COMPORTAMIENTO SISMORRESISTENTE DE MUROS ESTRUCTURALES: EL CASO DEL TERREMOTO DE MAULE, CHILE, 27-02-2010. William Lobo Quintero, Profesor Titular Jubilado Activo Ad Honorem, Facultad de Ingeniera, ULA

1. Introduccin. La Ingeniera requiere de la revisin de los eventos ssmicos ocurridos, de la historia de la sismologa y de la sismorresistencia, para evolucionar hacia la prevencin, la mitigacin y la respuesta posible ante los prximos terremotos, los cuales seguramente acaecern. En esa perspectiva, la actividad ssmica de los eventos con baja probabilidad de excedencia o sismos ms fuertes, permite aprovechar su incidencia, para revisar y mejorar las prescripciones normativas, mtodos de anlisis, programas de clculo y diseo, detallados y procesos de construccin, inspeccin y mantenimiento de los sistemas estructurales. Entonces, reconociendo los efectos de los sismos en las construcciones, la experiencia nos dice que cada uno trae lecciones particulares, en funcin de sus caractersticas, de los efectos de sitio y de los sistemas constructivos utilizados. En cada pas, se conforma una experiencia particular y algunos de estos, existen programas de investigacin y de prevencin pertinentes, sobre los cuales se tiene el mayor inters. All cabe el desarrollo que se le ha dado a la Ingeniera ssmica en Chile y a su normativa actualizada, que de alguna manera, en un terremoto tan fuerte como el ocurrido el 27 de Febrero de 2010, se pone en evidencia y se contrasta su desempeo. Y por ser un pas, que tiene una experiencia acumulada en el diseo y construccin de muros estructurales de concreto armado, conocidos como sistemas rgidos que ofrecen mayor control de las deformaciones, y de los daos a los elementos no estructurales, por tanto, nos interesa conocer como han sido sus comportamientos sismorresistentes. Cuando hacemos esto, para revisar conceptos aplicados, diremos segn Mete Sozen 2004, que no somos pesimistas si reconocemos que el diseo sismorresistente no ha llegado an al final de la historia. Y adems agrega, que el objeto del diseo es producir un artefacto de ingeniera que sea seguro, serviciable y econmico. Y respecto a la sismorresistencia y a la relacin de coordenadas nodales de una estructura, antes y despus de un evento, asume los criterios siguientes: (1). Que las coordenadas verticales de los pisos no

deben cambiar, y (2). Que la coordenada horizontal de un piso debe ser menor del 2% de la altura del mismo, y preferiblemente el 1%. Con el primer criterio se protegern vidas y con el segundo, las inversiones. Para proteger vidas, hay que ser sensibles a las cuantas, los arreglos y los detalles del refuerzo transversal, pero, el segundo criterio, no es tan simple, y el ingeniero estructural debe aplicar con cuidado la normativa vigente, pero mantener buen criterio, sensibilidad y conocimientos, para estimar sus rangos e incorporar, si es preciso, aspectos que no estn exigidos por los cdigos. 2. El Muro Estructural. La seleccin del sistema estructural y no-estructural de concreto armado, y su desempeo bajo acciones ssmicas, involucra considerar sismicidad, geotecnia, comportamiento bajo acciones laterales, tenacidad, rigidez, costos de construccin y buen juicio ingenieril. En la perspectiva de un comportamiento eficaz, el muro estructural entonces, puede limitar las derivas laterales, permite disear detalles simples, controlar la disipacin de energa para evitar suficientes daos y prdidas, aunque asume mayor fuerza lateral. La informacin recogida, nos dice que un diseo racional, se fundamenta en las siguientes recomendaciones: 1. El muro estructural da la oportunidad de satisfacer: rigidez, resistencia y ductilidad. 2. Si se ubica en la estructura en forma ventajosa, puede constituir un sistema sismorresistente adecuado. 3. Al contar con un eficaz sistema de fundaciones, se podrn transmitir los efectos al suelo, aceptando las deformaciones elsticas e inelsticas, donde la fundacin de uno o de varios muros no afecta la rigidez relativa de los otros. 4. Las fuerzas de inercia en cada piso se transmiten por accin de diafragma elstico, con adecuadas conexiones. Fig. 2. 1. Sistema Dual. 5. Sobre los 30 pisos, su

aplicacin es imperativa al combinar muros con prticos de vigas acarteladas, en un sistema dual (Fig. 2. 1), cuya interaccin prtico-muro, es la de dos sistemas que imponen curvaturas reversibles: el prtico en modo de cortante y el muro en modo de flexin y con ambos, se pueden alcanzar grandes alturas.

La interaccin depende de la rigidez de ambos sistemas, porque si el prtico tiene columnas muy cercanas y vigas profundas, tiende a una rigidez por flexin, y cuando se debilita por aberturas grandes responde en modo de cortante. Es conveniente entonces, que la relacin de rigideces prtico-muro se mantenga constante en la altura, para garantizar un adecuado comportamiento estructural. 6. La accin de los muros estructurales es planar y eficiente para transmitir acciones laterales, pero los efectos ssmicos requieren de un sistema ortogonal.

Fig. 2.2. Falla de columnas y reparacin de los muros, 1967.

Fig. 2.3. Edificio Petunia II, con daos en 1967. Evaluado por P. Maglioni, 2011.

Se

podrn

disear

secciones

de

muros

para

trabajar

con

dos

ejes

independientes, bajo un efecto biaxial (Paulay y Priestley, 1991).

