mail: [email protected] 4.- Departamento de Ingeniería Civil, Pontificia Universidad Católica del Perú. Av. Universitaria s/n, Lima, Perú e-mail: [email protected] RESUMEN Los sismos peruanos importantes han ocasionado daño considerable en la infraestructura educativa peruana construida antes de 1997. Sin embargo, los edificios recientes que se construyeron siguiendo las indicaciones de la norma peruana sismorresistente de 1997, no sufrieron daño en el último terremoto de Atico Mw 8.4 en el 2001. En este trabajo se estudia el desempeño de los edificios educativos peruanos típicos ante tres niveles de amenaza sísmica; se emplean procedimientos espectrales y se evalúa el desempeño por la ubicación de los puntos de demanda en las curvas de capacidad. Los resultados muestran que los edificios tradicionales tendrían altas demandas inelásticas en eventos frecuentes y que podrían colapsar en eventos mayores. En cambio, para los edificios modernos se espera un desempeño apropiado inclusive en eventos extremos. El estudio de los resultados muestra que esta mejora en el desempeño sísmico de la infraestructura educativa peruana se ha originado en el incremento de las demandas de rigidez del código peruano de 1997.

Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica IX Jornadas, 16-19 de Noviembre de 2005, Concepción - Chile

Palabras Clave: Infraestructura educativa, Desempeño sismorresistente, demanda inelástica. 1. INTRODUCCIÓN El código de diseño sismorresistente peruano de 1997 (SENCICO 1997) prácticamente conservó los requerimientos de resistencia del código anterior de 1977 (RNC 1977), pero incrementó significativamente las demandas de rigidez. Este cambio motivó que los edificios escolares, tradicionalmente flexibles en una dirección, tuvieran que robustecerse a partir de 1997. El buen comportamiento de las edificaciones escolares modernas en el terremoto del 2001 junto a los daños reportados en las edificaciones tradicionales, motivaron la evaluación comparativa del desempeño de estas edificaciones junto a un breve análisis de la influencia del código en el buen comportamiento logrado. 2. LAS EDIFICACIONES ESCOLARES PERUANAS ANTERIORES A 1997 Los centros educativos peruanos son instalaciones que tienen edificios de uno a cuatro pisos cuyo sistema estructural es una combinación de pórticos de concreto armado y muros de albañilería confinada. Los sistemas de piso son losas nervadas paralelas a la fachada. La Fig. 2.1 muestra un edificio escolar típico de la costa peruana. En la dirección longitudinal el sistema sismorresistente está constituido exclusivamente por los pórticos paralelos a la fachada mientras que en la dirección transversal, por los muros de albañilería confinada y pórticos transversales de menor influencia ante solicitaciones sísmicas.

FIGURA 2.1. Edificio escolar típico de la costa peruana

En los terremotos importantes que han afectado el Perú los daños en las edificaciones escolares tradicionales se han originado fundamentalmente en el pobre desempeño del sistema aporticado


longitudinal (Stratta et al. 1970, Zegarra, Repetto 1980, Muñoz et al.1997). La falta de rigidez en esta dirección desencadena el conocido problema de columna corta cautiva que puede conducir a daño importante pero reparable (Fig. 2.2a) o daño tan severo y extendido que no deja posibilidades de reparación. (Fig. 2.2b)

(a) (b) FIGURA 2.2. (a) Falla de columna corta cautiva, costa central del Perú, terremoto de Nazca 1996. (b) Falla generalizada de

columna corta con pérdida de altura, terremoto de Atico 2001. En la dirección transversal los muros de albañilería confinada han mostrado siempre un buen desempeño. 3. UN CAMBIO IMPORTANTE EN LA NORMA PERUANA DE DISEÑO SISMORRESISTENTE En 1997 se produjo un cambio significativo en el código de diseño sismorresistente peruano. A pesar que las demandas de resistencia se mantuvieron similares a las del código predecesor de 1977, las demandas de rigidez se incrementaron significativamente. (Muñoz 1997) Este incremento se logró modificando drásticamente los procedimientos para estimar los desplazamientos de respuesta y reduciendo ligeramente la deriva máxima permitida de 1,0 % a 0,7 %. La Fig. 3.1 muestra el cociente entre los desplazamientos laterales esperados según los códigos de 1997 y 1977. Para estructuras de periodo corto los desplazamientos que se obtienen con la norma de 1997 son aproximadamente 3,3 veces los obtenidos con la norma de 1977. Si además consideramos la reducción en el límite permisible para la deriva, vemos que las demandas de rigidez prácticamente se quintuplicaron para las edificaciones en esta zona de periodos.


