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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

PROCESO DE EVALUACIÓN Y ELECCIÓN DEL SISTEMA DE REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL, DE UN EDIFICIO DE 16 NIVELES DE CONCRETO REFORZADO.

Rogelio López Vázquez1,Rogelio Simón Velázquez

1, Tomás Castillo Cruz

1, Eduardo Arellano

Méndez2, Rubén A. Castillo Alvarado

3, Julio C. Roldán Cabrera

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RESUMEN

Se muestra el proceso realizado para determinar la mejor opción de rehabilitación estructural para un edificio de 16 niveles de concreto reforzado con muros de mampostería acoplados, ubicado en la zona de transición del Valle de México. Las características dinámicas del edificio así como las del suelo sobre el que se desplanta determinaron la solución final. La alternativa de rehabilitación del edificio desligando los muros de mampostería respecto de los marcos de concreto más la instalación de disipadores de energía viscosos mejoran el comportamiento global del edificio y lo hace viable financieramente.

ABSTRACT The processes involved to determine the best option for a building structural rehabilitation of 16 levels of reinforced concrete with masonry walls coupled, located in the transition zone of the Valley of Mexico is shown. The dynamic characteristics of the building and the land properties determined the final solution. The alternative of building rehabilitation decoupling the concrete frames with the masonry walls plus ENERGY VISCOUS DAMPERS makes it financially viable. INTRODUCCIÓN Derivado de los cambios en las características dinámicas del subsuelo de la ciudad de México ocurridas como consecuencia de la extracción de agua, así como de un posible daño acumulado de las estructuras construidas antes del año 1985, se empiezan a presentar los casos de edificios que tuvieron un comportamiento adecuado incluso durante el sismo de 1985, pero que sin embargo, en eventos recientes han manifestado deficiencias. Esta condición obliga a los ingenieros a enfrentar la problemática desde diferentes puntos de vista como son los tiempos de rehabilitación, costos de obra, sistemas convencionales o de resiente desarrollo y los costos financieros. OBJETIVO Definir el sistema más apropiado que cumpla la normativa técnica vigente, a la vez que se ajuste a los índices de inversión y recuperación establecidos por el propietario del inmueble. ANTECEDENTES Se estudia el caso de un edificio de 16 niveles que se terminó de construir en el año de 1983. Consta de un semisótano que se usa como estacionamiento, planta baja que se usa como vestíbulo y control de acceso, así como estacionamiento, 2 niveles de estacionamiento sobre planta baja, 12 niveles de oficina y un Pent-House, más un nivel de cuarto de equipos, con alturas de entrepiso tipo de 3.2 m medidos de piso terminado a piso terminado, para una altura total de 56.0 m, medidos a partir del nivel de banqueta. 1 RLV Ingenieros, Insurgentes Norte 1317 int 303, Guadalupe Insurgentes, Gustavo A. Madero, México D.F., C. P. 07870

México D. F. Tel. 36196162 [email protected], [email protected], [email protected] 2 Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, Av. San Pablo Xalpa No. 180, Colonia Reynosa

Tamaulipas, Delegación Azcapotzalco, C. P. 02200 México D. F. Tel. 53189085 [email protected] 3 ALDECA-CTBR, Parque Vía # 190, Colonia Cuauhtémoc, Delegación Cuauhtémoc, México D.F. C.P. 02200, [email protected], [email protected], tel 52442023.

XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jal. 2014.