Un sistema

dual no recomendable es el de los muros estructurales apoyados directamente sobre un sistema de vigas y columnas. En el terremoto de Caracas, se tuvo la experiencia que se produjo en el Hotel Macuto Sheraton, con la falla de columnas de 110 cm de dimetro por la interrupcin de los muros superiores frente a una mezzanina (Hanson y Degenkolb, 1969), La reparacin consisti en prolongar los muros estructurales a tierra (Mazzeo, IMME 1986, Fig. 2.2). El Edificio Petunia II, tuvo graves daos en el Terremoto de Caracas de 1967, fue reforzado en 1968, con Muros Estructurales hasta los 10 pisos y evaluado recientemente por el Ing. Pedro Maglioni en 2011, en su tesis de especializacin en Ingeniera Estructural, hecha con la tutora del Dr. Jos Grases. Se consider plausible el reforzamiento de muro inferior, logrando la armona entre arquitectura y estructura, con buena concepcin estructural y evitando el cambio brusco de rigideces y de resistencias en los niveles 8 y 10 (Maglioni, 2011). La solucin ms eficiente de los sistemas de muros corresponde a los muros acoplados con dinteles, donde se rotulan las bases y los extremos de los dinteles, generando una disipacin de energa en un rea muy grande, que ocasiona el aumento del amortiguamiento estructural (fig. 2.3). El sistema exige el diseo adecuado de los dinteles, sujetos principalmente a cortante, y evitando la fractura de la losa (Paulay y Priestley, 1991; Taranath, 1988). Fig. 2.3. Muros acoplados Para dos muros, el momento resistente al volcamiento en la base es la suma de las capacidades de cada muro adems del efecto de la fuerza de traccin en los muros T por el brazo de palanca : Mof = M1 + M2 +

l

l .T

(VOLCAMIENTO) A grande Viga fuerte y

Donde, para A=T. l /Mof ; se tiene que

A pequea Viga dbil; quedando: Prtico 1/3 A 2/3

Aunque para los muros, se prefieren las secciones simtricas, abundan las ms comunes, que son diversas debido a la estructuracin de las plantas y a la necesidad de la sismorresistencia bi-direccional, tal como se muestran en la Fig. 2.4, obtenidas de Paulay y Priestley, el mejor documento que se ha escrito sobre el tema. En (a) los muros individuales que pueden estar acoplados o no; en (b), (c) y (d), tienen elementos de borde, que rigidizan y estabilizan al muro, permiten el paso de vigas, el anclaje de barras y el confinamiento en zonas de inestabilidad; en (e), (f) y (g), se tienen secciones de ductilidad limitada, requieren refuerzos confinantes en las zonas de compresin y actan mejor acoplados a secciones invertidas; en (h), (i), (j) y (k), deben considerarse anchos efectivos dentro del anlisis para la estabilidad de la condicin ssmica reversible.

Fig. 2.4. Secciones Comunes (Paulay y Priestley, 1991. Para el anlisis elstico de estas secciones abiertas con paredes delgadas, bajo flexo-compresin doble y torsin, se tiene una distribucin de cortantes no uniforme, que se expresa en un efecto secundario de alabeo de la seccin, tal cmo se muestra en la seccin en C o en canal, mostrada en la Fig. 2.5, donde el centro de corte queda fuera de la seccin a una distancia e y se desarrollan momentos y bimomentos en el alma Wb y en las alas Wf, como Fig. 2.5. Alabeo de una Seccin en Canal (Oden, 1967).

producto del giro (Oden, 1967). 2.1. Anlisis y Diseo de Sistemas con Muros Estructurales.

Sobre este tema se ha desarrollado para los sistemas completos, una extensa experiencia de investigacin en Venezuela, con aplicacin prctica, considerando el efecto mixto de Saint Venant y Vlasov entre otros, con trabajos en el dominio elstico e inelstico, lineal y no lineal, publicados por el Dr. Simn Lamar 1978; Dr. Mario Paparoni 1991, los Profs. Jos A. Delgado, Jos Adolfo Pea y Waclaw Zalewski 1967, Manuel Pag C., UCV 1988 y el Prof. Pedro J. Montilla, ULA 1995. En Caracas se disearon edificios

importantes, como la Torre Britnica, de 28 pisos, Fig. 2.6. Torre Britnica, Caracas. cuya planta en cruz y 4 muros estructurales, se muestra en la Fig. 2.6, calculado por el Ing. Prof. Agustn Mazzeo La Creta, excelente profesional fallecido recientemente y cuyo trabajo se public en el ACI-SP 63-16. Con la presentacin de programas comerciales, desde las fechas iniciales hasta el presente, se han diseado y construido suficientes edificios de muros de pared delgada por sistema tnel, cuya evaluacin sismorresistente merece ser hecha y m. Hoy los anlisis se hacen con los programas comerciales 3-D, del tipo SAP 2000, ETABS, ANSYS, FRAME, MULTIFRAME 3D, PCAFRAME o el ZEUS-NL, entre otros. Hay que tener cuidado de incorporar la interaccin entre muros y prticos, sobre todo en los casos de muros de secciones abiertas, incluir cuidadosamente las vigas dinteles de acoplamiento en puertas y ventanas, considerar los efectos en el plano y fuera del plano, as como modelar los elementos de borde. Una discusin importante de este tema se da en Garca y Sozen, 2004. El programa espacial ZEUS-NL diseado por los Profs. Elnashai, Papanikolaou y Lee, trabaja en el campo no lineal con masas concentradas y resuelve anlisis de RUAUMOKO 3D, STRUDL,

historia de aceleraciones, curva pushover convencional y adaptiva, y puede resolver el Mtodo de Anlisis Incremental IDA. Para los Muros Estructurales, este programa da las siguientes posibilidades: a). El anlisis incluye aberturas, selecciona mallas o sistemas simplificados equivalentes y puede incorporar nuevos nodos. b). El tamao de los elementos finitos ser proporcional a las dimensiones de los miembros. c). Deben emplearse mallas refinadas en zonas de concentracin de esfuerzos, punto de aplicacin de cargas o esquinas agudas. d). Puede modelarse la extensin del agrietamiento y deslizamiento de las barras de acero. Un texto moderno de Ingeniera sIsmorresistente y los modelos estructurales para manejar anlisis no lineal de edificaciones Fig. 2.7. con muros Fig. 2.7. Un Nuevo Texto y muestra del modelo estructural estructurales se muestra en la

