informe de vulnerabilidad estructural estación de …

INFORME DE VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL Estación de Bomberos Surorientales

FEBRERO/2021 - COLOMBIA

ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL Estación de Bomberos Surorientales USAID/BHA PREPARE Pasto 720FDA19GR00291

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Sobre PREPARE Pasto

El objetivo del programa es utilizarlos hallazgos relevantes de la evaluación de riesgo sísmico de USAID/OFDA PREPARE 2016-17 para fortalecer la capacidad de preparación y respuesta ante terremotos en el Municipio de Pasto.

Sobre la Agencia de los Estados Unidos de América para el Desarrollo Internacional (USAID por sus siglas en inglés)

La Agencia de EE. UU. para el Desarrollo Internacional es una agencia federal independiente responsable de planificar y administrar la asistencia económica y humanitaria en el mundo.

Sobre la Oficina para Asistencia Humanitaria (BHA, por sus siglas en inglés)

La Oficina para Asistencia Humanitaria brinda asistencia humanitaria que salva vidas, incluidos alimentos, agua, refugio, atención médica de emergencia, saneamiento e higiene y servicios de nutrición críticos, a las personas más vulnerables y más difíciles de alcanzar del mundo.

Sobre Miyamoto International, Inc.

Miyamoto International es una empresa global de ingeniería estructural y de reducción de riesgos por desastres que brinda experiencia en resiliencia sosteniendo a industrias y salvaguardando comunidades alrededor del mundo.

Agradecimientos y descargo de responsabilidad

Esta publicación ha sido posible gracias al apoyo del pueblo estadounidense a través de la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID). Las opiniones, hallazgos y conclusiones aquí vertidas pertenecen a los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de USAID o del Gobierno de los Estados Unidos.

El autor de esta publicación es:

©2021 Miyamoto International, Inc. Derechos Reservados.

Este informe o cualquier parte del mismo no deberá reproducirse de ninguna forma sin el permiso por escrito de Miyamoto International, Inc.


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RESUMEN EJECUTIVO El presente informe busca realizar el análisis de vulnerabilidad estructural de la estación de Bomberos Surorientales ubicada en la dirección calle 22 #23-10 en la ciudad de Pasto. Este estudio pertenece al Macro proyecto del programa PREPARE (USAID/OFDA Preparing Rescue and Emergency Personnel to Ameliorate the Response to Earthquakes (USAID/OFDA PREPARE program) para la ciudad de Pasto, Colombia.

Este informe está dividido en dos partes, el primero para la estructura Principal o bodega de la Estación de Bomberos y la segunda parte para las edificaciones laterales a la estructura principal. De igual forma, se debe aclarar que este estudio de vulnerabilidad, se realizó con base en información tomada en campo mediante registro fotográfico y no se realizaron ensayos destructivos o no destructivos por las restricciones generadas desde el año 2020 por la emergencia sanitaria ocasionada por COVID 19.

La evaluación de la estructura principal de la estación de Bomberos Surorientales se enmarca en el estudio del comportamiento de la edificación bajo los criterios de deriva o desplazamiento horizontal máximo, con respecto a al Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente –NSR-10[1]. El criterio de desplazamiento fue el utilizado para poder determinar el comportamiento de la estructura y así presentar alternativas de reforzamiento utilizando las riostras BRB´s y el ensanchamiento de secciones como solución para poder cumplir los requisitos de deriva.

La evaluación de las edificaciones laterales de la estación de Bomberos se enmarca en el estudio del comportamiento de la edificación bajo los criterios de deriva o desplazamiento horizontal máximo, con respecto al Reglamento Colombiano de Construcción Sismo resistente –NSR-10 [1], y en el caso de las estructural de un solo nivel, se incluyó un análisis de capacidad suponiendo que por la época de diseño y construcción los elementos tienen un refuerzo de cuantía mínima.

La estructura principal de la estación de bomberos consiste en una edificación de doble altura a base de pórticos de concreto reforzado y una cubierta metálica. La cubierta metálica es en celosía y no hace parte del sistema de resistencia sísmica de la edificación. El sistema de resistencia sísmica (Sismo – resistente) consiste en pórticos de concreto reforzado.

Las estructuras laterales de la estación de bomberos consisten en una edificación de un solo nivel a base de pórticos de concreto reforzado. La cubierta es una teja soportada en las vigas de concreto. El sistema de resistencia sísmica (Sismo – resistente) consiste en pórticos de concreto reforzado.

Se realiza el estudio con base a los documentos existentes y al levantamiento realizado por el proyecto en donde se tiene una información general de la estructura. Debido a la situación sanitaria debido al COVID-19, las visitas a la estación de bomberos fueron limitadas y se presentaron dificultades para levantamientos detallados y para obtener información adicional.

Como parte de la información obtenida, se tienen unos planos arquitectónicos facilitados por las entidades gubernamentales, en donde se muestra la localización de las columnas con un predimensionamiento de 30x30cm. Esta información fue la base para la definición de las secciones asumida en este estudio. Se aclara que esta información arquitectónica contiene información de una posible ampliación futura, la cual no se tuvo en cuenta en el presente informe.


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Figura 1 Localización del proyecto.

Figura 2 Vista de la estructura en la entrada principal de estacionamiento.


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Figura 3 Vista de la Vista de la estructura lateralmente desde la Carrera 2 Este


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CONTENIDO 1 DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA EXISTENTE .................................................................................................................... 1

2 BODEGA PRINCIPAL ............................................................................................................................................................. 8

2.1 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y la norma NSR-10 8

2.1.1 Análisis de derivas con espectro de diseño ......................................................................................................... 17

2.1.2 Análisis de derivas con espectro de umbral de daño ........................................................................................... 25

2.2 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y de la norma NSR-10 con riostras BRB´S .......................................................................................................................................... 28

2.2.1 Análisis para determinación de la sección de las riostras BRB´s .......................................................................... 30

2.2.2 Análisis de derivas con espectro de diseño, modelo BRB´s ................................................................................. 36

2.2.3 Análisis de derivas con espectro de diseño, modelo BRB´s y reforzamiento ...................................................... 38

2.2.4 Presupuesto para proceso de reforzamiento. ..................................................................................................... 44

3 EDIFICACIONES LATERALES ............................................................................................................................................... 48

3.1 Edificación A ............................................................................................................................................................. 48

3.1.1 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y la norma NSR-10 48

3.1.2 Análisis de deriva con espectro de diseño ........................................................................................................... 52

3.1.3 Análisis de deriva con espectro de umbral de daño ............................................................................................ 56

3.1.4 Análisis de capacidad de los elementos ............................................................................................................... 58

3.2 Edificación B ............................................................................................................................................................. 63

3.2.1 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y la norma NSR-10 63

3.2.2 Análisis de deriva con espectro de diseño ........................................................................................................... 67

3.2.3 Análisis de deriva con espectro de umbral de daño ............................................................................................ 71

3.2.4 Análisis de capacidad de los elementos ............................................................................................................... 73

3.3 Análisis de reforzamiento para Edificaciones laterales ............................................................................................ 78

4 EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD .............................................................................................................................. 79

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................................................ 80

6 REFERENCIAS ..................................................................................................................................................................... 81


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TABLAS Tabla 1: Cantidades de concreto para secciones reforzadas ..................................................................................................... 44

Tabla 2: Cantidades de acero de refuerzo para secciones reforzadas ...................................................................................... 45

Tabla 3: Cantidades de acero para riostras BRB´s ..................................................................................................................... 45

Tabla 4: Cantidades de concreto para riostras BRB´s ................................................................................................................ 46

Tabla 5: Presupuesto para Bodega Principal ............................................................................................................................. 46

Tabla 6: Cantidades de acero para reforzamiento de columnas en edificaciones laterales ...................................................... 78

