vulnerabilidad sismica de colegio

Universidad de Concepcin

Departamento de Ingeniera Civil

Asociacin Chilena de Sismologa e

Ingeniera Antissmica

NA04-08. EVALUACIN DE LA VULNERAVILIDAD SSMICA DE UN EDIFICIO EDUCACIONAL

Palencia, J.C. Agera, N. Frau, C. Tornello, M. (1)

1.- Centro Regional de Desarrollos Tecnolgicos para la Construccin, Sismologa e Ingeniera Ssmica (CeReDeTec).Facultad Regional Mendoza (FRM). UTN. ARGENTINA. e-mail: [email protected]

RESUMEN

Las Provincias de Mendoza y San Juan, constituyen el emplazamiento urbano socio-econmico ms importante del oeste Argentino. Estudios realizados sobre la sismicidad local y regional han demostrado el elevado peligro ssmico al que estn expuestas. A pesar de ello, los esfuerzos para optimizar la performance de las construcciones se ha centrado en mejorar los reglamentos vigentes y se han descuidado sistemticamente las construcciones que no cumplen con los requerimientos de las ltimas normativas, en especial los edificios educacionales de gran riesgo e impacto social debido al factor de ocupacin. El trabajo de investigacin presenta una evaluacin cualitativa y cuantitativa de la vulnerabilidad ssmica de un edificio destinado a la enseanza bsica y de los cuales existe un nmero importante en Mendoza. El estudio realizado muestra un alto grado de vulnerabilidad del edificio y por lo tanto un elevado riesgo para sus ocupantes. El trabajo sugiere algunas tcnicas para reducir la vulnerabilidad ssmica del edificio y de todos aquellos emplazados en Mendoza con similar tipologa estructural. Palabras Clave: Vulnerabilidad Ssmica. Riesgo Ssmico. Mitigacin del Riesgo Ssmico. 1. INTRODUCCIN El objetivo del trabajo es la evaluacin de la vulnerabilidad estructural de un edificio educacional de nivel primario, los mismos tienen un factor de ocupacin elevado con poblacin estudiantil menor de doce aos. En caso de un terremoto destructivo puede darse la necesidad de que los mismos sigan funcionando para

Congreso Chileno de Sismologa e Ingeniera Antissmica IX Jornadas, 16-19 de Noviembre de 2005, Concepcin - Chile

brindar asistencia a la poblacin, por ello se hace necesario evaluar la vulnerabilidad, con el objeto de obtener estimaciones precisas de los niveles de riesgo existentes. 2. DESCRIPCIN DE LA ESTRUCTURA DEL EDIFICIO EDUCACIONAL El edificio consta de una estructura de dos niveles, el entrepiso posee una losa de hormign armado y en el segundo nivel una cubierta metlica flexible. La tipologa estructural constituye un modelo tpico de construccin de estos edificios educacionales del Gran Mendoza. La Fig.1 muestra la configuracin estructural del edificio en estudio. En la direccin transversal, la estructura predominante, est compuesta por tabiques de hormign armado y muros de mampostera, en la direccin longitudinal la estructura predominante son prticos de hormign armado. Para realizar el anlisis se ha elegido la direccin longitudinal, debido a que se la considera desde el punto de vista de la rigidez como ms desfavorable.

5,50 m

9,60 m

38,35m

Figura 1. Configuracin estructural del edificio.


2.1 Tipologas Estructurales que Constituyen la Direccin Longitudinal del Edificio. La direccin analizada est constituida por tres planos estructurales de prticos sismorresistentes, ver Fig. 2, el plano estructural P1x tiene relleno parcial de mampostera, los planos estructurales P2x y P3x no tienen relleno de mampostera. Los prticos tienen 14 vanos espaciados cada 2,72m y la altura del primer nivel es de 2,75m.