2. La Condicin del Diafragma. La distribucin de las fuerzas cortantes en un sistema estructural, para traslacin y torsin, se debe considerar en el anlisis, asumiendo la condicin del diafragma, rgido o flexible. En la Norma Covenin 1756-2001, se aplican el Mtodo de la Torsin Esttica Equivalente (Sec. 9.5) o el de la Superposicin Modal con Tres Grados de libertad por Nivel (Sec. 9.6), sobre la base de un diafragma rgido; y queda el Mtodo de Anlisis Dinmico Espacial con Diafragma Flexible, con una metodologa detallada, para resolver los casos de irregularidad del diafragma, mediante un modelo matemtico espacial de elementos finitos, que permitan resolver su grado de deformabilidad, las zonas de concentracin de esfuerzos y la interaccin de fuerzas entre estructura y diafragma (Rodrguez y Lpez, 1998). Aunque, el concepto del diafragma flexible, generalmente no se considera, debe ser incluido en las plantas alargadas y/o en las plantas de gran excentricidad, evaluando la verdadera condicin del diafragma. En el aparte ACI-

21.7.1., los diafragmas se consideran como elementos estructurales que transfieren fuerzas laterales, pero que no son parte del sistema resistente a fuerzas verticales. La deformacin fuera del plano del diafragma tiene un efecto significativo en la respuesta estructural. Segn Garca y Sozen, 2004, la estructura debe analizarse como un todo, y se tienen herramientas suficientes para conocer mejor la respuesta global. De su anlisis, se deducen las siguientes reglas: a). El anlisis espacial evala en el plano rgido o flexible del diafragma, simplifica la torsin, el efecto P-delta, y resuelve el problema integral. b). Es importante la geometra del diafragma, y ste podra ser considerado rgido si est soportado por columnas, y podra ser flexible, si estn presente los muros estructurales. c). La consideracin de diafragma infinitamente rgido es un subterfugio para eliminar grados de libertad por diafragma. En los casos de plantas cuadradas o rectangulares con relaciones de ancho menores de 3, sin aberturas, la condicin rgida es aceptable. d). En una estructura con diafragmas no conectados a todos los elementos verticales del sistema resistente, como las mezzaninas, el desacoplamiento de los desplazamientos de columnas y muros, con las columnas libres, hacen que stas pueden tomar mayor carga. e). En casos donde los tamaos de las plantas consecutivas cambian notablemente, tal como se muestra en la Fig. 2.8. (Set-Back), el diseador pierde de vista el flujo y la trayectoria de las fuerzas y se requieren elementos

colectores. Para stos, se considera la diferencia de centros de cortante entre los elementos verticales del entrepiso arriba y abajo, y con las fuerzas colectoras se disea un diafragma de transferencia. Fig. 2.8. Edificio Set Back

Fig. 2.9. Modelos de estructuras Set back. En los casos de asimetras del diafragma respecto a la torre, se pueden tener torsiones grandes a considerar. La Fig. 2.9. muestra diversas condiciones de excentricidad de la torre, que requieren del diseo de diafragmas de transferencia. El edificio Alto Ro, colapsado en Chile 2010, no consider esta condicin entre diafragmas. La Norma Covenin 1756-2001, define al Diafragma como parte de la estructura, generalmente horizontal, con suficiente rigidez en su plano, diseada para transmitir las fuerzas a los elementos verticales del sistema resistente a sismos. Realmente es una unidad estructural que acta como una viga profunda que transfiere en su plano acciones de interaccin a los elementos portantes. Se adolece de investigacin suficiente que valore y resuelva en sus condiciones reales, el importante rol de un diafragma, determine sus fuerzas locales internas, las fuerzas en los colectores creados y las fuerzas cortantes reversibles de transferencia. Por tanto, la robustez de una estructura sismorresistente depende del desempeo de su diafragma, y este debe comprenderse mejor (Booth y Fenwick, 1994). Otro aspecto de inters en el anlisis de muros es el efecto de las fuerzas de inercia que transfieren los diafragmas y que pueden ser ms grandes que las consideradas en los diseos normales, por influencia de modos superiores (Priestley et al, 2007). Otra cuestin que no se ha considerado es la interaccin suelo-estructura, en suelos blandos, que se hace principal en los edificios set-back, por la forma de ubicacin de los stanos. An para una torre simtrica, se muestra en la Fig.2.10., que el sistema de los stanos se convierte en una gran viga, que genera un diagrama de momentos flectores correctivo, donde los

Fig. 2.10. Interaccin Suelo-Estructura en edificios Set-Back. desplazamientos verticales no son constantes y se llega a cambiar el signo de las flexiones, que exige como solucin juntas para reducir los asentamientos diferenciales, que puedan cambian las coordenadas verticales de los pisos, acorde con la prevencin necesaria prevista inicialmente por el Prof. Sozen (Zeevart L, 1972). En Chile 2010, en el colapso del edificio Alto Ro, se asume influencia de la respuesta del suelo blando. 3. El Sismo de Chile del 3 de Marzo de 1985. La Sismicidad de Chile es reconocida por 10 terremotos histricos en el siglo XIX de magnitudes estimadas entre 8 y 8.5, y siete grandes terremotos en el siglo XX de magnitudes entre 7.3 y 8.6, ste ltimo fue el de Valparaso del 7 de agosto de 1906 (Lomnitz, 1974). El Sismo de Marzo de 1985, ocurri a las 07:46:57 pm, con magnitud Ms = 7.8, a 16 Km de profundidad, en la zona de subduccin entre las placas Nazca y Sudamericana con desplazamiento de 2 m., desgarrando una falla de 120 Km, generando rplicas hasta Ms = 6.1, durante 5 semanas, con intensidades de VIII en Melipilla, Pomaire, Valparaso y Via del Mar y aceleraciones registradas en la estacin de LLolleo (sismo de 40 seg.) en arenisca y Fig.3.1. Mapa de Isosistas

roca volcnica de 0.852g. Se muestra el mapa de isosistas (Fig. 3.1) levantado por el Prof. Rodolfo Saragoni, 1986.