Tabla 7: Presupuesto de las edificaciones laterales .................................................................................................................. 78


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FIGURAS Figura 1 Localización del proyecto. ............................................................................................................................................. iv

Figura 2 Vista de la estructura en la entrada principal de estacionamiento. ............................................................................ iv

Figura 3 Vista de la Vista de la estructura lateralmente desde la Carrera 2 Este ....................................................................... v

Figura 4 Formato FEMA P-154_ HIGH SEISMICITY LEVEL 1 ......................................................................................................... 3

Figura 5 Formato FEMA P-154_ HIGH SEISMICITY LEVEL 2 ......................................................................................................... 4

Figura 6 Planta Arquitectónica de la Estación de Bomberos ...................................................................................................... 5

Figura 7 Definición de las estructuras ......................................................................................................................................... 6

Figura 8 : Definición de las secciones utilizadas en el modelo Bodega Principal ....................................................................... 9

Figura 9 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista 3D. .............................................................................................. 10

Figura 10 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en planta_ Story 1 .................................................................... 10

Figura 11 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en planta_ Story 2 .................................................................... 11

Figura 12 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en alzado, pórtico longitudinal (eje 1 y 2) ................................ 11

Figura 13 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en alzado, pórtico transversal eje E .......................................... 12

Figura 14 : Análisis de cargas de cubierta para el modelo estructural ................................................................................... 13

Figura 15 : Análisis de Cargas de fachada aplicadas en el modelo estructural ........................................................................ 13

Figura 16 : Cargas de fachada aplicadas en el modelo de la Bodega Principal ........................................................................ 14

Figura 17 : Cargas muertas aplicadas en el modelo de la Bodega Principal ............................................................................ 15

Figura 18 : Cargas vivas aplicadas en el modelo de la Bodega Principal ................................................................................. 15

Figura 19 : Cargas de viento de presión aplicadas en el modelo de la Bodega Principal ......................................................... 16

Figura 20 : Cargas de viento de succión aplicadas en el modelo de la Bodega Principal ......................................................... 16

Figura 21 : Cargas de viento de succión aplicadas en el modelo de la Bodega Principal ......................................................... 17

Figura 22 : Mapa de la ciudad de pasto con la distribución de zonas ...................................................................................... 18

Figura 23 : Formulación del Espectro de diseño de aceleración para Pasto según la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto .......................................................................................................................................................................................... 18

Figura 24 : Coeficientes del Espectro de diseño de aceleración para Pasto según la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto .......................................................................................................................................................................................... 19

Figura 25 : Espectro de diseño de aceleración para Pasto ....................................................................................................... 20

Figura 26 : Localización de columnas analizadas por simetría ................................................................................................ 24

Figura 27 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño .................................................................................................... 24


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Figura 28 : Espectro de aceleraciones para umbral de daño de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto ................... 25

Figura 29 : Coeficientes del Espectro de Umbral de Daño según la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto ................... 26

Figura 30 : Espectro de aceleración del umbral de daño para Pasto ........................................................................................ 26

Figura 31 : Verificación de deriva bajo Espectro de umbral de daño ....................................................................................... 28

Figura 32 : Pórticos arriostrados concéntricamente PAC en V invertida (AISC 2010) .............................................................. 29

Figura 33 :Localización de riostras en modelo Estructural de la edificación Reforzada (BRB´s) ............................................... 29

Figura 34 : Asignación de las riostras BRB´s en el Modelo Estructural de la edificación Reforzada (BRB´s) ............................ 36

Figura 35 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño edificación Reforzada (BRB´s) (1%he) .......................................... 37

Figura 36 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño edificación Reforzada (BRB´s) (2%he) .......................................... 37

Figura 37 : Modelo Estructural de la Bodega Principal con las secciones extruidas con alternativa de reforzamiento ........... 39

Figura 38 : Asignación de las riostras BRB´s y secciones de concreto en el Modelo Estructural de la edificación Reforzada de la Bodega Principal .................................................................................................................................................................... 40

Figura 39 : Pórtico eje 1 y 4 edificación Reforzada de la Bodega Principal ............................................................................... 40

Figura 40 : Pórtico eje E, Edificación Reforzada de la Bodega Principal ................................................................................... 41

Figura 41 : Planta de cubierta, Edificación Reforzada de la Bodega Principal .......................................................................... 42

Figura 42 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño edificación Reforzada de Bodega principal (1%he) ...................... 44

Figura 43 : Edificación A ............................................................................................................................................................ 48


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Figura 44 : Definición de las secciones utilizadas en el modelo edificación A ......................................................................... 49

Figura 45 : Modelo Estructural de la edificación A, vista 3D. ................................................................................................... 49

Figura 46 : Modelo Estructural de la edificación A, vista en planta_ Story 1 ........................................................................... 50

Figura 47 : Modelo Estructural de la edificación A, vista en alzado ......................................................................................... 51

Figura 48 : Cargas aplicadas en el modelo estructural A ( DEAD) ............................................................................................ 52

Figura 49 : Localización de columnas analizadas para la edificación A. .................................................................................. 55

Figura 50 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño para Edificación A ....................................................................... 55

Figura 51 : Verificación de deriva bajo Espectro de umbral de daño para Edificación A .......................................................... 58

Figura 52 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=2) ...................................................................................... 60

Figura 53 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=3.5) ................................................................................... 60

Figura 54 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=2.0) ...................................................................... 61

Figura 55 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=3.5) ...................................................................... 62

Figura 56 : Edificación B ............................................................................................................................................................ 63

Figura 57 : Modelo Estructural de la edificación A, vista 3D. ................................................................................................... 64

Figura 58 : Modelo Estructural de la edificación B, vista en planta_ Story 1 ........................................................................... 65

Figura 59 : Modelo Estructural de la edificación A, vista en alzado ......................................................................................... 66

Figura 60 : Cargas aplicadas en el modelo estructural B ( DEAD) ............................................................................................ 67

Figura 61 : Localización de columnas analizadas para la edificación B. .................................................................................. 70

Figura 62 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño para Edificación B ....................................................................... 71

Figura 63 : Verificación de deriva bajo Espectro de umbral de daño para Edificación B .......................................................... 73

Figura 64 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=2). Edificación B ................................................................ 75

Figura 65 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=3.5) Edificación B .............................................................. 75

Figura 66 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=2.0) Edificación B ................................................ 76

Figura 67 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=3.5) Edificación B................................................. 77


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1 DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA EXISTENTE

Para la evaluación de la estructura se utilizaron los criterios de evaluación visual dados por el FEMA [2] (FEMA Data Collection form), en donde se plasmaron los datos principales para tener en cuenta para el estudio de vulnerabilidad de la estructura. A continuación, se presenta el levantamiento visual de la estación de bomberos y los formatos del FEMA P-154.



Figura 4 Formato FEMA P-154_ HIGH SEISMICITY LEVEL 1



Figura 5 Formato FEMA P-154_ HIGH SEISMICITY LEVEL 2



Adicionalmente a la inspección visual, se cuenta con unos planos arquitectónicos facilitados por las entidades gubernamentales, los cuales presentan áreas asociadas a posibles ampliaciones futuras. Para el análisis de vulnerabilidad se tuvo en cuenta solamente las edificaciones existentes, las cuales fueron validadas por la inspección visual realizada en la visita a campo. En la Figura 6 se presenta el plano arquitectónico.

Figura 6 Planta Arquitectónica de la Estación de Bomberos

Con base a la información arquitectónica y al levantamiento visual, se definen dos tipos de estructuras a analizar, las cuales se definen como:

• Bodega Principal • Edificaciones Laterales

Estas estructuras se presentan en la Figura 8, donde se puede observar las estructuras existentes las cuales pueden visualizarse en la vista aérea de la estación de bomberos.