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La estructura es de marcos rígidos en dos direcciones ortogonales integrados por trabes y columnas de concreto reforzado. El sistema de piso es de vigueta y bovedilla prefabricada de concreto, con una capa de compresión armada. En la figuras 1a y 1b se muestran una vista en elevación y una planta tipo de la estructura respectivamente. El edifico se terminó de construir en el año de 1983, año en el cual comenzó su operación. Durante el sismo del 19 de septiembre de 1985 la estructura se comportó adecuadamente sin que se generaran daños visibles en sus elementos estructurales. Este caso representa un edificio con características más o menos típicas de los construidos en las décadas de los años sesenta a ochenta del siglo pasado, ubicado sobre terreno de transición, cuyo comportamiento hasta principios del año 2012 había sido razonablemente bueno, ya que no presentaba evidencia de daños. Sin embargo, como consecuencia del sismo del 20 de Marzo del 2012, se provocaron fisuras en gran cantidad de trabes sobre todo en la dirección longitudinal del inmueble. De acurdo con las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del 2004, el edificio se localiza en la zona IIIa, con un periodo dominante del terreno de entre 1.3 y 1.4 [s] y profundidad aproximada de los depósitos firmes, Hs=27 [m]. En la figura 2 se muestra la localización del edificio en una vista aérea y en las figuras 3a) a 3c) se muestra la localización del sitio en los diferentes mapas incluidos en las normas técnicas. INFORMACIÓN PRELIMINAR El actual propietario no cuenta con memoria de cálculo, planos estructurales ni estudios geotécnicos del proyecto original, sin embargo se contó con planos de un levantamiento arquitectónico, un dictamen de seguridad estructural realizado en 1994 por una empresa especializada de reconocido prestigio, así como el informe de una empresa especializada de una prueba de carga realizada a un pilote en el año de 1995, en dicho informe se presentaba la distribución de pilotes. En el dictamen de seguridad estructural de 1994, define el inmueble como perteneciente al grupo “B”, se considera ubicado en terreno de la zona III, con un coeficiente sísmico C=0.4 y un factor de comportamiento sísmico Q=2.0 al que no se le hacen reducciones por irregularidad.

Figura 1a. Vista en elevación de Figura 1b. Planta tipo de oficinas

la estructura en estudio

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Figura 2. Localización del sitio en estudio Figura 3a. Ubicación del predio dentro de la Zonificación sísmica del D.F. Zona IIIa.

Figura 3b. Ubicación aproximada sobre Figura 3c. Profundidad de los depósitos terreno con periodo Ts=1.3 a 1.4 [s] profundos en el sitio de interés. Hs=27 [m]

En el informe de la prueba de carga realizada en 1995, se establece que existen 39 pilotes con sección de 45x45 cm, aunque no se determina la profundidad de desplante, la carga máxima aplicada al pilote de prueba fue de 250.0 ton, pero se recomienda que se considere una capacidad confiable de 200.0 ton. ESTUDIOS DE CAMPO PARA OBTENER LA INFORMACIÓN DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES Para obtener la información mínima requerida para el estudio, se programaron una serie de actividades que incluyeron: levantamiento geométrico estructural, ejecución de calas en trabes, columnas y muros de concreto reforzado, así como pruebas con esclerómetro calibrado. Adicionalmente se decidió realizar también una medición de las características dinámicas tanto del suelo como de la estructura y, un levantamiento topográfico para medir desplomes y detectar si se tienen hundimientos diferenciales y, por supuesto una inspección física del inmueble en lo relativo a las condiciones de daño estructural. Levantamiento geométrico estructural Como resultado de estos trabajos se corroboran los datos geométricos de los planos arquitectónicos recibidos, así mismo se identifica el sistema estructural existente. La planta tipo del edificio mide 25.05 m por 15.32 m, más un balcón para equipos de aire acondicionado de 2.5 m por 3.7 m. Lo que da un área de 393.01 m2 por planta tipo, en el Pent-House el área de construcción se reduce debido a que las fachadas se remeten dejando terrazas tanto en la fachada principal, como en la posterior.