Fig. 3.2. Planta tipo y Perfil del Edificio EL FARO.

El sismo gener el colapso del edificio El Faro (Fig. 3.2 y 3.3), de 8 pisos con muros estructurales, su stano est desfasado, tiene efecto set-back, un notables de cambios en de la rigidez y resistencia, que generaron estudio modelaje Universidad Tcnica Federico Santa Fig. 3.3. Ensayos de Laboratorio del Edificio El Faro. Mara (UTFSM); graves daos en los como elementos de acoplamiento edificios Acapulco de 15 pisos, con daos (Fig. 3.3) y Hanga Roa de 15 pisos y una en los dinteles y un costo de de la Villa Olmpica, por

en muros, cedencia del acero y agrietamiento en las losas de pasillos actuando planta especial, con grietas en los muros curvos, Fueron muy conocidos el colapso de un edificio

reparacin de ms de un milln de dlares (Fig. 3.4). interrumpir en el primer piso la continuidad de un muro estructural (Fig. 3.5) y adems, los daos en los muros del Edificio Canal Beagle (Fig. 3.6), y las evidencias del efecto de la topografa.

Fig. 3.3. Edificio Acapulco, Via del Mar.

Fig. 3.4. Edificio Hanga Roa, Via del Mar.

Fig. 3.5. Colapso de la Villa Olmpica por Piso Blando de Muro Estructural.

Fig. 3.6. Fallas en Conjunto de Edificios habitacionales Canal Beagle. El Informe del Instituto Chileno del Cemento y del Hormign, publicado en Julio de 1988 y elaborado por el Prof. Ernesto Cruz Z. et al 1988, respecto a los muros estructurales concluye en los siguientes puntos: a). Se verific la seguridad de los edificios de muros estructurales, siendo bueno retener esta modalidad constructiva. b). Se deben modificar algunas disposiciones normativas que privilegian la estructuracin de estructuras aporticadas. c). Preocuparse por la tcnicas de diseo de los edificios de muros estructurales, respecto a la cantidad y detalles de refuerzo, la inclusin de la arquitectura sismorresistente y a la reparacin apropiada de los daos ocurridos. 4. El Sismo de Maule del 27 de Febrero de 2010

Fig. 4.1. Regin Epicentral y Tectnica de la zona. A las 03:34 am, se present un fuerte sismo con magnitud Mw = 8.8, en un

tiempo de 100 seg., que afect unos 80.000 Km2 en la Zona Central de Chile., con epicentro cercano a Maule a 105 km., al Noreste de Concepcin (Fig. 4.1), que caus 521 muertes y dej experiencias en 8 millones de personas. Se registraron aceleraciones mayores de 0.60g, con daos a 300.000 edificios y 830 fallas en vas y puentes. Segn la tectnica, la placa de Nazca se desliz por debajo de la placa Sud-Americana y las dos convergen a una tasa de 3 y pulgada por ao. (EERI, Junio 2010). 4.1. Estructuras colapsadas.

La mayora de las construcciones medias y altas estn construidas de muros estructurales de concreto armado y ms recientemente de sistemas duales de muros y prticos. Se reporta el colapso de 4 edificios, con daos severos en 31 edificios, todos con muros. Los edificios colapsados son: 2 edificios contiguos de 5 plantas en Maipu (Fig. 4.2), la Torre OHiggins de 23 pisos (Fig. Edificio Alto Ro de 15 pisos en Concepcin (Fig. 4.4). 4.3) y el

Fig. 4.2. Colapso de Edificios en Maipu, con piso blando y muros ligeros.

Fig. 4.3. Torre OHiggins, recin terminado, con colapso parcial de niveles 10, 14 y 18. (Medina et al, Banco Mundial, 2010)

Fig. 4.4. Espectacular derrumbe del Edificio Alto Ro. En las edificaciones de Maipu (Fig. 4.2), se revela el relajamiento que se fue adoptando con los sistemas de muros estructurales, favoreciendo la condicin de planta baja libre para resolver el estacionamiento vehicular. Se redujeron los tamaos de los muros hasta alcanzar la condicin de columnas o de muros ligeros. Se asumen diseos de ingeniera deficientes al crear el piso blando, en zonas de aceleraciones mximas (0.50g), y amplificacin del suelo (Medina et al, 2010). Fig. 4.5. Colapso de pilares.

En la Torre OHiggins

se tiene una estructura set-back, que marca el primer

nivel de colapso, se muestran demasiado perforados los muros con ventanas, generando pilares muy angostos, que colapsaron (Fig. 4.5). Una visin del problema de las aberturas de los muros respecto a la irregularidad vertical, se muestra en la Fig. 4.6., esquemas de Paulay Priestley, 1991.

Fig. 4.6. Abertura de Muros y ubicacin indeseable, Paula y Priestley, 1991.

Fig. 4.7. Ubicacin y fotografa frontal que ilustra el colapso de Edificio Alto Ro. El edificio colapsado ms conocido fue Alto Ro, en donde existi discontinuidad de muros en las lneas de fachada, una condicin set-back entre la torre y el stano y el desgarramiento se produce en ese nivel, contando con la torsin de la torre y el stano, y la condicin de suelo blando no considerada. La falla por

traccin se produce en los solapes del acero vertical; hay una contribucin de efectos que generan el espectacular derrumbe (Fig. 4.7).

