comparaciÓn de tres tÉcnicas de rehabilitaciÓn para ... · técnicas de rehabilitación elimina...

DEL 5 AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 2018, CDMX

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA SÍSMICA A. C.

COMPARACIÓN DE TRES TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN PARA

EDIFICIOS CON PLANTA BAJA DÉBIL

Marco A. Santos Santiago (1), Sonia E. Ruiz Gómez (1) y René Jiménez Jordán (1)

1Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Interior s/n, Ciudad Universitaria, Delegación

Coyoacán, México, C.P. 0.4510 [email protected]; [email protected]; [email protected]

RESUMEN

Se comparan respuestas de edificios con planta baja débil (PBD) rehabilitados con: 1) encamisado de concreto

reforzado, 2) colocación de contravientos de ductilidad baja, y 3) colocación de contravientos restringidos al pandeo.

Los edificios tienen características similares a los que colapsaron durante el sismo 19/S17. Se realizan análisis

dinámicos no-lineales usando ocho movimientos registrados durante el evento 19/S17. Se hace ver que cada una de las

técnicas de rehabilitación elimina el comportamiento de PBD y, ante intensidades mayores a las intensidades de diseño,

la falla se traslada al segundo entrepiso. Se mencionan algunas ventajas y desventajas de cada una de las soluciones.

ABSTRACT

Structural response of buildings with soft first story, rehabilitated with different techniques: 1) jacketing of columns

with reinforced concrete, 2) addition of ordinary concentrically braces frames, and 3) addition of buckling restrained

braces, are compared. The structures have characteristics similar to those of the buildings collapsed during the 19/S17

Mexican earthquake. They are subjected to seismic ground motions recorded during the 19/S17 event. The results

show that the 3 retrofit techniques eliminate the first soft story behavior and, for seismic intensities higher than those

of design level, the collapse occurs at the second story. Some advantages and disadvantages of each solution are

mentioned.

INTRODUCCIÓN

Durante el sismo del 19 de septiembre de 2017 (19/S17) el porcentaje de edificios colapsados en la CDMX con piso

bajo débil (PBD) fue alrededor de 35%, según un estudio breve realizado por los autores. Este alto porcentaje llama la

atención y conduce a la necesidad de estudiar el comportamiento de edificios con este tipo de estructuración, así como

de revisar la seguridad de los edificios de este tipo que, aunque no fallaron durante el sismo, es necesario evaluar y, en

su caso, rehabilitar con el fin de que cuenten con adecuada confiabilidad estructural y se garantice su buen

comportamiento en futuros eventos sísmicos. En los años recientes, ciudades como Los Ángeles y San Francisco, USA,

han implementado programas obligatorios de rehabilitación para las estructuras más vulnerables que son propensas a

desarrollar comportamiento de PBD ante sismos significativos. Por otro lado, las NTC de Rehabilitación (2017) de la

CDMX exige la rehabilitación de edificios con PBD únicamente si sufrieron algún tipo de daño durante el temblor

19/S17.

En México se han realizado estudios sobre edificios con PBD en donde se considera la influencia de movimientos

sísmicos que son de banda estrecha, como los que ocurren en la zona de terreno blando de la ciudad de México. Estos

presentan contribuciones importantes para entender el fenómeno y sensibilizarse de las variables que son significativas

mailto:[email protected]





para el problema; sin embargo, se han dedicado pocos esfuerzos a entender el comportamiento detallado de sistemas

con PBD, después de ser rehabilitados. Recientemente, Ruiz, et al (2018) realizaron un análisis comparativo de dos

técnicas de rehabilitación en donde demuestran que una técnica de rehabilitación innovadora puede presentar una

confiabilidad similar a la de un sistema rehabilitado de manera tradicional. En el presente trabajo se realiza una

comparación de la respuesta estructural (perfil de desplazamientos de entrepiso) correspondientes a edificios con PBD

rehabilitados con tres diferentes técnicas. La respuesta se obtiene mediante análisis no lineales paso a paso. Se utilizan

ocho movimientos sísmicos registrados en terreno intermedio de la CDMX, durante el evento 19/S17.

CASOS DE ESTUDIO

Se estudia un edificio de cinco niveles con propiedades y dimensiones similares a los colapsados en el sismo de 19/S17.