FIGURA 3.1. Cociente entre los desplazamientos de respuesta de los códigos peruanos de 1977 y 1997.

En particular, como para las edificaciones escolares el factor de importancia se incrementó de 1.3 a 1.5 en el código de 1997, los requerimientos de rigidez se elevaron realmente hasta 5.5 veces para estas edificaciones. El código sismorresistente peruano más reciente se oficializó el 2003 (SENCICO 2003) y mantiene prácticamente las mismas exigencias de rigidez que el código de 1997. 4. LOS EDIFICIOS ESCOLARES PERUANOS LUEGO DE 1997 Tan importante cambio en la Norma peruana de diseño sismorresistente originó que a partir de 1997 las edificaciones escolares se tuvieran que rigidizar en la dirección longitudinal. Las vigas paralelas a la fachada, generalmente de 25 cm. de base por 30 ó 45 cm. de altura, pasaron a ser vigas de 25 cm. x 55 cm. Las columnas de sección rectangular pasaron a tener secciones en forma de T y el lado paralelo a la fachada tradicionalmente de 30 cm. pasó a ser el ala de la T con 90 ó 120 cm. En la dirección transversal la estructura sismorresistente, conformada por muros de albañilería confinada, no tuvo que ser modificada, pues resultó apropiada para satisfacer los requerimientos de rigidez tan fuertemente incrementados. La Fig. 4.1 muestra un edificio tradicional y la Fig. 4.2 corresponde a un edificio nuevo sin daño en el sur peruano luego del terremoto de Atico de 2001.

0

1

2

3

4

5

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0Período (seg)

SD97

SD77


FIGURA 4.1. Edificio educativo típico construido antes de 1997 con columnas y vigas de fachada flexibles en la dirección

longitudinal.

FIGURA 4.2. Edificio educativo moderno sin daño luego del terremoto de Arequipa del 2001. Note el incremento en las

dimensiones de vigas y columnas.

5. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO 5.1. Metodología Los edificios escolares peruanos se construyen empleando sistemas arquitectónicos y estructurales típicos que se suelen mantener sin variaciones importantes por muchos años. En este trabajo se eligieron edificios representativos de las construcciones tradicionales y de las construcciones modernas de dos y tres pisos, ubicados en la costa peruana, la zona de mayor sismicidad, sobre perfiles de suelo de calidad intermedia.


Para evaluar el desempeño se hizo una adaptación del marco de trabajo sugerido por el SEAOC (1999). Se consideraron tres niveles de amenaza sísmica asociados a eventos con 50, 500 y 1000 años de periodo de retorno. Los niveles de desempeño se definieron de manera global sectorizando las curvas de capacidad. La respuesta se estimó mediante espectros de demanda y capacidad y el criterio de aceptación se definió por la diagonal de la matriz de desempeño mostrada en la tabla 5.1.

TABLA 5.1. Objetivos de desempeño. Nivel de Desempeño

Operacional Funcional Resguardo de la Vida

Sismo Frecuente √

Sismo Raro √

Pelig

ro S

ísm

ico

Sismo Muy Raro √

5.2. Representación de la demanda sísmica La tabla 5.2 muestra los sismos y las aceleraciones en roca asociados a los tres niveles de amenaza sísmica para la costa del Perú (Castillo, Alva 1993).

TABLA 5.2. Niveles de amenaza sísmica y aceleraciones en la roca.

Las demandas se representaron por espectros correspondientes a los tres niveles de amenaza y condiciones de suelo intermedio, la Fig. 5.2 muestra los espectros empleados.