Fig. 4.8. Deficiencia de Anclaje, Perfil de la planta y Secuencia de colapso. En las Figs. 4.8 y 4.9 se muestran la limitacin del anclaje de refuerzo, los detalles de la falla estructural y la secuencia del colapso instantneo: Primera falla, momento sin sustentacin, fisuras en frontis, inclinacin, la cada, derrumbe y posicin final; Se nota claramente la condicin set-back. Esta excelente ilustracin, con asesora tcnica, fue publicada por el diario El Mercurio de Chile, el 27-02-2011, a un ao del terremoto, en vista de no haberse definido an las responsabilidades del colapso de esta edificacin. En la Fig. 4.10, estn las fotografas del proceso de falla.

Fig. 4.9. Muestra del detalle del empalme del acero.

Fig. 4.10. Fotos del colapso integral. El tema de la densidad de muros de cortante, se considera calculando la relacin entre la suma de las reas de los muros Am y el rea de piso Ap, y ese tipo de planta revela un ndice de muros Imcx mucho mayor que en la direccin y, siendo que el porcentaje total de muros est dentro de lmites razonables (Yakut y Soydas, 2010). En la tabla y grfica mostrados en la Fig. 4.12, se muestran los valores ms frecuentes de la relacin de reas, recogidos por el Prof. Luis Fargier G. La ubicacin asimtrica de ascensores y escaleras, atrae el centro de rigideces y valida el efecto torsional ocurrido.

Fig. 4.11. Planta Tipo e ndices de Muros de Corte.

El Dr. M. Paparoni, 1978, en el campo elstico, defini el Parmetro de Cauchy : n = G.H/(fc . ), una variable estratgica (decidible), G es el peso unitario de la estructura (0.35 t/m3), es una variable estadstica, H (altura Total) dato de proyecto, fc es la resistencia del concreto y a el porcentaje de rea portante. En muros estructurales, se tiene: 0.10 n 0.15.3

En nuestro caso, se tiene

H= (15-2) x 2.65 = 34,45 m.; G = 0,35 t/m ; GH = 0,35 x 34,45 = 12,057 t/m2 ; Para el rea portante, se tiene: Amx = 20.58 m2 ; Amy =7.60 m2 ; Am = 20.58 + 7.60 = 28.18 m2 p = 30 x 16 = 480 m2 (Superficie de Ubicacin, no incluye stanos). = 28.18 x 100/480 = 0.0587 = 5.87%; fc = 250 k/cm2 = 2500 t/m2 n = G.H/(fc. )= 12,057 /(2500X0.0587) = 0.082 < 0.10, favorable. Segn Bonelli 2010, las plantas de los edificios con muros estructurales que experimentaron mayores daos eran muy similares, alargadas, con un corredor central de muros longitudinales y los muros transversales (Fig. 4.13). Una manera de interpretar la falla de los muros en voladizo se muestra en la Fig. 4.14, deducida de ensayos realizados por Paulay y Priestley, 1991.

Fig. 4.12. Densidad de muros y nmero de pisos.

Fig. 4.13. Plantas similares en edificios daados en Chile (Bonelli, 2010).

Fig. 4.14. Modo de Falla de Muros en voladizo (Paulay y Priestley, 1991) 4.2. Falla de otras edificaciones con muros estructurales.

Se trata de mostrar algunas fallas en zonas localizadas de edificios con muros estructurales, para ir identificando sus causas. Algunas de ellas fueron daadas en el terremoto de 1985, aunque la mayora de los daos se concentraron en las nuevas. En la Fig. 4.15, se muestra la falla por tensin diagonal de la planta baja de un edificio de 10 pisos ubicado en Via del Mar, del tipo set back por stano, que experiment fallas por corte en varios muros, donde su trayectoria depende de su ubicacin, del refuerzo, de la carga vertical y de algn efecto de torsin. En las Figs. 4.16, 4.17, 4.18, 4.19, 4.20, 4.21 y 4.22, se valora la importancia de los detalles en las estructuras de concreto armado y particularmente los muros estructurales. Los extremos de los muros deben llevar elementos de borde, con suficiente seccin, acero longitudinal y ganchos de confinamiento cerrados o anclados en el muro.

Fig. 4.15. Planta Bajo de Edificio Tpico en Via del Mar.

Fig. 4.16. Descensos verticales y falla de los topes de muros.

Fig. 4.17. Aplastamiento, falla por corte y pandeo de muros estructurales. Se producen descensos verticales en la cabeza de los muros, generando desplome, desplazamiento horizontal y falla o fractura del refuerzo transversal. En otros casos se inicia la grieta de cortante. En este terremoto se ha encontrado que los muros y sus elementos de borde, requieren de una distribucin mejorada de los aceros de refuerzo. La falla local en el extremo del muro se debe a la falta de confinamiento del concreto. La ruptura del recubrimiento del concreto deja expuestas las armaduras que se pandean por efecto de la compresin. La revisin en sitio permiti ver que el muro se construy sin armaduras de confinamiento especificadas en los planos. En la Fig. 4.17 qued a la vista la armadura retorcida y se produjo una grieta de cuatro metros hacia el interior del muro. Segn los clculos hechos, este dao le ha restado al edificio un 10% de su capacidad de resistencia a un sismo. El informe establece que eso es suficiente para resistir un terremoto importante.

Fig. 4.18. Malla insuficiente, falta de refuerzo transversal y ganchos abiertos.

Fig. 4.19. Edificio Sol Oriente y Edificio Hermanos Carrera. Ganchos abiertos en muros discontinuos.

Fig. 4.20. Flexin transversal del muro en edificio de 12 pisos, Falla en el muro del primer piso por poca seccin, poco acero y ganchos a 90 y no a 135. El otro detalle aplasta la base e inicia una falla por corte.