Figura 7 Definición de las estructuras

La estación de bomberos fue diseñada entre el año 1984 y 1998, por lo tanto, se puede suponer que la estructura fue analizada y diseñada teniendo en cuenta los criterios del primer código de diseño para edificaciones sismo resistentes del año 1984. Por lo tanto, al ser una estructura de uso indispensable, es muy importante realizarle el estudio de vulnerabilidad.

Las edificaciones están planteadas como estructuras con un sistema de pórticos resistentes a momento de concreto reforzado.

La bodega principal está conformada en la dirección longitudinal por 5 columnas conformando un sistema de 4 pórticos de dos niveles; y en el sentido transversal, por cuestiones de uso, solo se tiene un pórtico en doble altura. La cubierta es liviana conformada por una cercha curva en perfiles metálicos que no pertenece al sistema de resistencia sísmica, la cual soporta 15 correas (joist) conformadas en ángulo, y que tiene una teja en lámina delgada. El pórtico longitudinal de primer nivel está a una altura de 2.5m y el pórtico del segundo nivel está a 5.4m de altura.

Las edificaciones laterales están conformadas por columnas y vigas que limitan los muros laterales de fachada o internos, en donde los pórticos conformados no tienen una forma regular y simétrica. Es una estructura de un solo nivel ( 2.5m) con una cubierta liviana con pendiente menor al 15%, la cual está soportada en las vigas de concreto.

Los materiales usados en las edificaciones son: concreto f´c = 3000 psi (21MPa) y Acero Fy= 6000 psi (420MPa). Estos materiales no tendrán una modificación respecto a su resistencia, debido a que según la inspección visual se puede definir que la obra está en buen estado. Por lo tanto, según lo indicado en el numeral A.10.3.4.3.3 y A.10.3.4.3.4 de la NSR-10, los coeficientes φc y φe, serán considerados como 1.0.



Para la definición de las secciones de los elementos, se utilizó la información de los planos arquitectónicos y la inspección visual. Por lo cual, las secciones utilizadas para el análisis de la estructura son:

• Columnas 30x50cm • Columnas 30x30cm • Vigas de 25x30cm • Vigas 25x50cm

Este informe se dividirá en el análisis de la bodega principal y el análisis de las estructuras laterales a esta bodega.



2 BODEGA PRINCIPAL

2.1 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y la norma NSR-10

Para el proceso de evaluación se utiliza la información validada con el registro fotográfico, la visita a campo y con la información general obtenida. Se realiza un modelo estructural en el Software ETABS para poder analizar el comportamiento de la estructura bajo las consideraciones de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto [3] y la NSR-10 [1] y poder realizar la evaluación sísmica de la misma.

Para este estudio se tiene en cuenta que la cuidad está en una zona de amenaza sísmica alta, para una estructura de disipación de energía especial (DES), y con una importancia de 1.5 al ser de grupo IV. Por ser un estudio de inicial para la vulnerabilidad de la estructura, se realizó el análisis sísmico teniendo en cuenta el espectro de umbral de daño.

Teniendo la información de la estructura y la información relacionada a el comportamiento sísmico por medio del espectro de aceleraciones, se procede a realizar el modelo matemático en ETABS, del cual se presentan las imágenes a continuación.

Para un mayor entendimiento del modelo se presentan las secciones utilizadas:

Columnas 30x50cm

Columnas 30x30cm



Vigas 25x30cm

Vigas 25x50cm

Figura 8 : Definición de las secciones utilizadas en el modelo Bodega Principal



Figura 9 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista 3D.

Figura 10 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en planta_ Story 1



Figura 11 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en planta_ Story 2

Figura 12 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en alzado, pórtico longitudinal (eje 1 y 2)



Figura 13 : Modelo Estructural de la Bodega Principal, vista en alzado, pórtico transversal eje E

Al ser una estructura sin placa de entrepiso se tuvieron en cuenta las siguientes cargas adicionales: • Carga muerta debido a la cubierta metálica, correas y teja (DEAD) • Carga muerta debido elementos de iluminación y ductos (DEAD)

• Carga de muros de fachada (FACHADAS) • Carga viva de cubierta (Lr) • Carga de Granizo(G) al estas ubicado a una altitud de 2527 m s. n. m. • Carga de viento en cubierta (W)

A continuación, se presentan los valores de las cargas adicionales aplicadas al modelo estructural.



Figura 14 : Análisis de cargas de cubierta para el modelo estructural

Figura 15 : Análisis de Cargas de fachada aplicadas en el modelo estructural



Con la evaluación de cargas presentadas en la Figura 12 y 13, se presentan los esquemas de aplicación de cargas en el modelo.

Figura 16 : Cargas de fachada aplicadas en el modelo de la Bodega Principal



Figura 17 : Cargas muertas aplicadas en el modelo de la Bodega Principal

Figura 18 : Cargas vivas aplicadas en el modelo de la Bodega Principal



Figura 19 : Cargas de viento de presión aplicadas en el modelo de la Bodega Principal

Figura 20 : Cargas de viento de succión aplicadas en el modelo de la Bodega Principal



Figura 21 : Cargas de viento de succión aplicadas en el modelo de la Bodega Principal

2.1.1 Análisis de derivas con espectro de diseño

Para la evaluación de las derivas de la estructura se requiere realizar el análisis de las fuerzas de sismo. Para este caso, las fuerzas de sismo se calcularon con base al espectro elástico de aceleraciones de diseño definido en el documento de Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto, en donde se aplicaron los coeficientes dados para la ciudad de Pasto, para una Zona 5A. La información dada en Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto se presenta a continuación.



Figura 22 : Mapa de la ciudad de pasto con la distribución de zonas

Figura 23 : Formulación del Espectro de diseño de aceleración para Pasto según la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto



Figura 24 : Coeficientes del Espectro de diseño de aceleración para Pasto según la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto

Con la información anteriormente presentada, se muestra el Espectro de Diseño de aceleración para Pasto según la Zonificación de Respuesta Sísmica.



Figura 25 : Espectro de diseño de aceleración para Pasto

Para el cálculo de las derivas se procedió a utilizar las combinaciones del numeral B.2.3 con las respectivas modificaciones necesarias para el análisis de desplazamientos. Para el análisis se derivas se utilizaron las combinaciones B.2.3.6, B.2.3.8 y B.2.3.10, la cuales quedan resumidas de la siguiente manera:

Combinaciones de servicio para Derivas:

TITULO B.2.3

1, D + 0.7E (B.2.3-6)

2, D + 0.75Lr + 0.75W + 0.75(0.7E ) (B.2.3-8)

3, 0.6D + 0.7E (B.2.3-10)

1, D + Fs (B.2.3-6)

2, D + 0.75Lr + 0.75W + 0.75(Fs ) (B.2.3-8)

3, 0.6D + Fs (B.2.3-10)

combinaciones básicas (B.2.3)

combinaciones para derivas



Cabe anotar que se tuvo en cuenta los efectos ortogonales para el sismo definido con ENVSISMO y de igual forme el software tiene incluido automáticamente el efecto de los momentos torsionales accidentales. Para la aplicación de las cargas de sismo se tuvo en cuenta el análisis dinámico, o análisis modal, para el cual se realizaron las verificaciones requeridas.

Combo Name

D Lr G ENV(W) ENVSISMO combinación

DER.B6 1 1 6,

DER.B81 1 0.75 0.75 0.75DER.B82 1 0.75 0.75 0.75DER.B10 0.6 1 10,

combinaciones para derivas en modeloDERIVA

8,



Al realizar la verificación del cortante en la base, se procede a realizar el análisis de derivas. Con el análisis realizado bajo el espectro de aceleraciones de diseño, se obtuvieron los siguientes datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 25, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos. La grafica muestra los resultados para las columnas 1 a 7, como se muestra en la figura 24. Los resultados de todos los desplazamientos se presentan en la tabla de verificación de derivas en el anexo 1.