Plano Estructural P1x



Figura 2. Representacin de los planos estructurales en la direccin longitudinal en estudio. 2.1.1 Datos del Edificio segn Documentacin Tcnica: Peso Total del Edificio (W) = 5390 kN Coeficiente de Cortante en la Base (Cs) = 0,13. Cdigo de Const. Antissmicas. (1970) Fuerza Ssmica Asociada a la direccin longitudinal (Fs) = 700 kN Hormign tipo H13 segn Reglamento CIRSOC 201 (1984) Acero tipo ADN 420/500 segn Reglamento CIRSOC 201 (1984) Mampostera de ladrillo macizo LCM con mortero clase 1 segn Cdigo de Const. Sismorresistentes (1987)


3. MTODO DEL NDICE DE VULNERABILIDAD. (Mtodo Italiano) El mtodo define un ndice de vulnerabilidad (I.V.) e identifica los parmetros ms importantes que controlan el dao en los edificios causados por un terremoto. El procedimiento califica diversos aspectos de los edificios tratando de distinguir las diferencias existentes en un mismo tipo de construccin o tipologa. Gruppo Nazionale per la Difesa dei Terremoti (1986) Algunas de las razones que se tuvieron en cuenta para elegir esta metodologa fueron: a) Est fundamentada en datos reales. b) Se puede aplicar en estudios urbanos. c) Se tiene la experiencia de haberse aplicado en diferentes ciudades de Italia con buenos resultados y como consecuencia se adopt oficialmente por un organismo gubernamental de proteccin civil (Gruppo Nazionale per la Difesa dei Terremoti, 1986). d) Se ha aplicado en Espaa en los sismos de Almera en 1993, 1994 y Murcia en 1999. El ndice de vulnerabilidad global de cada edificio se evala utilizando la Ec.1.

(1) =

=11

1.

iii WKVI

Si se sigue el procedimiento indicado por el mtodo (Tornello. M., 2002), y se lo aplica al edificio en estudio, se obtienen los resultados mostrados en la Tabla 1

Tabla 1. Valores de los coeficientes Ki, Wi e ndice de Vulnerabilidad para el Edificio en estudio.

PARMETRO CLASE Ki Wi Ki * Wi1- Organizacin del sistema resistente B 6 1 6 2- Calidad del sistema resistente B 6 0.5 3 3- Resistencia convencional C 22 1 22 4- Posicin edificio y cimentacin A 0 0.5 0 5- Losas A 0 1 0 6- Configuracin en planta B 3 0.5 1.5 7- Configuracin en elevacin B 3 1 3 8- Conexin elementos crticos C 6 0.75 4.5 9- Elementos de baja ductilidad C 6 1 6 10- Elementos no estructurales B 4 0.25 1 11- Estado de conservacin B 10 1 10 = 57


Referencias: Ki = Coeficiente de calificacin de la estructura de acuerdo a la clase de la estructura. Wi = Factor de peso o ponderacin de los parmetros en estudio. Clase: A = Comportamiento ptimo B = Comportamiento intermedio C = Comportamiento desfavorable El anlisis realizado concluye que el establecimiento educacional presenta un importante ndice de vulnerabilidad. El valor mximo del Mtodo del ndice de vulnerabilidad es de 90 puntos, y el valor encontrado es de 57 lo que representa el 63% del total de la escala. Por lo tanto el anlisis indica que ante la ocurrencia de un terremoto de diseo, la estructura presentar importantes daos de sus componentes estructurales y no estructurales. Por este motivo el edificio requiere una intervencin con objeto de reducir la vulnerabilidad del mismo. 4. MTODO CUANTITATIVO ESPECTRO DE CAPACIDAD El mtodo consiste en determinar el punto de desempeo de una estructura cuando se ve sometida a movimientos ssmicos de diferente intensidad. Se compara la capacidad para resistir fuerzas laterales con la demanda ssmica, representada por medio de un espectro de respuesta reducido. La representacin grfica hace posible una evaluacin visual de cmo podra comportarse la estructura cuando la misma se la somete a un determinado terremoto. (ATC 40, 1996) 4.1 Aplicacin del Mtodo del Espectro de Capacidad al Edificio Educacional en Estudio Se evala el desempeo ssmico estructural del edificio en estudio para el terremoto de diseo propuesto en el reglamento INPRES-CIRSOC 103 (1991). Es importante tener en cuenta que en este anlisis no se evala el desempeo de los elementos no estructurales ni los contenidos del edificio. Para obtener la curva de capacidad de la estructura se realiz un anlisis pushover utilizando el programa ETABS (2000). El anlisis requiere conocer las caractersticas seccionales de los elementos que constituyen la estructura principal en la direccin de estudio. Para determinar las caractersticas de resistencia y ductilidad de las secciones, es necesario definir las leyes constitutivas de los materiales empleados.