Fig. 4.21. Fallas de muros de cortante en concepcin y Via del Mar. Para Medina et al 2010, en los edificios daados se pueden detectar las

particularidades que han aumentados sus vulnerabilidades: 1. Menor cantidad de muros y mayor esbeltez. Para el diseo se han preferido espesores mnimos e incremento de luces en stanos (Fig. 4.20). 2. Hay irregularidades verticales y horizontales, Pisos blandos. Se exige ser ms rgidos con la arquitectura. 3. Detalles deficientes en confinamiento, en solapes del acero, en los estribos, ganchos y elementos de borde. 4. Los edificios nuevos son ms flexibles que los antiguos, en espesores y longitud de muros e incluso incluyen prticos. 5. Se necesita investigacin mayor acerca de anlisis, diseo y normativa.

Fig. 4.22. Fotos de daos recogidos por el Prof. Luis Fargier G. en Chile 2010.

Fig. 4.23. Vigas de grandes luces en el estacionamiento (L. Fargier).

Fig. 4.24. Edificio de Via del Mar con 10 pisos y un stano., Suelo S2. Segn Bonelli 2010, con los espesores pequeos y falta de refuerzo transversal, los muros estructurales no soportan rotaciones mayores de 0.01 y es urgente y

razonable asegurar por lo menos u valor de 0.002. Adems, hay que evitar la desintegracin de los bordes, agregando refuerzo transversal, concentrar all acero longitudinal evitando usar barras grandes en espesores pequeos; agregar acero transversal en los empalmes. Aplicar en los muros el diseo por capacidad, de manera de aumentar la resistencia al cortante, sin aumentar la de flexin. Se muestra el ejemplo del edificio mostrado en la Fig. 4.24, los daos externos y la falla por pandeo del refuerzo en los muros internos (Fig. 4.25).

Fig. 4.25. Falla de Muros y detalle del refuerzo aplicado (Bonelli, 2010)

Fig. 4.26. Detalle de Muro de seccin en canal, sealando zonas crticas. Las formas de muros abiertos que son mltiples, exigen garantizar la ductilidad y la estabilidad, y por tanto se sealan reas de refuerzo transversal y de confinamiento, para ambos sentidos y en la direccin sealada del sismo (Fig. 4.26). El anlisis y el refuerzo debe hacerse en las dos direcciones y sentidos ortogonales, que sealan las zonas de traccin y de compresin. Para la seccin en forma de canal, cuando el sentido es normal al alma, el ancho de compresin es grande y permite balancear la fuerza axial de compresin y el efecto de las tensiones en las alas. Pero en sismos de sentido contrario hacia fuera, la

compresin se instala en los extremos de las alas, pudiendo generar una condicin crtica de inestabilidad, que requiere el confinamiento para evitar la falla frgil (Paulay and Priestley, 1991). Este evento ssmico ha dejado la necesidad de revisar los detalles y de atender su diseo con el mayor cuidado y aplicacin normativa. Se agregan las fallas presentadas en la malla de acero de los muros, las de compresin y falta de confinamiento de los elementos de borde de los edificios Central Park e Hipdromo (Fig. 4.27), y ms an en las fracturas del acero en muros del edificio El Parque (Fig. 4.28).

Fig. 4.26. Defectos en la colocacin del acero en los elementos de borde.

Fig. 4.27. Fractura del acero longitudinal y transversal en elementos de borde. Respecto a los detalles, se hacen recomendaciones para incorporar estribos cerrados con ganchos de 135 y grapas en las dos direcciones, para confinar los elementos de borde (Fig. 4.29)[ Bonelli 2010; ACI318, 99; Priestley et al,

2007], para quienes han propuesto confinar todos los muros.

Fig. 4.29. Detalles recomendados para los bordes.

5.

La Norma Chilena NCH 433 sobre diseo ssmico de edificios, se contaba en

Para la fecha del terremoto,

Chile con la Norma Tcnica NCh 433, con carcter obligatorio, aprobada en 1996 y su ltima modificacin hecha en 2009, y posteriormente a este gran evento, se gener un Decreto de modificacin promulgado por el Ministerio de la Vivienda y Urbanismo, mostrando que dicha norma qued en evidencia y requera mayor seguridad a las construcciones, y al efecto conform un panel de expertos. A efecto, los principales cambios son los siguientes:

a). Dejar la clasificacin

de

suelos en I, II y III,

aunque se crean los

espectros III-A y III-B. Establecer espectros de diseo locales, para los suelos Tipo IV con Vs < 180 m/s, y para los Tipo V y los no clasificables, como suelos licuables, colapsibles, orgnicos, sensitivos y turba. La forma espectral se construye segn la Fig. 5.1. El espectro definido de por: diseo queda

Sa

Sae R* I

donde R* reduce la respuesta e

I es el factor de importancia.Fig. 5.1. Espectro Elstico de Diseo, funcin de los factores de amplificacin de aceleracionesV A

, velocidades

y desplazamientos

D

(Fig. 5.2).

Fig. 5.2. Factores y constantes del nuevo espectro.

b). Se debe verificar la rigidez y la resistencia suficiente de los diafragmas, para distribuir las fuerzas inerciales entre los planos o subestructuras verticales; considerar su flexibilidad, e incorporar la rigidez a flexin y cortante de los diafragmas si a travs de ellos se produce un acoplamiento que altere los parmetros vibratorios de la estructura y la magnitud de los esfuerzos ssmicos, como es el caso de los vanos cortos de puertas o ventanas y de pasillos de circulacin. c). En las estructuras de concreto armado, considerar el desplazamiento lateral de diseo en el techo, u, igual a la ordenada del espectro elstico de desplazamientos S de , para = 5%, y para el periodo de mayor masa traslacional

Tag, multiplicada por un factor igual a 1.3. [u =1.3 Sde (Tag)]. Se dan otras consideraciones cuando los perodos se calculan con secciones gruesas. d). La distancia de un edificio a otro en cualquier nivel no debe ser inferior al desplazamiento calculado, ni a 5 cm, y para niveles intermedios interpola linealmente. e). En cualquier mtodo de anlisis, se modela para tres grados de libertad por nivel, debe considerarse el monolitismo estructural e incorporar grados de libertad adicionales en casos particulares. Para ver la clasificacin de los Suelos, se tiene la tabla original mostrada en la Fig. 5.3, y la tabla corregida para la Norma nueva o de emergencia de la Fig. 5.4.