Figura 26 : Localización de columnas analizadas por simetría

Figura 27 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño

Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura es muy flexible y, como era de esperarse, los desplazamientos relativos de la cubierta son muy grandes ya que la viga que conforma el pórtico es muy esbelta para la luz (16m) y no proporciona la suficiente rigidez a la estructura. De igual forma el desplazamiento de las columnas 6 y 7, al no conformar pórtico en el sentido longitudinal son las que más sufren y presentan un desplazamiento muy grande.



2.1.2 Análisis de derivas con espectro de umbral de daño

Para la evaluación de las derivas de la estructura se requiere de igual forma realizar el análisis de las fuerzas de sismo bajo el espectro de umbral de daño descrito en el documento de Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto, en donde se aplicaron los coeficientes dados para la ciudad de Pasto, para una Zona 5A, ya que la estructura fue pertenece a un grupo de uso IV. La información dada en Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto se presenta a continuación.

Figura 28 : Espectro de aceleraciones para umbral de daño de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto

Los datos para el espectro de umbral de daño para la Zona 5A se presenta en la figura 27.



Figura 29 : Coeficientes del Espectro de Umbral de Daño según la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto

Figura 30 : Espectro de aceleración del umbral de daño para Pasto

Para el cálculo de las derivas se procedió a utilizar las combinaciones del numeral B.2.3 con las respectivas modificaciones necesarias para el análisis de derivas y teniendo en cuenta las fuerzas de sismo causadas según el espectro de Umbral de daño. De igual forma, se tuvo en cuenta los efectos ortogonales y el efecto de los momentos torsionales accidentales tal como se presentó en el numeral anterior. En este caso, el mismo modelo fue utilizado y se realizó un análisis dinámico, o análisis modal, para el cual se realizaron las verificaciones requeridas de participación de masa y de verificación del cortante en la base tal como se presenta a continuación.



Del análisis realizado bajo el espectro de umbral de daño se obtuvieron los siguientes datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 29, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos. La grafica muestra los resultados para las columnas 1 a 7, como se muestra en la figura 24. Los resultados de todos los desplazamientos se presentan en la tabla de verificación de derivas en el anexo 2.



Figura 31 : Verificación de deriva bajo Espectro de umbral de daño

Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura no cumple para el nivel de cubierta. Sin embargo, se puede observar que el comportamiento de la estructura en el primer nivel mejora, ya que cumple con los límites de deriva bajo el umbral de daño para los pórticos o columnas ubicadas en los pórticos longitudinales. El desplazamiento de las columnas 6 y 7 (pórtico transversal) es el más crítico al no conformar pórtico en el sentido longitudinal y presentan un desplazamiento muy grande.

2.2 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y de la norma NSR-10 con riostras BRB´S

Teniendo en cuenta los resultados de desplazamiento obtenidos en la estructura existente bajo las consideraciones de los sismos con el espectro de diseño y el espectro de umbral de daño, se procede a realizar un modelo teórico de reforzamiento de la estructura, en donde se realiza un reforzamiento estructural utilizando riostras de pandeo restringido o BRB´s. (BUCKLING RESTRAINED BRACES). Para esto se realiza un modelo estructural en el Software ETABS, con el cual se analiza el comportamiento de desplazamiento de la estructura bajo las consideraciones de la NSR-10 con el espectro de aceleración tomado de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto. Para este análisis, solo se realiza el estudio con el espectro de diseño, tal como se presenta en la sección 3.1.

Teniendo la geometría de la estructura, y los resultados obtenidos de desplazamiento, se eligió la ubicación de las riostras, en donde se plantean tres posiciones para los pórticos arriostrados de pandeo restringido (PAPR) y en donde se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones:

• El pórtico debe ser un pórtico con riostras concéntricas (PAC); tal como se presenta en la Figura 32 en donde se toma la configuración de v invertida



Figura 32 : Pórticos arriostrados concéntricamente PAC en V invertida (AISC 2010)

• El sistema debe considerarse con una capacidad inelástica de deformación en la riostra. Es decir que se espera que

la riostra sea el punto donde se genere una rótula, que fluya inelásticamente o que se comporte como un fusible. • Las riostras BRB´s no se consideran para cargas gravitacionales • La viga y las columnas del pórtico deben cumplir con los requisitos de ductilidad alta, en donde en este caso

teórico solo se consideran las vigas y la riostra.

Con lo anterior, se realiza el modelo matemático en ETABS, del cual la figura 33 presenta la localización de las riostras BRB´s.

Figura 33 :Localización de riostras en modelo Estructural de la edificación Reforzada (BRB´s)



2.2.1 Análisis para determinación de la sección de las riostras BRB´s

Para el análisis de la estructura con las riostras BRB se tomará en cuenta el procedimiento dado por Rafael Sabelli [4], en su artículo “DESIGN OF A BUCKLING_RESTRAINED BRACED FRAME UTILIZING 2005 SEISMIC STANDARDS”, para la determinación del área de las riostras. El área de las riostras se calcula según el comportamiento axial de las mismas bajo fuerzas de sismo de diseño, en donde en este caso se tomarán en consideración los axiales bajo las combinaciones de deriva. Como el comportamiento de la estructura actual es crítico bajo las fuerzas de sismo calculadas con el espectro de diseño, será con este espectro que se determinará y analizará el área de las riostras para el análisis de los desplazamientos de la estructura. Para la aplicación de las cargas de sismo se tuvo en cuenta el análisis dinámico, o análisis modal, para el cual se realizaron las verificaciones requeridas tomando el espectro de diseño de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto mostrado en la Figura 25 de este documento. Al tener elementos adicionales, el comportamiento de la estructura varia, por lo tanto, se presenta la revisión de la participación modal de esta estructura con riostras BRB de sección inicial de 500mm2 y vigas de sección W10x30. El análisis realizado, es para la determinación de las secciones de las riostras y al tener las áreas definidas para las riostras en cada piso se podrá proceder a revisar las derivas definitivas de la estructura.



A continuación, se presenta el ajusto de los resultados del cortante en la base con la sección inicial de riostras BRB.



Del análisis realizado bajo el espectro de aceleraciones de diseño, se determinaron los valores de axiales actuantes en las riostras de cada uno de los pisos para así determinar el área de diseño de las riostras. A continuación, se presenta el desarrollo para la definición de la geometría de las riostras.



En donde las secciones de las riostras a utilizar para el análisis de desplazamientos o derivas son

• Riostra para primer nivel: BRB S1 (20mm x 50mm)



• Riostra para primer nivel: BRB S2 (20mm x 60mm)

En la Figura 32 se presenta la asignación de las riostras BRB en el modelo estructural de verificación de derivas con las secciones diseñadas.



Figura 34 : Asignación de las riostras BRB´s en el Modelo Estructural de la edificación Reforzada (BRB´s)

2.2.2 Análisis de derivas con espectro de diseño, modelo BRB´s

Con el diseño de las riostras se genera el modelo estructural de verificación de derivas, el cual se presentó en la figura 34. Para este nuevo modelo se realiza la verificación del peso de la estructura y al no tener gran variación se mantiene el análisis sísmico realizado inicialmente con la sección de riostras inicial.

Con el modelo se obtienen los datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 33 y figura 34, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos. La grafica muestra los resultados para las



columnas 1 a 7. Los resultados de todos los desplazamientos se presentan en la tabla de verificación de derivas en el anexo 3.