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El sistema de piso general es de vigueta y bovedilla prefabricada de concreto, con una capa de compresión mínima de 7 cm. Las viguetas se orientan en la dirección transversal del edificio, paralelas a la fachada principal. El espesor del sistema de piso es de 32 cm. La estructura es de marcos rígidos en dos direcciones ortogonales integrados por trabes y columnas de concreto reforzado. Las colindancias laterales (dirección longitudinal) tienen muros de concreto de 30 cm de espesor, desde la cimentación hasta el nivel de estacionamiento 1, a partir de este nivel se construyeron de mampostería de barro rojo recocido con 15 cm de espesor. Las trabes tienen anchos de 40, 45 y 50 cm con 80 cm de peralte, mientras que las columnas van de 60 a 65 cm de ancho, con largos que van de 100 a 120 cm. En los niveles de oficinas, 4 trabes por nivel tienen reducciones abruptas de peralte que debieron realizarse para permitir el paso de los ductos de aire acondicionado, estos pasos provocan que las trabes sean de 50 cm de peralte en longitudes de hasta 177 cm ubicadas al centro de los claros. La cimentación está formada por un cajón cuyo peralte se desconoce, complementado con 39 pilotes de 45x45 cm de acuerdo con el documento arriba referido. Medición de desplomos y hundimientos diferenciales Los plomos se midieron hasta el nivel de piso del Pent-House, por lo que la altura a considerar es de 52.8 metros. De acuerdo con las NTC de Cimentaciones, los límites permitidos para desplomes , emersiones o hundimientos son los siguientes:

a) Movimientos verticales (hundimiento o emersión) En las zonas II y III: b) Inclinación media de la construcción.

Inclinación visible: 100/(100+3hc) por ciento hc = altura de la construcción en m. hc = 52.80 m 100/(100+3hc) = 100/(100+3*52.80) = 0.387%

c) Deformaciones diferenciales en la propia estructura y sus vecinas. Tipo de estructura: Marcos de concreto Relación entre el asentamiento diferencial entre apoyos y el claro Límite = 0.004 Las mediciones de desniveles obtenidas no representan tendencias de hundimientos consistentes ya que difieren entre niveles consecutivos, por lo que se tomará una medición que se considera representativa para todo el edificio.

Hundimiento diferencial medido entre dos puntos interiores del edificio:

δv / L = 1.8 / 805 = 0.0022 Desplomo máximo de los medidos en las esquinas:

δh / L = 4.5 / 5280 = 0.00085 = 0.08% Partiendo de que la estructura es de marcos de concreto, las distorsiones máximas medidas se hallan por debajo de los límites establecidos por el R.C.D.F. y sus N.T.C. para Diseño y Construcción de Cimentaciones. Inspección estructural Se realizó una serie de visitas para determinar las condiciones físicas en que se encuentra la estructura, de estas se pueden enumerar las siguientes observaciones.

a) Se aprecia un ligero emergimiento relativo del edificio con relación a la banqueta general del orden de 20 cm.

b) Se aprecian fisuramientos en trabes como consecuencia de esfuerzos de flexión y cortante. c) No se aprecian roturas de vidrios, ni descuadre de ventanas o puertas. d) Las columnas no presentan fisuras o daños.

e) Los sistemas de piso presentan en general un buen aspecto, salvo algunas bovedillas quebradas, aparentemente las roturas no son recientes.

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Figura 4a. Fisuras en trabes inyectadas Figura 4b. Fisuras en trabes inyectadas con resina epóxica. con resina epóxica.

Muestreo de la resistencia del concreto con esclerómetro Como resultado del muestreo se obtuvieron resistencias del concreto entre 350 y 420 kg/cm2, tanto para trabes como para columnas y muros. Calas en trabes, columnas y muros de concreto reforzado Como resultado de estas calas se encontró que las cuantías de acero de refuerzo longitudinal en trabes va de un 0.284% a un 0.507% y los estribos del #3 con separaciones que van de los 10, 15, 20 y hasta 25 cm. En el caso de las columnas, la cuantía de acero vertical va del 1% al 1.7% y estribos del #3 con separaciones que van de los 10 hasta los 30 cm. Los muros de concreto presentan armados en general con varillas del #3@25 y @35 cm en ambas direcciones, sólo se hicieron calas para el acero de la cara interior, por lo que se asume que el mismo armado se tiene en la cara exterior.

Figura 5a. Cala en columna Figura 5b. Cala en trabe

Medición de las propiedades dinámicas de la estructura y del suelo Como resultado de estas mediciones se obtuvieron las características dinámicas presentadas en la tabla 1.