El edificio se caracteriza por un cambio de rigidez lateral del entrepiso 1 (PB) al entrepiso 2. Las figuras 1 y 2 muestran

la geometría en planta y elevación, respectivamente. Las dimensiones iniciales del sistema estructural se estimaron a

partir de un pre-diseño de acuerdo con las especificaciones de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por

Sismo (NTC-S2004), para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto (NTC-C2004), y de Mampostería (NTC-

M2004). Los modelos de análisis y diseño corresponde a elementos tipo barra para vigas y columnas; para muros se

utiliza el método de la columna ancha (Pérez-Gavilán, et al, 2015). El espectro que se usa es el correspondiente a la

zona IIIa, según el cuerpo principal de las NTC-Sismo-04. Las dimensiones y periodos de vibrar de la estructura se

muestran en la tabla 3.

a) Planta baja (PB) b) Primer nivel

Figura 1 Distribución de elementos estructurales en planta

Tabla 1. Dimensiones de los elementos estructurales

Elemento Dimensiones (m) Nivel

Columnas

PB

0.30 x 0.30 PB-N1

Vigas PB 0.30 x 0.70 N1

Vigas

niveles

superiores

0.12x0.30

N2-N5

Muros de

mampostería

0.12x( 1.5 a 3.5) N2-N5

Figura 2. Distribución de elementos estructurales en altura



A partir del modelo antes mencionado, se generaron los siguientes cuatro casos de estudio:

1. Caso ES-1. Corresponde al edificio inicial que no ha sido rehabilitado, y se clasifica como edificio con planta

baja débil, según las condiciones de regularidad que se especifican en las NTC-S17.

En los siguientes casos se utilizan diferentes técnicas de rehabilitación en la planta baja. En los tres casos se

rehabilitan los muros de mampostería de la dirección X de los entrepisos 2 y 3 mediante encamisados de malla

electrosoldada de acuerdo con lo indicado en las NTC-Mamposteria-17. Esto último tiene el objetivo de alcanzar

distorsiones de entrepiso cercanas a 0.01 ante el sismo de diseño.

2. Caso ES-2. Corresponde al caso ES-1 después de ser rehabilitado usando la técnica de encamisado de

columnas con concreto reforzado, y diseñado de acuerdo con las NTC-S17 y las NTC-C17. Las dimensiones

de los encamisados se muestran en la primera columna de la tabla 2. La resistencia de las columnas está

dominada por el requisito de columna fuerte – viga débil.

3. Caso ES-3. Corresponde al caso ES-1 después de ser rehabilitado usando contravientos concéntricos de

ductilidad baja en el primer entrepiso y diseñados de acuerdo con NTC-S17 y las NTC-Acero17. Las figuras

3a y 3b muestran la ubicación en planta y elevación de los contravientos, respectivamente. La segunda

columna de la tabla 2 muestra las dimensiones de las diagonales. Las dimensiones de contravientos quedan

determinadas por los requisitos mínimos de relación de esbeltez y relaciones ancho/espesor.

4. Caso ES-4. Corresponde al caso ES-1 después de ser rehabilitado usando contravientos restringidos al pandeo,

y diseñado bajo las siguientes consideraciones:

Del primero al quinto nivel los muros de mampostería se revisan con un factor de comportamiento

Q = 2, y un límite de distorsión máxima igual a 0.01.

El sistema de contravientos restringidos al pandeo se diseña con un factor de comportamiento

sísmico Q = 4; los marcos de la planta baja se revisan para que sean capaces de tomar por lo menos

el 30% del cortante calculado con fuerzas reducidas, y el límite de distorsiones del primer entrepiso

(PB) se toma igual a 0.015, para limitar los desplazamientos de los marcos de concreto existentes.

En la figura 3a se muestra la ubicación en planta de los CRP, y la figura 3b presenta su configuración

en elevación. En la tercera columna de la tabla 2 se muestran el área del núcleo obtenida para los

CRP.

3.a. Ubicación de los contravientos en planta

3.b. Configuración de la planta baja en elevación

Figura 3. Ubicación de contravientos para el caso ES-3 y ES-4

Los espectros de diseño utilizados para los casos ES-2, ES-3 y ES-4 se muestran en la figura 4. Los modelos para el

diseño se realizaron en ETABS 16.2.0. Los primeros tres modos de vibrar de cada caso se muestran en la tabla 3.