Figura 35 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño edificación Reforzada (BRB´s) (1%he)

Figura 36 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño edificación Reforzada (BRB´s) (2%he)



Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura sigue siendo muy flexible y, como era de esperarse, los desplazamientos relativos del entrepiso (N+2.5m) son muy grandes ya que no hay pórtico en el sentido transversal. Adicionalmente, por el uso de la estructura y la configuración, solo se tiene un pórtico de reforzamiento en sentido Y. Es importante analizar como el sistema de riostras BRB´s hace que las derivas de la cubierta tengan un comportamiento variable según el criterio de límite de deriva (1%he o 2%he) dado en la NSR-10 [1] según la altura entrepiso (he). Sin embargo, para la configuración de la estructura y el manejo de fachadas en mampostería, se debe mantener el criterio de deriva máxima del 1%, siendo que para el límite del 2% se cumple el requisito de deriva.

2.2.3 Análisis de derivas con espectro de diseño, modelo BRB´s y reforzamiento

Para poder tener una estructura con columnas que cumplan derivas, se procede a realizar un análisis en donde se debe encamisar o modificar la sección de algunos elementos existentes y adicionar unas vigas. Para esto, se plantean los siguientes reforzamientos:

• Las columnas de los ejes 1 y 2 (pórticos longitudinales) que tienen una sección de 30x50cm, se refuerzan y agranden en sentido “y” para tener una sección de 30x60cm.

• Las columnas del eje E (pórtico transversal de culata) que tienen una sección de 30x30cm, se refuerzan y agranden en sentido “x” para tener una sección de 30x70cm.

• Las vigas de cubierta que tienen una sección de 25x50cm, se refuerzan y agrandan en base y altura para tener una sección de 30x100cm.

• Se adicionan unas vigas en cubierta para poder dar soporte lateral al pórtico del eje E en el nivel de cubierta. Estas vigas se asignan con una sección de 30x100cm.

La nueva configuración geométrica de la bodega principal se presenta en la figura 37



Figura 37 : Modelo Estructural de la Bodega Principal con las secciones extruidas con alternativa de reforzamiento



Figura 38 : Asignación de las riostras BRB´s y secciones de concreto en el Modelo Estructural de la edificación Reforzada de la Bodega Principal

Figura 39 : Pórtico eje 1 y 4 edificación Reforzada de la Bodega Principal



Figura 40 : Pórtico eje E, Edificación Reforzada de la Bodega Principal



Figura 41 : Planta de cubierta, Edificación Reforzada de la Bodega Principal

Para la aplicación de las cargas de sismo se tuvo en cuenta el análisis dinámico, o análisis modal, para el cual se realizaron las verificaciones requeridas.



Con el modelo se obtienen los datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 42, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos. La grafica muestra los resultados para las columnas 1 a 7. Los resultados de todos los desplazamientos se presentan en la tabla de verificación de derivas en el anexo 4.

Figura 42 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño edificación Reforzada de Bodega principal (1%he)

Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura con las riostras BRB´s y el reforzamiento de secciones cumple con los requerimientos de deriva del 1%.

2.2.4 Presupuesto para proceso de reforzamiento.

En esta sección se presentan las cantidades y el presupuesto básico para el proceso de reforzamiento de la Bodega principal.

Tabla 1: Cantidades de concreto para secciones reforzadas

CANTIDADES DE REFORZAMIENTO / CAMBIO DE SECCIÓN DE ELEMENTOS DE CONCRETO CANTIDADES/ VOLUMENES DE CONCRETO No. Item

Elemento Localización Base (m)

Ancho (m)

Longitud (m)

cantidad Volumen (m3)

1 COLUMNAS COL 30x50 a COL 30x60 Ejes 1 y 4 con ejes A, B, C y

D 0.3 0.15 5.9 8 2.124

COL 30x30 a COL 30x70 Eje E 0.3 0.45 6.5 2 1.755 2 VIGAS 0.3 0.55 16 4 10.56



Vigas de 25x50 a vigas de 30x 100

Ejes 1 y 2 con ejes A, B, C y D

0.1 0.5 16 4 3.2

Vigas nuevas de 30x100 Ejes 2 y 3 0.3 1 4.9 2 2.94 Total: (m3) 20.58

Tabla 2: Cantidades de acero de refuerzo para secciones reforzadas

CANTIDADES/ ACEROS DE REFUERZO No. Item

Elemento Localización Volumen (m3)

Cuantía (kgf/m3)

Peso de acero (kgf)

1 COLUMNAS COL 30x50 a COL 30x60 Ejes 1 y 4 con ejes A, B, C y D 2.124 379.0 805.0 COL 30x30 a COL 30x70 Eje E 1.755 379.0 665.1 2 VIGAS Vigas de 25x50 a vigas de 30x

100 Ejes 1 y 4 con ejes A, B, C y D 10.56 61.18 646.0

3.2 20.12 64.4 Vigas nuevas de 30x100 Ejes 2 y 3 2.94 20.12 59.2 Total: (kgf) 769.6

Tabla 1: Cantidades de acero para riostras BRB´s

CANTIDADES DE REFORZAMIENTO / RIOSTRAS BRB´S CANTIDADES/ PESOS DE ACERO No. Item


Ancho (m)

Longitud (m)


Peso de acero (kgf)

1 RIOSTRAS_ ALMAS ALMA DE

SECCIÓN Ejes 1 y 4. Primer nivel 0.1 0.2 3.3 4 0.264 2059

ALMA DE SECCIÓN

Ejes 1 y 4. Segundo nivel

0.1 0.13 3.6 4 0.1872 1460

ALMA DE SECCIÓN

Ejes E. Primer nivel 0.1 0.2 3.7 2 0.148 1154

ALMA DE SECCIÓN

Ejes E. Segundo nivel 0.1 0.13 4 2 0.104 811

5485 2 RIOSTRAS_ CAMISAS



PT 350X170X9.0 Ejes 1 y 4. Primer nivel 3.3 4 68.75 908 PT 350X170X9.0 Ejes 1 y 4. Segundo

nivel 3.6 4 68.75 990

PT 350X170X9.0 Ejes E. Primer nivel 3.7 2 68.75 509 PT 350X170X9.0 Ejes E. Segundo nivel 4 2 68.75 550 2956 3 VIGAS W10X30 Ejes 1 y 4. 4.8 4 44.64 857 W10X30 Ejes E. 5 2 44.64 446 1303 4 ENCAMISADO DE COLUMNAS LAM 15 Ejes 1 y 4. 0.015 1.8 0.6 16 0.2592 2022 LAM 15 Ejes E. 0.015 2 0.6 8 0.144 1123 3145 SubTotal: (kgf) 12890 Conexiones y soldadura (10%): (kgf) 1289 Total: (kgf) 14179

Tabla 2: Cantidades de concreto para riostras BRB´s

CANTIDADES/ VOLUMENES DE CONCRETO No. Item


Ancho (m)

Longitud (m)


1 RIOSTRAS_ RELLENO MORTERO DE RELLENO Ejes 1 y 4. Primer nivel 0.33 0.15 3.3 4 0.653 MORTERO DE RELLENO Ejes 1 y 4. Segundo nivel 0.33 0.15 3.6 4 0.713 MORTERO DE RELLENO Ejes E. Primer nivel 0.33 0.15 3.7 2 0.366 MORTERO DE RELLENO Ejes E. Segundo nivel 0.33 0.15 4 2 0.396 Total: (m3) 2.13

Tabla 3: Presupuesto para Bodega Principal

PRESUPUESTO EDIFICIO PRINCIPAL No. Item Descripción del item Unidad Cantidad Precio unitario Precio total

1 Riostras BRB 1.1 acero estructural para

riostra kgf 4893 $ 4,480 $ 21,921,952



1.1 acero estructural para reforzamiento y perfiles laminados

kgf 4893 $ 4,684 $ 22,919,401

1.2 concreto de relleno m3 2.34 $ 389,482 $ 911,914 1.3 Demolición de muros

de fachada m2 82.42 $ 4,672 $ 385,026

Sub-total: ($) $ 46,138,293 2 Reforzamiento de elementos de concreto 2.1 Recalce de

cimentación m3 0.5775 $ 436,220 $ 251,917

2.2 Recalce de columnas m3 4.9599 $ 200,256 $ 993,248

2.3 Recalce de vigas m3 15.136 $ 170,893 $ 2,586,639

2.4 Vigas nuevas m3 3.234 $ 898,780 $ 2,906,654

Sub-total: ($) $ 6,738,458

Total: ($) $ 52,876,751



3 EDIFICACIONES LATERALES

3.1 Edificación A

La estructura denominada Edificación A es la ubicada en el costado derecho de la bodega principal de la Estación de bomberos. En la Figura 43 se presenta la definición de esta estructura según el levantamiento visual y la información arquitectónica.