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Tabla 1. Resultados del estudio de sitio

Características dinámicas del terreno

Ts= 0.97 [s]

Características dinámicas de la estructura

Dirección transversal 2.17 [s]

Dirección longitudinal 1.23 [s]

Modo rotacional 0.87 [s]

Como se puede observar, las características dinámicas del terreno han cambiado desde los datos publicados en las NTC de sismo del 2004 a la fecha, bajando de aproximadamente 1.3 a 0.97 [s]. Sismos de diseño Adicionalmente, a partir del estudio de sitio se obtuvo la recomendación de un espectro de sitio, de acuerdo con la normativa vigente el cual se presenta en la figura 6.

Para estimar las demandas sísmicas que podrían esperarse en el edificio, se generaron sismogramas sintéticos para la zona de terreno firme de la Ciudad de México a partir de los cuales se generó la respuesta superficial del estrato donde se encuentra desplantado el edificio. Se consideraron tres fuentes sismogénicas: de falla normal, de subducción y de falla local. La respuesta superficial del sitio en estudio se obtuvo mediante un análisis de propagación de ondas generándose así una familia de sismogramas sintéticos en el sitio con diferentes orígenes y magnitudes, de esta manera se pudo tener un panorama de las posibles demandas sísmicas que podrían esperarse en el edificio.

Figura 6. Espectros de respuesta con amortiguamiento estructural del 5%, para el terremoto de 19/09/85 (Mw=8.1) y los sintéticos obtenidos

y su comparación con los espectros de diseño del Reglamento de Construcciones del DF (2004) con línea de color rojo, y una

propuesta de espectro de sitio para el predio (línea continua en color verde).

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Como se puede observar de la tabla 1 y la figura 6, en la dirección transversal, el periodo de 2.17 [s] se ubica en la rama descendente del espectro de sitio, mientras que en la dirección longitudinal el periodo de 1.23 [s] y el periodo rotacional de 0.87 [s] coinciden sensiblemente con los picos para el sismo de subducción. Esto puede explicar al menos en parte la gran cantidad de fisuras observadas en las trabes del edificio. ANÁLISIS Y REVISIÓN DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD ESTRUCTURAL Para realizar el análisis estructural de la construcción existente y con objeto de reducir el margen de error al ejecutar estos trabajos, se desarrollaron modelos matemáticos en los programas RCB y ETABS por dos ingenieros distintos, obteniéndose los resultados mostrados en la tabla 2.

Figura 7a. Modelo en RCB Figura 7b. Modelo en ETABS

Tabla 2. Resultados de los modelos Características dinámicas de la estructura



Las diferencias entre los periodos calculados respecto de los medidos, van del 1.4% al 7.8%, por lo que se consideran representativos del inmueble y con ellos se obtienen las fuerzas cortantes de diseño.

Peso para análisis sísmico: W Sismico = 7,227.19 ton.

Obtención de los cortantes sísmicos de diseño:

Cortantes obtenidos del análisis modal espectral.

V Din Longitudinal (X) = 1,255.85 ton. V Din Transversal (Y) = 607.66 ton.

Cortantes de diseño (0.8 a W / Q´):

V Min Longitudinal (X) = 1,445.44 ton. V Min Transversal (Y) = 584.81 ton.


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Cortante basal mínimo: V Diseño > ao W ao = 0.10 V Diseño > 0.10 * 7,227.19 = 723.0 ton

Por lo que los cortantes de diseño serán: V Longitudinal (X) = 1,445.44 ton. V Transversal (Y) = 723.0 ton.

Las distorsiones de entrepiso resultan de:

∆ Longitudinal = 0.0078 > 0.006 (*)

∆ Transversal = 0.010 < 0.012

(*) Límite con muros de mampostería ligados a la estructura principal. Por lo tanto, las deformaciones calculadas para la dirección longitudinal del edificio son 30% superiores a los límites establecidos por las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo, mientras que en la dirección transversal, las deformaciones resultan adecuadas. La revisión de la resistencia de los diferentes elementos estructurales de concreto y de mampostería, se realizó siguiendo los criterios de las Normas Técnicas Complementarias respectivas, llegando a las siguientes conclusiones:

a) Los muros de concreto reforzado en la planta baja, presentan una deficiencia de hasta un 30% en el acero requerido por cortante.