Período de Retorno (años)

Aceleración Pico en la Roca (g)

Sismo Frecuente 50 0,20

Sismo Raro 500 0,40

Pelig

ro S

ísm

ico

Sismo Muy Raro 1000 0,50


FIGURA 5.2. Espectros de demanda para los tres niveles de demanda empleados.

5.3. Modelo de análisis Los módulos seleccionados se modelaron mediante pórticos tridimensionales con diafragmas rígidos. Como el estudio se desarrolló para la dirección longitudinal de los edificios, el sistema estructural se modeló como un conjunto de elementos unidimensionales considerando deformaciones normales, de flexión y cortante. En todos los casos se consideró que el sistema estructural estaba separado de la tabiquería. El comportamiento no lineal se asumió concentrado en rótulas en los extremos y al centro de los elementos. Para el análisis de desplazamientos incrementales se empleó una distribución de acciones correspondientes a la forma del modo fundamental (ATC 1996, BSSC 1999). 5.4. Los edificios representativos La Fig. 5.3 muestra el sistema estructural de un edificio típico moderno. En la dirección transversal el sistema sismorresistente está formado por los muros de albañilería confinada que separan las aulas, mientras que en la dirección longitudinal, el sistema resistente se compone de pórticos de concreto armado con vigas y columnas robustas.

TST00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Periodo (seg)

Sa (g)Sismo

Muy Raro

Sismo Raro

Sismo Frecuente


FIGURA 5.3. Vista en planta del sistema estructural de un colegio moderno.

Para el edificio moderno típico de dos plantas las secciones y la armadura empleada en los pórticos longitudinales se muestran en las Fig. 5.4a y 5.4b.

(a) (b) FIGURA 5.4. (a) Armadura de las vigas longitudinales y (b) Armadura típica de columna en edificios escolares de 2 niveles.

El edificio tradicional de dos niveles tiene la misma distribución estructural pero con vigas de 25 x 30 ó 45 cm. y 4 fierros # 5 y con columnas de 30 x 45 y 8 fierros # 6. Estos edificios son muy flexibles y aunque cumplían los requerimientos de rigidez del código peruano de 1977 (RNC 1997) no satisfacían los establecidos en los códigos de 1997 y 2003 (SENCICO 1997, 2003).


5.5. Resistencia y ductilidad La figura 5.5 muestra las curvas de capacidad, para los edificios seleccionados, de dos pisos. La línea continua corresponde al colegio moderno el edificio tradicional se representa en línea discontinua. La resistencia requerida por los códigos de 1997 y 1977 (V97 y V77, respectivamente) se indica mediante líneas horizontales.

FIGURA 5.5. Curvas fuerza desplazamiento para los edificios modernos y tradicionales de dos pisos. La máxima resistencia al corte de los edificios modernos, VM es 1,85 veces mayor que la fuerza lateral correspondiente a la formación de la primera rótula, V1, y 1,3 veces mayor que la resistencia de fluencia efectiva, VY. Puede notarse además que V1 y VY son 1,26 y 1,80 veces mayores que la resistencia de diseño del código de 1997, V97. El edificio moderno es capaz de desarrollar una ductilidad de desplazamientos aproximada de 5, correspondiente a un desplazamiento de fluencia efectiva de 1,6 cm y un desplazamiento último de 8,1 cm. La máxima distorsión de entrepiso establecida por el código de 1997 (0,7%) es alcanzada ante un desplazamiento, ∆COD igual a 3,7 cm, que corresponde a casi la mitad del desplazamiento disponible en el rango inelástico. El edificio tradicional mostró valores similares de desplazamiento lateral y ductilidad global. La resistencia de los edificios tradicionales es notoriamente menor que la resistencia de los edificios modernos (menor que la mitad para fluencia efectiva). Esta apreciable diferencia se debe a varios factores, entre los que están el cambio en el factor de importancia (de 1,3 a 1,5), el incremento en la longitud de la plataforma del espectro de diseño (de 0,3 seg. a 0,4 seg.), la sobrerresistencia mayor de las edificaciones rígidas y fundamentalmente a que la flexibilidad de los edificios tradicionales conducía a