Figura 43 : Edificación A

3.1.1 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y la norma NSR-10

Para el proceso de evaluación se utiliza la información obtenida de los los registros fotográficos producto de la visita de campo y la información general obtenida. Se realiza un modelo estructural en el Software ETABS para poder analizar el comportamiento de la estructura bajo las consideraciones de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto [3] y la NSR-10 [1] y poder realizar la evaluación sísmica de la misma.

Para este estudio se tiene en cuenta que la cuidad está en una zona de amenaza sísmica alta, para una estructura de disipación de energía especial (DES), y con una importancia de 1.5 al ser de grupo IV, la cual requiere un análisis sísmico teniendo en cuenta el espectro de umbral de daño.

Teniendo la información de la estructura y la información relacionada a el comportamiento sísmico por medio del espectro de aceleraciones, se procede a realizar el modelo matemático en ETABS, del cual se presentan las imágenes a continuación.

Para un mayor entendimiento del modelo se presentan las secciones utilizadas:



Columnas 30x30cm

Vigas 25x30cm

Figura 44 : Definición de las secciones utilizadas en el modelo edificación A

Figura 45 : Modelo Estructural de la edificación A, vista 3D.



Figura 46 : Modelo Estructural de la edificación A, vista en planta_ Story 1

Al no tener una geometría simétrica, en la figura 47 se presenta una vista en alzado de las columnas, las cuales tienen una sección de 30x30cm y una altura de 2.5m, tal como lo definido en la inspección visual.



Figura 47 : Modelo Estructural de la edificación A, vista en alzado

Al ser una estructura de un solo nivel con cubierta liviana, se procedió a generan un Shell sin masa para la apelación de las cargas adicionales, descritas a continuación:

• Carga muerta debido a la teja (DEAD) • Carga muerta debido elementos de iluminación y ductos (DEAD) • Carga viva de cubierta (Lr) • Carga de Granizo(G) al estas ubicado a una altitud de 2527 m s. n. m. • Carga de viento en cubierta (W)


En la Figura 48, se presenta el esquema de aplicación de carga muerta (DEAD) como ejemplo de aplicación de las cargas en la edificación A.



Figura 48 : Cargas aplicadas en el modelo estructural A ( DEAD)

3.1.2 Análisis de deriva con espectro de diseño

Para la evaluación de las derivas de la estructura se requiere realizar el análisis de las fuerzas de sismo. Para este caso, las fuerzas de sismo se calcularon con base al espectro elástico de aceleraciones de diseño definido en el documento de Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto, en donde se aplicaron los coeficientes dados para la ciudad de Pasto, para una Zona 5A. La información dada en Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto se presentó en el numeral 2.1.1, en el capítulo de la Bodega principal, en donde para este caso se utiliza el mismo espectro.



Las combinaciones para la verificación de derivas, son las mismas que las utilizadas en el capítulo de la Bodega principal.




Al realizar la verificación del cortante en la base, se procede a realizar el análisis de derivas. Con el análisis realizado bajo el espectro de aceleraciones de diseño, se obtuvieron los datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 50, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos, siendo que en este caso todas las columnas cumplen con tener un desplazamiento menor al 1% de la altura de entrepiso. La tabla de verificación de derivas de la edificación A se encuentra en el anexo 5.

En la figura 49 se presenta la localización de las columnas de las cuales se presenta el desplazamiento relativo.



Figura 49 : Localización de columnas analizadas para la edificación A.

Figura 50 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño para Edificación A



Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura cumple con el requisito de deriva. Esta es una estructura que en este análisis se supone que tiene vigas en varios sentidos, lo que hace que no sea muy flexible y cumpla con este requisito de la norma.

3.1.3 Análisis de deriva con espectro de umbral de daño

Para la evaluación de las derivas de la estructura se requiere de igual forma realizar el análisis de las fuerzas de sismo bajo el espectro de umbral de daño descrito en el documento de Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto, en donde se aplicaron los coeficientes dados para la ciudad de Pasto, para una Zona 5A, ya que la estructura fue pertenece a un grupo de uso IV. La información dada en Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto se presenta en el numeral 2.1.2, en el capítulo de la Bodega principal, en donde para este caso se utiliza el mismo espectro.

Para el cálculo de las derivas se procedió a utilizar las combinaciones del numeral B.2.3 con las respectivas modificaciones necesarias para el análisis de derivas y teniendo en cuenta las fuerzas de sismo causadas según el espectro de Umbral de daño. De igual forma, se tuvo en cuenta los efectos ortogonales y el efecto de los momentos torsionales accidentales tal como se presentó en el capítulo 2.1.1.

En este caso, el mismo modelo fue utilizado y se realizó un análisis dinámico, o análisis modal, para el cual se realizaron las verificaciones requeridas de participación de masa y de verificación del cortante en la base tal como se presenta a continuación.



Del análisis realizado bajo el espectro de umbral de daño se obtuvieron los datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 51, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos. La grafica muestra los resultados para las columnas mostradas en la figura 49. Los resultados de todos los desplazamientos se presentan en la tabla de verificación de derivas en el anexo 6



Figura 51 : Verificación de deriva bajo Espectro de umbral de daño para Edificación A

Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura cumple con los límites de deriva bajo el umbral de daño.

3.1.4 Análisis de capacidad de los elementos

Como la estructura cumple los requisitos de deriva descritos en la NSR-10 bajo el espectro de diseño y el espectro de Umbral de daño, se procede a realizar un análisis de capacidad de los elementos para poder verificar el estado de los mismos. Este análisis se realizar para el comportamiento bajo las consideraciones de diseño.

Para esta revisión se generaron las combinaciones de diseño descritas en el numeral B.2.4 de la NSR-10 [1], suponiendo un coeficiente de reducción sísmica de 2 (R=2) y 3.5 (R=3.5) debido al año de construcción de la estación de bomberos. Teniendo en cuenta esto, las combinaciones de diseño utilizadas en el análisis se presentan a continuación.



Adicionalmente, para las secciones utilizadas, se supone un refuerzo por cuantía mínima tal como se describe a continuación:

• Vigas S=25x30cm

Cuantía de 0.0033 y un refuerzo superior e inferior de 2#4 para un As= 258mm2

• Columnas S=30x30cm

Cuantía de 0.01 (1%) y un refuerzo de 8#4 para un As= 1032mm2

Con esta información, se procede a realizar un chequeo de los elementos de la edificación A tal como se presenta a continuación, en donde se presentan los resultados para un R=2 y para un R=3.5.