4.1.1 Acero Debido a las grandes deformaciones plsticas que los terremotos destructivos imponen a las estructuras, se evala la resistencia del acero en deformaciones mayores a la de fluencia para determinar la resistencia de los miembros bajo esas condiciones. El modelo utilizado es el propuesto por Park, R y Paulay, T. (1981) que considera el rango de endurecimiento por deformacin. El acero utilizado para la realizacin del anlisis es de dureza natural con tensin de fluencia de 420 MPa y tensin de rotura 500 MPa. 4.1.2. Hormign Confinado El confinamiento mediante acero transversal incrementa la resistencia a compresin del hormign y la deformacin especfica ltima. Para el presente estudio se adopta el modelo de Priestley, M. J. N y Park, R. (1992), el cual se caracteriza fundamentalmente por ser utilizable para cualquier forma seccional y para cualquier grado de confinamiento. 4.1.3 Determinacin de las Curvas Momento-Curvatura Para deducir las relaciones tericas momentocurvatura de las secciones de hormign armado, sometidas a flexin y carga axial, se adoptaron hiptesis de la teora de flexin y las leyes constitutivas de los materiales definidas anteriormente. Las curvas momento-curvatura utilizadas en la modelacin de la estructura fueron obtenidas mediante el programa Response2000 (2000). Por definicin la curvatura es la rotacin por unidad de longitud, por lo tanto se puede obtener la rotacin de un miembro sometido a flexin integrando las curvaturas a lo largo de la pieza. Para la realizacin del anlisis pushover, se introducen los parmetros de ductilidad seccional en valores de momentorotacin, como as los valores de corte-desplazamiento en el programa ETABS (2000). La curva de capacidad obtenida contempla no solo la rotulacin por flexin sino tambin las de corte. En las Tablas 2 y 3 se resumen las caractersticas de los elementos estructurales y los valores obtenidos de momento-rotacin y ductilidad seccional.


Tabla 2. Caractersticas de los elementos estructurales

Elemento Dimensiones Armadura Longitudinal Estribos

b/bx d/by cantidad dim. dim. separacin cm cm abajo/arriba mm mm cm

C1 20 40 8 12 4,2 15 C6 20 40 10 12 4,2 15

CU2 7 28 4 8 4,2 20 V11 40 23 3/3 12/12 4,2 15 A4 23 30 3/3 12/12 4,2 15

VU2 38 7 4/3 8/8 4,2 15 VU1 18 30 2/2 8/8 4,2 15 V13 18 47 2/2 12/12 4,2 15

Tabla 3. Valores de momento-rotacin y ductilidad seccional

Momento Rotacin Elemento Momento Rotacin Elemento (tm) rad/m

Ductilidad (tm) rad/m

Ductilidad

(1) 0,00 0,0000 0,00 0,0000 (2) 3,86 0,0000 0,22 0,0000 C1 (3) 4,17 0,0697

15,40 VU2 0,23 0,0236

5,90

0,00 0,0000 0,00 0,0000 4,79 0,0000 0,20 0,0000 C6 5,06 0,0578

13,82 CU2 0,21 0,0183

4,61

0,00 0,0000 0,00 0,0000 2,60 0,0000 2,37 0,0000 V11 2,99 0,0912

32,84 VU1 2,37 0,0745

22,55

0,00 0,0000 0,00 0,0000 3,52 0,0000 3,98 0,0000 A4 4,01 0,0754

29,79 V13 4,56 0,0608

32,62

Los valores de la Tabla 3 se determinaron en funcin de la relacin momento-curvatura, los diferentes puntos corresponden a: 1) Coordenadas del origen de la curva 2) Coordenadas del punto de fluencia equivalente 3) Coordenadas correspondientes al momento ltimo Los valores de rotacin se obtienen de integrar los diagramas de curvatura del elemento en estudio, segn se indica esquemticamente en la Fig. 3, extrada de Priestley, M. J. N y Park, R. (1992).