Tabla 2. Dimensiones de los elementos estructurales

Tabla 3. Periodos de vibración (s)

Caso

ES-1 ES-2 ES-3 ES-4

Per

iodo

T1 0.426 0.311 0.305 0.372

T2 0.140 0.113 0.106 0.128

T3 0.059 0.057 0.052 0.054

Figura 4. Espectros de diseño

MODELACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS Y SELECCIÓN DE MOVIMIENTOS

Los análisis dinámicos no-lineales se realizaron con el programa Ruaumoko 3D (Carr, 2000). Para ello, se generó un

modelo tridimensional de elementos tipo barra para vigas y columnas, los muros se modelaron con elementos tipo

“resorte”; en ambos casos se utilizaron modelos de plasticidad concentrada, para representar el comportamiento no

lineal. Las principales consideraciones para el modelado no-lineal son las siguientes: en las columnas se consideró la

interacción de la carga axial con la flexión en dos direcciones; en las vigas se consideró la flexión en el eje principal;

en ambos casos se utilizó el modelo de Takeda modificado. El comportamiento no lineal en los muros de mampostería

se localizó al centro de las columnas anchas con una falla predominante en cortante; para el modelado de la degradación

de su rigidez y su resistencia se utilizó un modelo tri-lineal el cual se calibró usando información de pruebas cíclicas

realizadas en México (Flores y Alcocer, 1996).

Para el caso ES-3, se utilizó el modelo de Remennikov (Remennikov y Walpole, 1997) para representar el

comportamiento cíclico de los contravientos concéntricos. Para el caso ES-4 se utilizó un modelo bilineal con pendiente

post-elástica positiva igual a 4%, para representar el comportamiento inelástico del CRP.

Los movimientos seleccionados corresponden a ocho movimientos del suelo registrados el 19/S17 en terreno de

transición de la CDMX, con un periodo dominante cercano a 1.0 s. En la tabla 4 se indican los datos de las estaciones

que registraron el movimiento y la aceleración máxima del suelo registrada (Amáx). Los acelerogramas fueron

recortados en un intervalo del 5 al 95% de la intensidad de Arias. Se filtraron las frecuencias menores de 0.1 Hz, y

mayores a 10 Hz. Las señales se escalaron con la medida de intensidad basada en el promedio de las ordenadas

espectrales Saprom (Baker y Cornell, 2006) en un intervalo de promediación entre 0.2Te y 1.3Te (de acuerdo con la

especificación de las NTC-S17), donde Te es el periodo fundamental de la estructura. La intensidad promedio

correspondiente al espectro de diseño elástico de la figura 4 es 0.46g, para un periodo fundamental de la estructura de

0.42 s. Se pone como condición que los tres casos de rehabilitación deben alcanzar esta intensidad, sin exceder los

límites de distorsión indicados en las tablas 4.2.1 y 4.2.3 de las NTC-S17.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

Sa/

g

T (s)

Elástico

E. Diseño ES-2

y ES-3E. Diseño ES-4

Caso ES-2 Caso ES-3 Caso ES-4

Columnas 45 x 45 de PB-N1

Contravientos perfil HSS

150x150x9.5mm de PB-N1

4 contravientos restringidos al

pandeo con A=8 cm2 de PB-N1



Tabla 4. Características de los movimientos sísmicos Movimiento Estación Componente Amáx (g)

1 ES57 S00E 0.066

2 ES57 N90W 0.073

3 SI53 S00E 0.133

4 SI53 N90W 0.182

5 JC54 N00E 0.269

6 CH84 N00E 0.144

7 LEAC N00E 0.155

8 LEAC N90W 0.155

RESULTADOS

Los resultados se expresan en términos de perfiles de distorsión máxima de entrepiso, obtenidas de los análisis paso a

paso para los movimientos de la tabla 4, escalados a intensidades en un intervalo entre Saprom=0.1 y 0.8g, con

incrementos de 0.01g. Más adelante se muestran algunos resultados correspondientes a ciertas intensidades de interés.

Las figuras 5a, b y c muestran los perfiles de distorsión de entrepiso del caso ES-1 para tres intensidades diferentes,

0.20g, 0.34g y 0.4g, respectivamente. En ellas se muestran con línea continua el resultado de cada uno de los análisis

paso a paso, y en línea discontinua roja el promedio de los 8 análisis. Los resultados de la figura 5a muestran que a

intensidades bajas (0.3g) las mayores distorsiones de entrepiso se localizan en la planta baja y en los pisos superiores

las distorsiones son menores a 0.1%; por otro lado, la figura 5b muestra que a una intensidad de 0.34g se alcanza, en

la planta baja, la distorsión máxima permisible indicada en las NTC-S17, para este caso el edificio alcanza las

distorsiones máximas a una intensidad 35% menor a la intensidad de diseño. Nótese que los pisos superiores mantienen

distorsiones cercanas al 0.1%, es decir, no presentan comportamiento inelástico y la mayor demanda desplazamiento

se localiza en la planta baja. Finalmente, en la figura 5c se puede ver que la distorsión de planta baja es 2.7 veces más

grande al límite máximo indicado en las NTC-S17, con un incremento de intensidad alrededor del 17%.

