COMPARACIÓN DE TRES TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN PARA EDIFICIOS CON PLANTA BAJA DÉBIL

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1 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX COMPARACIÓN DE TRES TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN PARA EDIFICIOS CON PLANTA BAJA DÉBIL Marco A. Santos Santiago (), Sonia E. Ruiz Gómez () y René Jiménez Jordán () Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Interior s/n, Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán, México, C.P.. MSantosS@iingen.unam.mx; SRuizG@iingen.unam.mx; RJimenezJ@iingen.unam.mx RESUMEN Se comparan respuestas de edificios con planta baja débil (PBD) rehabilitados con: ) encamisado de concreto reforzado, ) colocación de contravientos de ductilidad baja, y ) colocación de contravientos restringidos al pandeo. Los edificios tienen características similares a los que colapsaron durante el sismo 9/S7. Se realizan análisis dinámicos no-lineales usando ocho movimientos registrados durante el evento 9/S7. 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: ) jacketing of columns with reinforced concrete, ) addition of ordinary concentrically braces frames, and ) addition of buckling restrained braces, are compared. The structures have characteristics similar to those of the buildings collapsed during the 9/S7 Mexican earthquake. They are subjected to seismic ground motions recorded during the 9/S7 event. The results show that the 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 9 de septiembre de 7 (9/S7) el porcentaje de edificios colapsados en la CDMX con piso bajo débil (PBD) fue alrededor de %, 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 (7) de la CDMX exige la rehabilitación de edificios con PBD únicamente si sufrieron algún tipo de daño durante el temblor 9/S7. 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

2 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX 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 (8) 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 9/S7. CASOS DE ESTUDIO Se estudia un edificio de cinco niveles con propiedades y dimensiones similares a los colapsados en el sismo de 9/S7. El edificio se caracteriza por un cambio de rigidez lateral del entrepiso (PB) al entrepiso. Las figuras y 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-S), para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto (NTC-C), y de Mampostería (NTC- M). 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, ). El espectro que se usa es el correspondiente a la zona IIIa, según el cuerpo principal de las NTC-Sismo-. Las dimensiones y periodos de vibrar de la estructura se muestran en la tabla. a) Planta baja (PB) b) Primer nivel Figura Distribución de elementos estructurales en planta Tabla. Dimensiones de los elementos estructurales Elemento Dimensiones (m) Nivel Columnas. x. PB-N PB Vigas PB. x.7 N Vigas niveles.x. N-N superiores Muros de mampostería.x(. a.) N-N Figura. Distribución de elementos estructurales en altura

3 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX A partir del modelo antes mencionado, se generaron los siguientes cuatro casos de estudio:. Caso ES-. 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-S7. 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 y mediante encamisados de malla electrosoldada de acuerdo con lo indicado en las NTC-Mamposteria-7. Esto último tiene el objetivo de alcanzar distorsiones de entrepiso cercanas a. ante el sismo de diseño.. Caso ES-. Corresponde al caso ES- después de ser rehabilitado usando la técnica de encamisado de columnas con concreto reforzado, y diseñado de acuerdo con las NTC-S7 y las NTC-C7. Las dimensiones de los encamisados se muestran en la primera columna de la tabla. La resistencia de las columnas está dominada por el requisito de columna fuerte viga débil.. Caso ES-. Corresponde al caso ES- después de ser rehabilitado usando contravientos concéntricos de ductilidad baja en el primer entrepiso y diseñados de acuerdo con NTC-S7 y las NTC-Acero7. Las figuras a y b muestran la ubicación en planta y elevación de los contravientos, respectivamente. La segunda columna de la tabla muestra las dimensiones de las diagonales. Las dimensiones de contravientos quedan determinadas por los requisitos mínimos de relación de esbeltez y relaciones ancho/espesor.. Caso ES-. Corresponde al caso ES- 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 =, y un límite de distorsión máxima igual a.. El sistema de contravientos restringidos al pandeo se diseña con un factor de comportamiento sísmico Q = ; los marcos de la planta baja se revisan para que sean capaces de tomar por lo menos el % del cortante calculado con fuerzas reducidas, y el límite de distorsiones del primer entrepiso (PB) se toma igual a., para limitar los desplazamientos de los marcos de concreto existentes. En la figura a se muestra la ubicación en planta de los CRP, y la figura b presenta su configuración en elevación. En la tercera columna de la tabla se muestran el área del núcleo obtenida para los CRP..b. Configuración de la planta baja en elevación.a. Ubicación de los contravientos en planta Figura. Ubicación de contravientos para el caso ES- y ES- Los espectros de diseño utilizados para los casos ES-, ES- y ES- se muestran en la figura. Los modelos para el diseño se realizaron en ETABS 6... Los primeros tres modos de vibrar de cada caso se muestran en la tabla.