b) Las columnas presentan deficiencias de hasta un 80% en el acero de refuerzo vertical. c) Las trabes presentan deficiencias de hasta un 100% en el acero de refuerzo longitudinal.

d) Los muros de mampostería presentan deficiencias en la resistencia a cortante de hasta más del 200%

e) Los esfuerzos en la cimentación exceden hasta en más del 80% la capacidad de la misma Por lo tanto se requirió desarrollar un proyecto de rehabilitación estructural. PROPUESTAS DE REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL Aumento de resistencia y rigidez mediante encamisado de concreto o metálico De acuerdo con los antecedentes de este tipo de casos, buscar que la estructura existente cumpla la normativa, obliga a aumentar de manera significativa las secciones de al menos una parte de la estructura, ya sea que se resuelva con macro-marcos o con un refuerzo generalizado, lo que conlleva a un significativo aumento en la rigidez del edificio y en consecuencia en las descargas a la cimentación, obligando a una re-cimentación. De acuerdo con las estimaciones de este caso, este tipo de rehabilitación tendría un costo del orden de entre $4,000.00 y $5,500.00/m2, incluyendo los costos de la re-cimentación. Eliminación de pisos Al analizar esta opción, se encontró que para que la estructura existente pudiera ser adecuada para cumplir la normativa vigente, se requiere eliminar 6 pisos, debido a que al reducir la altura se reduce también el periodo, lo que hace crítico el sismo en dirección transversal, ya que aumenta significativamente la ordenada espectral, esta opción reduce de manera significativa la rentabilidad del inmueble, por lo que fue rechazada por el propietario.

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Aumento del amortiguamiento y desacoplamiento del 66% de los muros de mampostería Al implementar un sistema a base de amortiguadores viscosos no lineales se tiene la ventaja de no aumentar significativamente la rigidez y en consecuencia las fuerzas en la cimentación ya que el máximo trabajo de los amortiguadores se daría con la ocurrencia de los desplazamientos mínimos de los entrepisos y viceversa.

Figura 8: Efectos del aumento del porcentaje de amortiguamiento, ξξξξ, sobre el espectro de diseño sísmico de las edificaciones.

Se plantea un amortiguamiento objetivo de un 25% del crítico, para lo cual se desarrolla la propuesta con 76 amortiguadores de 60 y 80 [T] de capacidad, distribuidos en ambas direcciones.

Figura 9a. Amortiguador viscoso Figura 9b. Arreglo propuesto No lineal

El desacoplamiento de los muros de mampostería con los marcos, genera un aumento en el periodo asociado al primer modo de vibrar del edificio en dirección longitudinal, lo que tiene como consecuencia eliminar los efectos de resonancia que hoy en día se presentan. Los resultados de estas modificaciones se presentan en la tabla 3.


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Tabla 3. Resultados con la rehabilitación

Características dinámicas de la estructura



Modo rotacional 1.28 [s]

Como se puede observar el periodo en la dirección longitudinal se aleja de los picos en los espectros de respuesta. Las distorsiones de entrepiso calculadas con este sistema se reducen hasta un valor máximo de 0.004 en ambas direcciones. Dado que se trata de uno de los primeros casos en los que se usan estos dispositivos en un proceso de rehabilitación en México, se decidió aumentar el confinamiento de algunas trabes y columnas que estarán en contacto con las diagonales de los amortiguadores. En la figura 10 se presentan las gráficas de las energías de entrada, disipada por los amortiguadores y la disipada por la estructura (modal).

Figura 10: Energía desarrollada en la estructura

Esta opción se presupuesta en aproximadamente $2,250.00/m2, esta inversión puede recuperarse en aproximadamente 14 meses, sin contar con que se logre una reducción en las primas de seguros y un aumento en las rentas derivado del aumento en el confort y la seguridad misma.

CONCLUSIÓN

Derivado de la aplicación de los sistemas combinados de disipación de energía, en este caso de dispositivos del tipo viscoso con comportamiento no lineal y, de la flexibilización de la estructura, se logra reducir el costo y tiempo para la rehabilitación estructural de un edificio de 16 niveles, comparado contra los sistemas tradicionales que implican el aumento de rigidez en la estructura.

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