Figura 3. Relaciones de Momento, Curvatura y Desplazamiento para una columna.

Varios autores proponen diferentes expresiones para el clculo de la longitud plstica (lp), en el trabajo se utiliz la expresin propuesta por Park y Paulay (1981), que segn la Ec.2 es:

l lhp 05.05.0 += (2) El valor de la rotacin se obtiene con la Ec. 3: ( ) pymppp ll == (3) 4.1.4. Anlisis Pushover La curva de capacidad se obtuvo en funcin de los parmetros determinados (p, Mu, y Vu), con el programa ETABS (2000) y mediante un anlisis esttico no lineal del modelo se obtuvo la curva de capacidad. La ubicacin de las rtulas plsticas se realiza en funcin del diagrama de momentos flectores elstico lineal, las mismas se ubicaron en pie y cabeza de columnas y en los extremos de las vigas. Debido a la presencia de mampostera en el plano resistente P1x, que genera columnas cortas, se colocan rotulas en ambos extremos de las mismas. Se realiz un anlisis controlado por desplazamiento, en el cual se aplica la carga horizontal monotnica hasta producir el colapso. Del mismo se obtiene una curva que representa el corte basal respecto del desplazamiento horizontal del diafragma rgido correspondiente al primer nivel. En la Fig. 4 se representa la curva de capacidad obtenida para la estructura original.


Figura 4. Curva de Capacidad del Edificio en Estudio obtenida del Anlisis Pushover

En la Tabla 4 se resumen los principales parmetros dinmicos del edificio (perodo, factor de participacin modal y coeficiente de masa modal), utilizados para construir el espectro de capacidad.

Tabla 4. Propiedades dinmicas del edificio

Modo 1 Periodo T (s) 0,16

Factor de Participacin modal PF1 1 Coeficiente de masa modal 1 1

4.1.5. Determinacin del Punto de Desempeo Siguiendo los lineamientos propuestos en el Captulo 8 del ATC 40 (1996), se representa en la Fig. 5 el Espectro de Capacidad del edificio en estudio, se observa que el edificio no resiste la demanda ssmica impuesta por el espectro elstico de diseo del reglamento INPRES-CIRSOC 103 (1991). La baja capacidad est asociada principalmente a la falla por corte de casi la totalidad de las columnas cortas ubicadas en el plano resistente P1x (ver Fig. 2 y Fig. 6). El mismo agota su capacidad mucho antes que los designados como (P2x y P3x) ubicados en el mismo sentido de anlisis.


Figura 5. Espectro de Capacidad para el Edificio en Estudio

En la Fig. 6 se observa la rotulacin de la estructura original del edificio educacional.

Figura 6. Vista Espacial de la Estructura original y posicin de las rotulas.


5. REDUCCIN DE LA VULNERABILIDAD SSMICA ENCONTRADA El estudio realizado concluye que el edificio analizado requiere un refuerzo estructural, con el objeto de reducir su vulnerabilidad frente a terremotos esperados en la regin. Controlar la vulnerabilidad del edificio implica no solo reducir las prdidas econmicas sino adems salvaguardar las vidas de los ocupantes del edificio (alumnos, docentes, administrativos, etc.). Una posible de alternativa de refuerzo estructural para el edificio en estudio es la de disponer diagonales d seccin circular hueca, en forma de k invertida, ubicados en los prticos P1x y P3x. La Fig. 7 muestra la disposicin de los planos estructurales con los refuerzos propuestos.

5.1. Sigucapa de RefueDiagona

Curva d

iendo lcidad p propuestae acero dePlano Estructural P1x REFORZADO. rzo les

Plano Estructural P3x REFORZADO. de Refuerzo Diagonales

Figura 7. Representacin de los planos estructurales REFORZADOS.

e Capacidad

os lineamientos del captulo 8 del ATC 40 (1996), en la Fig. 8 se representan las curvas de ara la estructura original y para la estructura reforzada.


Figura 8. Curvas de Capacidad del Edificio original y reforzado obtenidas del Anlisis Pushover

En la Tabla 5 se resumen los principales parmetros dinmicos del edificio reforzado (perodo, factor de participacin modal y coeficiente de masa modal), utilizados para construir el espectro de capacidad.