Para las columnas se presentan las gráficas de relación de interacción P-M-M (Axial- Flexión). En donde para la demanda obtenida con un R=2 (Figura 52), todas las columnas sobrepasan la relación de 1.0 a diferencia de los resultados obtenidos con un R=3.5 (Figura 53).



Figura 52 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=2)

Figura 53 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=3.5)



Para las vigas se presentan los resultados de refuerzo longitudinal requeridos según la demanda. Para las consideraciones de R=2 y R=3.5, los refuerzos requeridos son menores que la cuantía mínima supuesta (258mm2), lo que indica que las vigas tienen un comportamiento satisfactorio bajo las condiciones de análisis. Véase las figuras 54 y 55.

Figura 54 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=2.0)



Figura 55 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=3.5)

Con estos resultados, se puede concluir que para poder determinar un reforzamiento estructural es necesario realizar un levantamiento detallado de la estructura, para poder determinar cuál sería el valor del coeficiente de reducción sísmica a utilizar y así poder encontrar cual sería la mejor alternativa de reforzamiento. Cabe anotar que, según este análisis, se debe centrar en un reforzamiento de las columnas.



3.2 Edificación B

La estructura denominada Edificación B es la ubicada en el costado izquierdo de la bodega principal de la Estación de bomberos. En la Figura 50 se presenta la definición de esta estructura según el levantamiento visual y la información arquitectónica.

Figura 56 : Edificación B

3.2.1 Evaluación de la estructura existente bajo el marco de la zonificación de respuesta sísmica de pasto y la norma NSR-10

Para el proceso de evaluación se utiliza la información obtenida de los registros fotográficos producto de la visita de campo y la información general obtenida. Se realiza un modelo estructural en el Software ETABS para poder analizar el comportamiento de la estructura bajo las consideraciones de la Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto [3] y la NSR-10 [1] y poder realizar la evaluación sísmica de la misma.

Para este estudio se tiene en cuenta que la cuidad está en una zona de amenaza sísmica alta, para una estructura de disipación de energía especial (DES), y con una importancia de 1.5 al ser de grupo IV. Por ser un estudio de inicial para la vulnerabilidad de la estructura, se realizó el análisis sísmico teniendo en cuenta el espectro de umbral de daño.



Teniendo la información de la estructura y la información relacionada a el comportamiento sísmico por medio del espectro de aceleraciones, se procede a realizar el modelo matemático en ETABS, del cual se presentan las imágenes a continuación. Las secciones utilizadas en esta estructura son las mismas que las de la edificación A, con columnas de 30x30 y vigas de 25x30.

Figura 57 : Modelo Estructural de la edificación A, vista 3D.



Figura 58 : Modelo Estructural de la edificación B, vista en planta_ Story 1

Al no tener una geometría simétrica, en la figura 59 se presenta una vista en alzado de las columnas, las cuales tienen una sección de 30x30cm y una altura de 2.5m, tal como lo definido en la inspección visual.



Figura 59 : Modelo Estructural de la edificación A, vista en alzado

Al ser una estructura de un solo nivel con cubierta liviana, se procedió a generan un Shell sin masa para la apelación de las cargas adicionales, descritas a continuación:

• Carga muerta debido a la teja (DEAD) • Carga muerta debido elementos de iluminación y ductos (DEAD) • Carga viva de cubierta (Lr) • Carga de Granizo(G) al estas ubicado a una altitud de 2527 m s. n. m. • Carga de viento en cubierta (W)


En la Figura 54, se presenta el esquema de aplicación de carga muerta (DEAD) como ejemplo de aplicación de las cargas en la edificación B.



Figura 60 : Cargas aplicadas en el modelo estructural B ( DEAD)

3.2.2 Análisis de deriva con espectro de diseño

Para la evaluación de las derivas de la estructura se requiere realizar el análisis de las fuerzas de sismo. Para este caso, las fuerzas de sismo se calcularon con base al espectro elástico de aceleraciones de diseño definido en el documento de Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto, en donde se aplicaron los coeficientes dados para la ciudad de Pasto, para una Zona 5A. La información dada en Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto se presentó en el numeral 2.1.1, en el capítulo de la Bodega principal, en donde para este caso se utiliza el mismo espectro.

Las combinaciones para la verificación de derivas, son las mismas que las utilizadas en el capítulo de la Bodega principal.



Al realizar la verificación del cortante en la base, se procede a realizar el análisis de derivas. Con el análisis realizado bajo el espectro de aceleraciones de diseño, se obtuvieron los datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 62, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos, siendo que en este caso todas las columnas cumplen con tener un desplazamiento menor al 1% de la altura de entrepiso. La tabla de verificación de derivas de la edificación A se encuentra en el anexo 7.

En la figura 61 se presenta la localización de las columnas de las cuales se presenta el desplazamiento relativo.



Figura 61 : Localización de columnas analizadas para la edificación B.



Figura 62 : Verificación de deriva bajo Espectro de diseño para Edificación B

Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura cumple con el requisito de deriva. Esta es una estructura que en este análisis se supone que tiene vigas en varios sentidos, lo que hace que no sea muy flexible y cumpla con este requisito de la norma.

3.2.3 Análisis de deriva con espectro de umbral de daño

Para la evaluación de las derivas de la estructura se requiere de igual forma realizar el análisis de las fuerzas de sismo bajo el espectro de umbral de daño descrito en el documento de Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto, en donde se aplicaron los coeficientes dados para la ciudad de Pasto, para una Zona 5A, ya que la estructura fue pertenece a un grupo de uso IV. La información dada en Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto se presenta en el numeral 2.1.2, en el capítulo de la Bodega principal, en donde para este caso se utiliza el mismo espectro.

Para el cálculo de las derivas se procedió a utilizar las combinaciones del numeral B.2.3 con las respectivas modificaciones necesarias para el análisis de derivas y teniendo en cuenta las fuerzas de sismo causadas según el espectro de Umbral de daño. De igual forma, se tuvo en cuenta los efectos ortogonales y el efecto de los momentos torsionales accidentales tal como se presentó en el capítulo 2.1.1.

En este caso, el mismo modelo fue utilizado y se realizó un análisis dinámico, o análisis modal, para el cual se realizaron las verificaciones requeridas de participación de masa y de verificación del cortante en la base tal como se presenta a continuación.



Del análisis realizado bajo el espectro de umbral de daño se obtuvieron los datos de desplazamiento, los cuales se presentan en la figura 57, para la combinación de deriva DER.B6, con que se obtuvieron los resultados más críticos. La grafica muestra los resultados para las columnas mostradas en la figura 43. Los resultados de todos los desplazamientos se presentan en la tabla de verificación de derivas en el anexo 8.



Figura 63 : Verificación de deriva bajo Espectro de umbral de daño para Edificación B

Los resultados de la verificación de deriva nos muestran que la estructura cumple con los límites de deriva bajo el umbral de daño.

3.2.4 Análisis de capacidad de los elementos

Como la estructura cumple los requisitos de deriva descritos en la NSR-10 bajo el espectro de diseño y el espectro de Umbral de daño, se procede a realizar un análisis de capacidad de los elementos para poder verificar el estado de los mismos. Este análisis se realizar para el comportamiento bajo las consideraciones de diseño.

Para esta revisión se generaron las combinaciones de diseño descritas en el numeral B.2.4 de la NSR-10 [1], suponiendo un coeficiente de reducción sísmica de 2 (R=2) y 3.5 (R=3.5) debido al año de construcción de la estación de bomberos. Teniendo en cuenta esto, las combinaciones de diseño utilizadas en el análisis se presentan a continuación.