Figura 5. Distorsiones de entrepiso del Caso ES-1, para tres valores de intensidad

En las figuras 6, 7 y 8 se muestran las distorsiones máximas de entrepisos para los tres edificios rehabilitados (ES-2,

ES-3 y ES-4), y para tres valores de intensidad, 0.3g, 0.5g y 0.55g, respectivamente.

Comparando los perfiles de distorsión de la figura 7 con la figura 5a, se puede ver que en los tres casos rehabilitados

para la misma intensidad (0.3g) la distorsión de entrepiso de la planta baja se reduce en más de un 100% para los tres

casos. También se observa que en los casos ES-2 y ES-3 la distorsión se distribuye de forma uniforme en todos los

0

1

2

3

4

5

0.000 0.020Distorsión

a) 0.30g

0

1

2

3

4

5

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020Distorsión

b) 0.34g

0

1

2

3

4

5

0.000 0.025 0.050 0.075Distorsión, adm

c) 0.40g



entrepisos. Para el caso ES-4 también se reduce la distorsión de entrepiso de la planta baja respecto al caso ES-1 de la

figura 5a; sin embargo, se siguen manteniendo las mayores deformaciones en planta baja. En la figura 7c se puede ver

que para esta intensidad el CRP desarrolla una ductilidad local máxima de 1.5; más adelante se mencionan las ventajas

de tener un comportamiento inelástico en el CRP.

La figura 8 muestra el perfil de distorsión de los tres casos de estudio para una intensidad de 0.5g. En las figuras 8b y

8c se puede ver que en la planta baja las distorsiones de entrepiso se mantienen por debajo 0.5%; sin embargo, las

mayores distorsiones se concentran en el segundo entrepiso y tienen valores cercanos al 1%. Esto último indica que a

una intensidad de 0.5g la mayor deformación inelástica se concentra en los muros de mampostería, y que están cercanas

a las máximas deformaciones que pueden experimentar estos muros de acuerdo con las NTC-M17. Por otro lado, se

observa que para el caso ES-2 (ver figura 8a) la distorsión de todos los entrepisos se mantiene por debajo de 0.3%.

Figura 7. Perfil de distorsiones para Sa/g = 0.30; ciclo histerético en t y m

Figura 8. Perfil de distorsiones para Sa/g = 0.50; ciclo histerético en t y m.

Finalmente, la figura 9a muestra el perfil de distorsiones para el caso ES-2 correspondiente a una intensidad de 0.55g.

En ella se puede ver que a esta intensidad se alcanza una distorsión del 1% en el segundo entrepiso mientras que en

los casos ES-3 y ES-4 las distorsiones se han excedido en más del 50%.

0

1

2

3

4

5

0.002 0.004

Distorsión

(a) Caso ES-2

0

1

2

3

4

5

0.000 0.002 0.004 0.006

Distorsión

(c) Caso ES-4

0

1

2

3

4

5

0.003 0.006 0.009

Distorsión

(a) Caso ES-2

0

1

2

3

4

5

0.000 0.005 0.010 0.015

Distorsión

(c) Caso ES-4

-30

30

-0.02 0.02

-30

30

-0.02 0.02

0

1

2

3

4

5

0.002 0.004

Distorsión

(b) Caso ES-3

-70

70

-0.004 0.004

0

1

2

3

4

5

0.005 0.010 0.015

Distorsión

(b) Caso ES-3

-90

90

-0.005 0.005



Figura 9. Perfil de distorsiones para Sa/g = 0.55; ciclo histerético en t y m.

Comentarios finales

Los análisis paso a paso muestran que las distorsiones de diseño para el caso ES-2 se alcanzan a intensidades 10% más

altas que para los casos ES-3 y ES-4. Esto muestra que el encamisado de columnas con concreto reforzado en términos

de comportamiento estructural es una solución factible; sin embargo, es la técnica de rehabilitación que implica la

mayor intervención a la estructura ya que se tienen que reforzar un total de 24 columnas. Por otra parte, las técnicas

ES-3 y ES-4 resultan más apropiadas ya que concentran el trabajo de rehabilitación en las zonas extremas del edificio,

y únicamente se requieren intervenir ocho columnas. Por otro lado, los contravientos concéntricos del caso ES-3 (figura

9b) se mantienen en el intervalo de comportamiento elástico y concentran una descarga puntual que es tres veces mayor

que el correspondiente al caso ES-4, lo que implica una mayor intervención a la cimentación. A partir de lo anterior se

concluye que para el caso en estudio la solución ES-4 es la mejor, en términos de comportamiento estructural e

intervención a la estructura.