Tabla 5. Propiedades dinmicas del edificio reforzado

Modo 1 Periodo T (s) 0,12

Factor de Participacin modal PF1 1 Coeficiente de masa modal 1 1

5.2. Determinacin del Punto de Desempeo Siguiendo los lineamientos propuestos en el Captulo 8 del ATC 40 (1996), se representa en la Fig.9, el Espectro de Capacidad para el edificio Reforzado.


Figura 9. Punto de Desempeo para el Edificio Reforzado

5.2.1. Resultados del Punto de Desempeo de la Estructura Reforzada

En la Tabla 6 se resumen los parmetros principales del punto de desempeo obtenido.

Tabla 6. Valores obtenidos para el punto de desempeo Pseudodesplazamiento Sd 0,478 cm

Pseudoaceleracin Sa 0,804 g Amortiguamiento Efectivo eff 13 %

Periodo del punto de desempeo Teff 0,15 seg Coeficiente de reduccin SRA 0,695 Coeficiente de reduccin SRV 0,766

En la Fig.10, se observa la rotulacin de la estructura para el punto de desempeo calculado (Sd = 0,478cm)


Figura 10. Vista Espacial de la Estructura con la posicin de las rotulas para el punto de desempeo obtenido.

6. CONCLUSIONES El edifico escolar no posee capacidad estructural para resistir los requerimientos del espectro de demanda del reglamento INPRES-CIRSOC 103 (1991). De acuerdo a los resultados obtenidos se cree necesario el estudio y el refuerzo estructural de todos los establecimientos educacionales emplazados en la provincia de Mendoza que responden a esta tipologa estructural analizada. La propuesta preliminar del refuerzo estructural planteado, si bien permite alcanzar un punto de desempeo, es necesario profundizar el diseo con el objeto de mejorar la capacidad de deformacin. Los valores de vulnerabilidad obtenidos por el mtodo del ndice de Vulnerabilidad se correlacionan con los valores del mtodo del Espectro de Capacidad para la estructura original. El mtodo del ndice de Vulnerabilidad es un procedimiento adecuado para una evaluacin cualitativa y rpida de la vulnerabilidad.


REFERENCIAS ATC (Report ATC 40). (1996). Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, 2 Volumes, Seismic Safety Commission, Redwood City. BENTZ, E.C. & COLLINS, M.P. (2000). Response 2000. Cdigo de Construcciones Antissmicas. Ministerio de Obras y Servicios Pblicos. Mendoza (1970). Cdigo de Construcciones Sismorresistentes para la Provincia de Mendoza. (1987). ETABS Non Linear. Extended 3D Analysis of Building Systems, Computers and structures. (2000). GRUPPO NAZIONALE DIFESA DEI TERREMOTI. C.N.R. (1986). Istruzioni per la compilazione e vulnerabilt ssmica degli edifici. Italia. PARK, R & PAULAY, T. (1981). Estructuras de concreto reforzado Mxico DF.: Limusa. PAULAY, T. & PRIESTLEY, M.N.J (1992). Seismic design of reinforced concrete and masonry building New York: John Wiley and Sons, Inc. Reglamento Cirsoc201. (1984). Proyecto, Clculo y Ejecucin de Estructuras de Hormign Armado y Pretensado. Argentina, INTI. Reglamento INPRES - CIRSOC 103 - Parte I, Construcciones en General. (1991). TORNELLO, Miguel E. (2002). Vulnerabilidad Ssmica de Edificios de Hormign Armado emplazados

en Zonas de Alto Riesgo Ssmico. Centro Regional de Desarrollos Tecnolgicos para la Construccin, Sismologa e Ingeniera Ssmica (CeReDeTeC). Facultad Regional Mendoza.

AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo brindado por las Autoridades de la Facultad Regional Mendoza de la Universidad Tecnolgica Nacional, en el desarrollo del proyecto EVALUACIN DE LA VULNERAVILIDAD SSMICA DE UN EDIFICIO EDUCACIONAL. La colaboracin brindada por los docentes, investigadores y becarios alumnos del CeReDeTec, por la discusin, crticas y apoyo recibido en la elaboracin del presente trabajo.

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