Adicionalmente, para las secciones utilizadas, se supone un refuerzo por cuantía mínima tal como se describe a continuación:

• Vigas S=25x30cm

Cuantía de 0.0033 y un refuerzo superior e inferior de 2#4 para un As= 258mm2

• Columnas S=30x30cm

Cuantía de 0.01 (1%) y un refuerzo de 8#4 para un As= 1032mm2

Con esta información, se procede a realizar un chequeo de los elementos de la edificación A tal como se presenta a continuación, en donde se presentan los resultados para un R=2 y para un R=3.5.

Para las columnas se presentan las gráficas de relación de interacción P-M-M (Axial- Flexión). En donde para la demanda obtenida con un R=2 (Figura 64), todas las columnas sobrepasan la relación de 1.0 a diferencia de los resultados obtenidos con un R=3.5 (Figura 65).



Figura 64 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=2). Edificación B

Figura 65 : Relación de capacidad- demanda de las columnas ( R=3.5) Edificación B



Para las vigas se presentan los resultados de refuerzo longitudinal requeridos según la demanda. Para las consideraciones de R=2 y R=3.5, los refuerzos requeridos mayores que la cuantía mínima supuesta (258mm2) son indicados con un recuadro azul. Las vigas largas son las que requieren un refuerzo superior, lo que indica que se requiere un reforzamiento. Véase las figuras 66 y 67.

Figura 66 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=2.0) Edificación B



Figura 67 : Diseño de refuerzo longitudinal (área de refuerzo (mm2)) ( R=3.5) Edificación B

Con estos resultados, se puede concluir que para poder determinar un reforzamiento estructural es necesario realizar un levantamiento detallado de la estructura, para poder determinar cuál sería el valor del coeficiente de reducción sísmica a utilizar y así poder encontrar cual sería la mejor alternativa. Cabe anotar que, según este análisis, se debe centrar en un reforzamiento de las columnas y en vigas.



3.3 Análisis de reforzamiento para Edificaciones laterales

Con los resultados obtenidos del análisis de capacidad de las edificaciones laterales de la estación de bomberos, y teniendo en cuenta que al utilizar un R=2 las columnas sufren un sobre esfuerzo, se plantea un reforzamiento de las mismas por medio de un encamisado de los nudos para proporcionar un mejor comportamiento de los nudos y en general de la estructura, dándole a las columnas una capacidad mayor.

Tabla 4: Cantidades de acero para reforzamiento de columnas en edificaciones laterales

CANTIDADES DE REFORZAMIENTO / NUDOS DE COLUMNAS CANTIDADES/ PESOS DE ACERO No. Item Elemento Localización Base (m) Ancho

(m) Longitud (m)


Peso de acero (kgf)

1 EDIFICACIÓN A ENCAMISADO DE COLUMNAS LAM 15 COLUMNAS

30X30 0.015 1.2 0.9 16 0.2592 2022

2 EDIFICACIÓN B ENCAMISADO DE COLUMNAS LAM 15 COLUMNAS

30X30 0.015 1.2 0.9 15 0.243 1895

SubTotal: (kgf) 3917 Conexiones y soldadura (5%): (kgf) 196 Total: (kgf) 4113 NOTA: el peso del acero se tomó con un peso específico de 7800 kgf/m3

Tabla 5: Presupuesto de las edificaciones laterales

PRESUPUESTO EDIFICACIONES LATERALES No. Item Descripción del item Unidad Cantidad Precio

unitario Precio total

1 Reforzamiento de elementos de concreto

1.1 Acero estructural para reforzamiento A-50

kgf 4387 $ 4,684 $ 20,549,033

1.2 Demolición de tramos de muros de fachada

m2 13.95 $ 4,672 $ 65,172

Total: ($) $ 20,614,204



4 EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD

Las estructuras fueron construidas cerca de los años ochenta (80´s) y su sistema de resistencia sísmica consiste en pórticos de concreto reforzado. Sistema que para este tipo de edificaciones está bien pensado. Sin embargo, para la bodega principal, el inconveniente es el no haber utilizado la cubierta metálica como parte del sistema estructural ya que se requiere cubrir una gran luz (16m) que, requiere debido al uso, es muy grande para un elemento de concreto.

En general, para los sistemas de pórticos es importante tener un elemento que pueda soportar las fuerzas horizontales en los sentidos “X” y “Y”, por lo tanto, para la Bodega Principal se propuso el adicionar vigas que pudieran servir como elementos de arriostramiento. Cabe anotar que, en las edificaciones aledañas, la localización de las vigas fue supuesta y por ente el comportamiento en los sentidos “X” y “Y” también podría variar.

El análisis de derivas, con las riostras BRB´s nos muestra la gran capacidad que tienen en disipar energía ya que el desplazamiento para unas columnas cumplió con el requisito máximo de deriva máxima del 1% de la altura de entrepiso. Sin embargo, debido a la configuración general de la estructura se planteó el reforzamiento o el agrandamiento de los elementos existentes para un manejo de inercias para dar mayor rigidez en el sentido requerido.

El análisis de derivas, para las edificaciones laterales nos muestra que la estructura cumple este requisito de la NSR-10, sin embargo, es importante plantear un sistema de reforzamiento pensando en la capacidad de los elementos.



5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Según el análisis realizado, se pueden presentar los siguientes conclusiones y recomendaciones:

Se requiere verificar el amarre o del sistema de muros de fachada que tiene la estructura, ya que esto puede causar comportamientos no deseados en la estructura y puede influenciar en el análisis realizado, ya que, si la mampostería está adosada a los pórticos de concreto reforzado, el comportamiento estructural cambia.

Se plantea una localización de las riostras BRB´s en los pórticos longitudinales de tal manera que se logren minimizar los efectos de la flexibilidad de los pórticos y los costos asociados al reforzamiento

La localización de las riostras BRB´s sobre el eje E no es suficiente para rigidizar la estructura en el sentido transversal, ya que las vigas de concreto ubicadas en los ejes A, B, C y D no son suficientemente rígidas para cumplir el criterio de deriva. Por lo tanto, se plantea un reforzamiento adicional que no genere demoliciones en la mampostería y pueda aplicarse con las riostras BRB´s.

Las riostras BRB, según los criterios de la NSR-10 del título F.3.6.4, se diseñan y analizan para derivas del 2%, de la altura de entrepiso, sin embargo, debido a la configuración de la estructura se mantuvo el límite del 1% debido a los muros de fachada que tiene la estructura.

Se recomienda dilatar los muros de mampostería de la fachada del edificio bodega principal, para lograr cumplir los requisitos de deriva del 2% para riostras BRB, según NSR-10 F.3.6.54, de tal manera que el reforzamiento propuesto para este edificio sea suficiente para cumplir la normatividad de deflexiones

La NSR-10 solicita realizar ensayos de las riostras BRB, lo cual implica un detallamiento de cada tramo de la riostra y se debe tener presente el proceso de ensayar las riostras.

Se requiere un levantamiento detallado de las edificaciones laterales para corroborar la localización de las vigas que amarran las columnas de los pórticos.

Las edificaciones laterales cumplieron derivas, sin embargo, debido a la época de construcción se puede pensar que, si se requiere de un reforzamiento para las columnas, por lo tanto, es que se plantea un reforzamiento metálico para los nudos viga columna.



6 REFERENCIAS

[1] Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente, NSR-10. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, Colombia, 2010.

[2] FEMA 450 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structural (2003 Edition). Building Seismic Council, National Institute of Buildings Sciences, Washington, D.C.,2014

[3] Servicio Geológico Colombiano. “Zonificación de Respuesta Sísmica de Pasto (versión en discusión)”. Bogotá, octubre 2020.

[4] Sabelli R., Pottebaum, W., Brazier C., Lopez, W. “Design of a Buckling-Restrained Frame Utilizing 2005 Seismic Standards”. Structures 2005, ASCE 2005. [online]

ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL, ESTACIÓN DE BOMBEROS SURORIENTALES - 2021

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