Fig. 5.3. Norma Chilena Original para la Clasificacin de Suelos.

Fig. 5.4. Norma Chilena de Emergencia para la Clasificacin de Suelos. Para comprender el uso de la nueva tabla, deben conocerse las recomendaciones especiales hechas por la Sociedad Chilena de Geotcnia el da 11/11/2010, a travs del Ing. Ramn Verdugo, referidas al cumplimiento de los diversos valores de Vs o N1 en caso de arenas, gravas fluviales, o suelos especiales de diversos espesores. 6. Las Enseanzas para el Diseo de Muros Estructurales. Con el apoyo de los trabajos realizados por Medina et al, 2010 (Informe al Banco Mundial), Guendelman T., 2010, se generan las siguientes conclusiones: 1). La alta magnitud del terremoto de 8.8, lo califica como entre los ms fuertes que han ocurrido y para valorar la magnitud de los daos, debe tomarse en cuenta. Como hay colapsos y prdidas materiales y humanas, no puede perderse de vista que la edad de las edificaciones y la diversidad estructural, muchas sin el apoyo de la ingeniera. 2). A pesar de los colapsos y de los daos ocurridos, la mayora de las edificaciones modernas con muros estructurales protegieron a la poblacin, y en las diseadas con edificios aporticados flexibles y no arriostrados, hay daos en los elementos no estructurales. 3). Despus de considerar los daos, las razones sociales e ingenieriles, la infraestructura de Chile respondi al terremoto y es recomendable un programa nacional de prevencin, mitigacin y respuesta a los riesgos futuros. 4). El programa de prevencin y reduccin del riesgo ssmico comprende la

infraestructura

vial,

el sistema

elctrico,

las

edificaciones

esenciales,

la

microzonificacin ssmica, y el desempeo de los elementos no estructurales. 5). Dar un trato particular a las edificaciones de mampostera sin refuerzo, a la construccin informal y a las edificaciones histricas para mantener el patrimonio cultural. 6). Revisar la normativa sismorresistente, contando con la presencia de este gran sismo, respecto a los mtodos de anlisis, los espectros de diseo, el refuerzo y la ductilidad de estructuras, mejorar los detalles de diseo, elementos estructurales, estructuras existentes y equipos. Se cuenta con la iniciativa de considerar en los diseos dos formas espectrales en distancias cortas y largas. 7). Desarrollar en las municipalidades y en los organismos de permisologa, protocolos de diseo, revisin, inspeccin y verificacin de los materiales utilizados en las obras y el estricto cumplimiento de las normativas sismorresistentes. 8). Organizar la red sismolgica, la operacin permanente, la adquisicin de datos, el monitoreo continuo de la sismicidad y un banco de datos de calidad, abierto y pblico. 9). Agregar a los programas existentes conocimiento y entrenamiento operativo para enfrentar terremotos y tsunamis, haciendo que las prdidas humanas y materiales resulten mnimas. 10). Financiar mayor investigacin cientfica y aplicada en ingeniera sismoresistente, aprender de las lecciones derivadas del terremoto y generar oportunidades educativas para la formacin de especialistas en Gestin de Riesgos, Sismologa e Ingeniera Ssmica. 11). Se ha dado una consideracin especial a la necesidad de la divulgacin y el uso de aisladores y disipadores de energa, que permiten controlar mejor daos y prdidas. Segn la apreciacin de campo del Prof. Luis Fargier Gabaldn, Martes 24 agosto 2010, quien estuvo en Chile 2010, se tiene: 1. Las edificaciones con muros son abundantes, las derivas ssmicas esperadas son muy bajas, la estructura se convierte en una fortaleza muy resistente, que tiene la bondad de sufrir pocos daos incluso si el detallado es pobre comparado con los estndares modernos. La clave es que los muros reducen significativamente las derivas. 2. En la reunin posterior del ACI-318L, la apreciacin que domin es la de un magnifico comportamiento de los edificios de muros en Chile y es improbable

que se vayan a introducir cambios en el cdigo 318, correcta de la profesin.

por observaciones del

sismo de Chile, que indiquen inconsistencia en las recomendaciones y la prctica 3. Los poqusimos daos en comparacin con la cantidad de edificios sacudidos ocurrieron en estructuras con muros muy esbeltos de espesores pequeos (unos 12-15 cm) y con acero de confinamiento en sus extremos -elementos de bordemuy pobremente detallados o inexistentes. Posiblemente estas pantallas sufrieron los rigores de derivas altas, pues a nivel de su base acusan pandeo y fractura del acero principal atribuible a la ausencia de acero de confinamiento. 4. Referente a la prctica venezolana, es necesario ver con detenimiento las losas de fundaciones que se usan para los edificios tipo tnel de ms de 8-10 pisos, con espesores de hasta 35-40 cm, y que soportan muros que potencialmente tiene la capacidad de transferir momentos muy grandes a tierra, lo que resultan en excentricidades gigantescas que en muchos casos requeriran grandes fundaciones y/o pilotaje. 5. Chile 2010 confirm que los muros siguen siendo, muy superiores a los marcos o prticos, y sera injusto descalificarlos por el comportamiento de pocos edificios muy particulares, que en proporcin no llega al 1.0% de los afectados. 6. El terremoto de Chile 2010 es un ejemplo para la profesin que confirma la supremaca de los muros de corte en resguardar vidas e inversiones, sobre cualquier otro sistema estructural de uso generalizado. Si pudiese proponer algo a la comisin de Normas, sera establecer en el cdigo una deriva mxima del 1.20%. 7. Una Nota Conclusiva. Se reconoce que la ingeniera sismorresistente sigue un proceso de creacin soportada en las lecciones que dejan los propios terremotos y en la experimentacin, para avanzar en el camino del conocimiento. Entre las mejore posibilidades para la edificacin sismorresistente, se cuenta con el muro estructural que por su condicin rgida permite limitar las derivas y controlar los daos y las prdidas. Y en tal caso, es vlida la presencia de la arquitectura sismorresistente, para encontrar adecuadas soluciones al muro estructural, que en los planos horizontales y verticales, no generen excentricidades, otras irregularidades, altas concentraciones de esfuerzos o diafragmas que no realicen su interaccin con los elementos portantes. Aunque se prescribe la consideracin de diafragma rgido y flexible, no se han tomado en cuenta sus diseos como tales y sus conexiones, para comprender mejor el desempeo