4 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX Sa/g Tabla. Dimensiones de los elementos estructurales Caso ES- Caso ES- Caso ES- Columnas x de PB-N Contravientos perfil HSS xx9.mm de PB-N contravientos restringidos al pandeo con A=8 cm de PB-N..8 Elástico Tabla. Periodos de vibración (s).6. E. Diseño ES- y ES- E. Diseño ES- Caso ES- ES- ES- ES- T T (s) Figura. Espectros de diseño Periodo T T MODELACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS Y SELECCIÓN DE MOVIMIENTOS Los análisis dinámicos no-lineales se realizaron con el programa Ruaumoko D (Carr, ). 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, 996). Para el caso ES-, se utilizó el modelo de Remennikov (Remennikov y Walpole, 997) para representar el comportamiento cíclico de los contravientos concéntricos. Para el caso ES- se utilizó un modelo bilineal con pendiente post-elástica positiva igual a %, para representar el comportamiento inelástico del CRP. Los movimientos seleccionados corresponden a ocho movimientos del suelo registrados el 9/S7 en terreno de transición de la CDMX, con un periodo dominante cercano a. s. En la tabla se indican los datos de las estaciones que registraron el movimiento y la aceleración máxima del suelo registrada (A máx ). Los acelerogramas fueron recortados en un intervalo del al 9% de la intensidad de Arias. Se filtraron las frecuencias menores de. Hz, y mayores a Hz. Las señales se escalaron con la medida de intensidad basada en el promedio de las ordenadas espectrales Sa prom (Baker y Cornell, 6) en un intervalo de promediación entre.te y.t e (de acuerdo con la especificación de las NTC-S7), donde T e es el periodo fundamental de la estructura. La intensidad promedio correspondiente al espectro de diseño elástico de la figura es.6g, para un periodo fundamental de la estructura de. 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.. y.. de las NTC-S7.

5 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX Tabla. Características de los movimientos sísmicos Movimiento Estación Componente Amáx (g) ES7 SE.66 ES7 N9W.7 SI SE. SI N9W.8 JC NE.69 6 CH8 NE. 7 LEAC NE. 8 LEAC N9W. 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, escalados a intensidades en un intervalo entre Sa prom =. y.8g, con incrementos de.g. Más adelante se muestran algunos resultados correspondientes a ciertas intensidades de interés. Las figuras a, b y c muestran los perfiles de distorsión de entrepiso del caso ES- para tres intensidades diferentes,.g,.g y.g, 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 a muestran que a intensidades bajas (.g) las mayores distorsiones de entrepiso se localizan en la planta baja y en los pisos superiores las distorsiones son menores a.%; por otro lado, la figura b muestra que a una intensidad de.g se alcanza, en la planta baja, la distorsión máxima permisible indicada en las NTC-S7, para este caso el edificio alcanza las distorsiones máximas a una intensidad % menor a la intensidad de diseño. Nótese que los pisos superiores mantienen distorsiones cercanas al.%, es decir, no presentan comportamiento inelástico y la mayor demanda desplazamiento se localiza en la planta baja. Finalmente, en la figura c se puede ver que la distorsión de planta baja es.7 veces más grande al límite máximo indicado en las NTC-S7, con un incremento de intensidad alrededor del 7%... a).g..... b).g..., adm.7 c).g Figura. Distorsiones de entrepiso del Caso ES-, 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-, ES- y ES-), y para tres valores de intensidad,.g,.g y.g, respectivamente. Comparando los perfiles de distorsión de la figura 7 con la figura a, se puede ver que en los tres casos rehabilitados para la misma intensidad (.g) la distorsión de entrepiso de la planta baja se reduce en más de un % para los tres casos. También se observa que en los casos ES- y ES- la distorsión se distribuye de forma uniforme en todos los