V1 = 1610 kN

∆Y =1,6 cmVM = 2990 kN

VY = 2290 kN

0

1000

2000

3000

0 2 4 6 8 10Desplazamiento del Techo (cm)

Cor

tant

e en

la B

ase,

V (k

N)

V 97 = 1280kN

V 77 = 790kN

∆ COD = 3,7 cm


ordenadas espectrales significativamente menores, con la consiguiente reducción en la resistencia requerida de diseño. (Fig. 5.6)

FIGURA 5.6. Fuerza cortante de diseño como fracción del peso para edificios escolares según las normas de 1997 y 1977. 5.7. Desempeño esperado Las curvas de capacidad de ambos edificios se sectorizaron de acuerdo con las sugerencias del SEAOC (1999). Los puntos de demanda correspondientes a los tres niveles de amenaza se estimaron de acuerdo con los procedimientos sugeridos en el ATC (1996). La Fig. 5.7 muestra los puntos de demanda ubicados en las curvas de capacidad sectorizadas.

FIGURA 5.7. Puntos de demanda para los edificios de dos pisos: moderno (izquierda) y tradicional (derecha).

0.00

0.10

0.20

0.30

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2Periodo (seg)

Coe

ficie

nte

Sísm

ico

(% P

eso)

NTE-E.030-97 NSR-77

OPE

RA

CIO

NA

L

FUN

CIO

NA

L

RES

GU

AR

DO

DE

LA V

IDA

CER

CA

AL

CO

LAPS

O

0 3 6 9Desplazamiento (cm)

Sismo Frecuente

OPE

RA

CIO

NA

L

FUN

CIO

NA

L

RES

GU

AR

DO

DE

LA V

IDA

CER

CA

AL

CO

LAPS

O

0

2000

4000

0 3 6 9Desplazamiento (cm)

Cor

tant

e en

la B

ase,

V (k

N)

Sismo FrecuenteSismo RaroSismo Muy Raro


Los resultados indican que los edificios modernos serían llevados por un evento frecuente ligeramente más allá del nivel deseado de operatividad completa, mientras que por eventos con 500 y 1000 años de período de retorno, estarían en el nivel funcional y de resguardo de la vida respectivamente. Se obtuvieron resultados similares para las edificaciones de tres pisos. Por otro lado, los resultados muestran que los edificios tradicionales tendrían un desempeño inaceptable ya que, inclusive en sismos frecuentes estarían sometidos a altas demandas inelásticas, alcanzando un estado cercano al colapso. En líneas generales los resultados de este trabajo son coincidentes con las observaciones de campo en los últimos terremotos en el Perú, aunque el daño observado ha sido apreciablemente menor. Por ejemplo, en el terremoto de Arequipa del 2001 probablemente muchas ciudades alcanzaron aceleraciones pico similares a las empleadas en este trabajo para sismo frecuente y suelo intermedio (ASCE 2002); sin embargo, ni se reportaron leves daños en edificios educativos modernos ni el número de edificios tradicionales seriamente dañados fue elevado. 6. CONCLUSIONES Los edificios escolares peruanos modernos, diseñados y construidos de acuerdo con los requerimientos del código de 1997 mostraron un excelente comportamiento durante el terremoto de Atico, Mw = 8,4 y se espera que tengan un comportamiento aceptable durante sismos mayores. Este incremento importante en la seguridad sísmica de la infraestructura educativa peruana se obtuvo a través de un incremento significativo en los requerimientos de rigidez establecidos en el código sismorresistente peruano de 1997. En cuanto a los edificios escolares tradicionales, diseñados antes de 1997, los resultados del trabajo muestran que son estructuras muy vulnerables y por tanto, se hace necesario iniciar un programa nacional de reducción de su vulnerabilidad sísmica. REFERENCIAS American Society of Civil Engineers, ASCE. (2002). Atico, Perú MW 8.4 Earthquake Of June 23,2001. Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering Monograph N° 23. Applied Technology Council, ATC. (1996). Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings. ATC-40. Applied Technology Council.


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