CONCLUSIONES

Se analizó la respuesta estructural de un edificio con PBD rehabilitado con las siguientes técnicas alternativas: 1)

encamisado de columnas con concreto reforzado (ES-2); 2) colocación de contravientos concéntricos de ductilidad

baja (ES-3); y 3) colocación de contravientos restringidos al pandeo (ES-4).

Los tres sistemas rehabilitados alcanzan las distorsiones de diseño a una intensidad de por lo menos 47% más grande

que el edificio original con PBD. Mediante análisis dinámicos no lineales se determinó que los tres casos de estudio

desarrollan distorsiones menores a las indicadas en la normatividad vigente, para la intensidad sísmica de diseño. Los

casos ES-3 y ES-4 son capaces de soportar intensidades 8% mayores a la intensidad de diseño, y el caso ES-2, hasta

19%. A pesar que las NTC-R17 sugieren realizar un cambio drástico en la estructuración de la planta baja, como la

inclusión de muros o diagonales, en este trabajo se demuestra que el encamisado de concreto reforzado muestra un

adecuado comportamiento estructural, aunque existen desventajas de tipo operativo que pueden repercutir en los costos

totales.

En los tres edificios rehabilitados se eliminó el comportamiento de PBD y, para intensidades mayores a las de diseño,

la mayor demanda de distorsión se traslada al segundo entrepiso. Para los casos estudiados, la mejor opción de

0

1

2

3

4

5

0.01 0.02 0.03 0.04

Distorsión

(a) Caso ES-2

0

1

2

3

4

5

0.01 0.02 0.03 0.04

Distorsión

(c) Caso ES-4

-30

30

-0.02 0.02

0

1

2

3

4

5

0.01 0.02 0.03 0.04Distorsión

(b) Caso ES-3

-90

90

-0.005 0.005



rehabilitación, en cuanto a respuesta estructural e intervención a la estructura, es el que utiliza contravientos

restringidos al pandeo.

AGRADECIMIENTOS

El presente estudio se realizó con apoyo de la DGAPA-UNAM (PAPIIT IN103517). Los autores primero y tercero

agradecen al CONACyT el apoyo económico brindado durante sus estudios de posgrado. Se agradece al CIRES el

facilitar los acelerogramas utilizados en este estudio.

REFERENCIAS

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Engineering.

Espinoza, E., Terán, A., Zúñiga, O. y Jean, R. (2014) Consideraciones para el diseño sísmico de edificios altos de

mampostería confinada ubicados en zonas sísmicas, Revista de Ingeniería Sísmica, 90, 88-109.

Flores, L. and Alcocer, S. (1996). Calculated response of confined masonry structures. Eleventh World Conference on

Earthquake Engineering. Paper No. 1830.

Gobierno de la Ciudad de México (2017). Normas para la rehabilitación sísmica de edificios de concreto dañados por

el sismo del 19 de septiembre de 2017. Gaceta oficial de la Ciudad de México, No 211 Bis

Gobierno del Distrito Federal (2004). Reglamento de construcciones para el Distrito Federal y sus normas técnicas

complementarias”, Gaceta Oficial del Distrito Federal.

Gobierno de la Ciudad de México (2017). Normas técnicas complementarias, Gaceta Oficial de la Ciudad de México.

No. 220 Bis

Los Angeles City, Department of Buildings and Safety (2017). Soft-story retrofit program, ordinance #183893, Los

Ángeles Municipal Code. http://www.ladbs.org/services/core-services/plan-check-permit/plan-check-permit-special-

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Pérez-Gavilán, J. J. (editor) (2015). Guía de análisis de estructuras de mampostería, Sociedad Mexicana de Ingeniería

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Ruiz Gómez, S. E., Jiménez Jordán, R., Santos Santiago, M. A. y Orellana Ojeda, M. (2018). Evaluación de la

fragilidad de dos soluciones de rehabilitación para un edificio típico con planta baja débil dañado durante el sismo

19/S17. Sometido a posible publicación en la Revista de Ingeniería Sísmica, SMIS.

San Francisco City, Department of Building Inspection (2013). The mandatory soft Story retrofit program. Earthquake

Safety Implementation Program

http://www.ladbs.org/services/core-services/plan-check-permit/plan-check-permit-special-assistance/mandatory-retrofit-programs/soft-story-retrofit-program

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