estructural y evitar que se produzcan fallas catastrficas. Sabemos que ante el desarrollo tecnolgico y cientfico, se cuentan con suficientes programas o software que permiten un mejor anlisis y ms integral que determina la respuesta estructural en el campo lineal y no lineal, que valida la posibilidad de entrenamiento del sector ingenieril. El gran colapso del edificio Alto Ro, muestra la necesidad de evitar las torres excntricas sobre grandes stanos, que crean una condicin set-back, torsin, problemas de interaccin suelo-estructura, interrupcin y asimetra de los diafragmas, que se encargan de conseguir los detalles mal diseados y llevan a un derrumbe total. Una vez queda clara la necesidad de la revisin exigente en la permisologa del proyecto, el estudio de suelos, la memoria de clculo y el cumplimiento de los protocolos de inspeccin, para garantizar la ejecucin acorde a los planos y a la calidad de la obra. Se deja una leccin interesante acerca de la relacin de los proyectos de edificaciones con muros estructurales, se han venido haciendo bien, y por su bondad, se van reduciendo los espesores, se van limitando sus espacios para facilitar los estacionamientos, se combinan sistemas de muros estructurales con prticos de concreto armado para alcanzar este fin y se va relajando la aplicacin de un buen sistema estructural, pero que requiere detalles bien estudiados, que de no hacerlo, son los fusibles que inician las fallas importantes. En ese rumbo, se recomienda con urgencia, para mejorar el diseo y la construccin nacional de edificios de muros estructurales de pared delgada, hechas con sistema tnel, preparar una norma particular con un manual de aplicacin que mejore los diseos, basado en el diseo por capacidad, que debe cumplir con los siguientes requisitos: 1). No es tcnica de anlisis sino herramienta de diseo. 2). Identifica y evita mecanismos frgiles para que se desarrollen mecanismos dctiles. 3. Seleccionar mecanismos dctiles cinemticamente admisibles y facilitar su desarrollo. 4). Desarrollar ductilidad global con menores demandas inelsticas locales. 5). Seleccionar con precisin las zonas de rotulacin. 6). Las zonas fuera de rtulas deben ser elsticas y las articula-ciones con sobrerresistencia. 7). La estructura no debe desarrollar mecanismos indeseables, debe hacerse insensible a los sismos, con ductilidad adecuada permite ptima

disipacin de energa y as tolerar las demandas de ductilidad impuestas por los sismos fuertes. 8). Que permita condiciones de deformacin por estados lmites de servicio y seguridad (Paulay y Priestley, 1991). 8. Agradecimiento. Al Prof. Arnaldo Gutirrez de la U.C.A.B, por toda la informacin suministrada; al Prof. Luis Fargier G. por hacernos conocer de su experiencia en Chile 2010 y al Dr. Miguel Angel lvarez por su invitacin al Seminario de Sidetur. 9. Referencias. 1. Bonelli P. Exigencias necesarias para el buen comportamiento de Edificios de elementos de hormign armado. Seminario sobre efectos del terremoto en el nuevo diseo ssmico y estructural en Chile, I.C.H, 11-11-2010. 2. Booth E. Y Fenwick R. Concrete Structures in Earthquake Regions: Design and Analysis, Chap. 7, Longman Scientific Technical, UK, Ltd. London1994. 3. Cruz E., Riddell, R., Van Sint, M., Hidalgo, P., Rodrguez, F., Lders, C., y Troncoso J. Lecciones del Sismo del 3 de Marzo de 1985. Inst. Chileno del Cem. Y del Hormign, Santiago, Chile, Julio de 1988. 4. Delgado, J.A, Pea J.A. y Zalewski, W. Anlisis de Estructuras de Concreto Armado bajo la Accin de las Fuerzas Ssmicas (Anlisis Esttico). Mtodo de Anlisis de Sistemas de muros de pared delgada con secciones abiertas sometidas a flexin y torsin por flexin. Cap. 5. Asociacin Venezolana de Ingeniera Estructural, BANAP, Funda-Construccin, 1967. 5. EERI, Special Earthquake Report, Learning from Earthquakes, The Mw 8.8 Chile Earthquake of February 27, 2010, June 2010. 6. Fargier G., L. y Fargier S., L. Concreto Armado, Comportamiento y diseo. C.C.Cantaclaro, Of. MZB-06, Mrida, La Vergne, TN USA, August 2010. 7. Guendelman T. El Terremoto del 27 de Febrero 2010, tomasguendelman1008120905562-phpapp01.pdf. 8. Hanson R. D., The Venezuela Earthquake: July 29, 1967. American Iron and Steel Institute, January, 1969. 9. Lamar S. Anlisis Esttico de Edificios de Muros de Pared Delgada bajo Fuerzas Horizontales. Boletn IMME N 61-62. Facultad de Ingeniera UCV, Enero-Junio, 1978. 10.Lomnitz C. Global Tectonics and earthquake risk. Elsevier, Amsterdan, 1974. 11. Maglioni Di Guida P. Evaluacin de la Respuesta Ssmica de un edificio de

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