6 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX entrepisos. Para el caso ES- también se reduce la distorsión de entrepiso de la planta baja respecto al caso ES- de la figura a; 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.; 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.g. En las figuras 8b y 8c se puede ver que en la planta baja las distorsiones de entrepiso se mantienen por debajo.%; sin embargo, las mayores distorsiones se concentran en el segundo entrepiso y tienen valores cercanos al %. Esto último indica que a una intensidad de.g 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-M7. Por otro lado, se observa que para el caso ES- (ver figura 8a) la distorsión de todos los entrepisos se mantiene por debajo de.% (a) Caso ES-.. (b) Caso ES (c) Caso ES (a) Caso ES- Figura 7. Perfil de distorsiones para Sa/g =.; ciclo histerético en t y m (b) Caso ES (c) Caso ES- Figura 8. Perfil de distorsiones para Sa/g =.; ciclo histerético en t y m. Finalmente, la figura 9a muestra el perfil de distorsiones para el caso ES- correspondiente a una intensidad de.g. En ella se puede ver que a esta intensidad se alcanza una distorsión del % en el segundo entrepiso mientras que en los casos ES- y ES- las distorsiones se han excedido en más del %.

7 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX (a) Caso ES-.... (b) Caso ES-.... (c) Caso ES- Figura 9. Perfil de distorsiones para Sa/g =.; ciclo histerético en t y m. Comentarios finales Los análisis paso a paso muestran que las distorsiones de diseño para el caso ES- se alcanzan a intensidades % más altas que para los casos ES- y ES-. 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 columnas. Por otra parte, las técnicas ES- y ES- 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- (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-, 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- 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: ) encamisado de columnas con concreto reforzado (ES-); ) colocación de contravientos concéntricos de ductilidad baja (ES-); y ) colocación de contravientos restringidos al pandeo (ES-). Los tres sistemas rehabilitados alcanzan las distorsiones de diseño a una intensidad de por lo menos 7% 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- y ES- son capaces de soportar intensidades 8% mayores a la intensidad de diseño, y el caso ES-, hasta 9%. A pesar que las NTC-R7 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

8 DEL AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 8, CDMX 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 IN7). 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 Carr, A. (), Ruaumoko D, inelastic dynamic analysis program. University of Catenbury, Departament of Civil Engineering. Espinoza, E., Terán, A., Zúñiga, O. y Jean, R. () Consideraciones para el diseño sísmico de edificios altos de mampostería confinada ubicados en zonas sísmicas, Revista de Ingeniería Sísmica, 9, Flores, L. and Alcocer, S. (996). Calculated response of confined masonry structures. Eleventh World Conference on Earthquake Engineering. Paper No. 8. Gobierno de la Ciudad de México (7). Normas para la rehabilitación sísmica de edificios de concreto dañados por el sismo del 9 de septiembre de 7. Gaceta oficial de la Ciudad de México, No Bis Gobierno del Distrito Federal (). Reglamento de construcciones para el Distrito Federal y sus normas técnicas complementarias, Gaceta Oficial del Distrito Federal. Gobierno de la Ciudad de México (7). Normas técnicas complementarias, Gaceta Oficial de la Ciudad de México. No. Bis Los Angeles City, Department of Buildings and Safety (7). Soft-story retrofit program, ordinance #889, Los Ángeles Municipal Code. Pérez-Gavilán, J. J. (editor) (). Guía de análisis de estructuras de mampostería, Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, Comité de Mampostería. Ruiz Gómez, S. E., Jiménez Jordán, R., Santos Santiago, M. A. y Orellana Ojeda, M. (8). Evaluación de la fragilidad de dos soluciones de rehabilitación para un edificio típico con planta baja débil dañado durante el sismo 9/S7. Sometido a posible publicación en la Revista de Ingeniería Sísmica, SMIS. San Francisco City, Department of Building Inspection (). The mandatory soft Story retrofit program. Earthquake Safety Implementation Program