Informe: Efectos y enseñanzas del terremoto del 27 de febrero de 2010 en Chile

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1 Informe: Efectos y enseñanzas del terremoto del 27 de febrero de 2010 en Chile Por Juan Felipe Beltrán Ph.D. *, Leonardo Massone Ph.D. ** y Ricardo Herrera M. Ph.D. *** El problema mayor que el megasismo dejó al descubierto fue el diseño y detallamiento de anclaje de los equipos y elementos no estructurales, cuya falla fue generalizada y responsable de gran cantidad de las pérdidas no atribuibles al tsunami posterior al terremoto. Condominio Alto Río, Concepción, Chile: construcción ícono de los efectos desastrosos del terremoto en Chile. El sismo del 27 de febrero de 2010 en Chile es uno de los sismos de mayor magnitud registrados en la historia mundial desde que se tienen registros científicos. La extensión de la zona de ruptura y del área afectada, así como la cantidad de estructuras que se vieron sometidas al sismo, diseñadas de acuerdo a códigos modernos de sismo resistencia, hacen que la información de lo que funcionó y lo que no lo hizo, sea fundamental para evaluar el estado del arte del diseño sismorresistente. En este artículo se entrega una breve descripción de las características del sismo, seguida de ejemplos de problemas observados y algunas de las modificaciones a las normas que se están incorporando a los códigos de diseño chilenos, basándose en las lecciones aprendidas del terremoto. Introducción El 27 de febrero de 2010, a las 3:34 am hora local, un terremoto de magnitud 8,8 en la escala Mw [1] azotó a la zona central de Chile. La ruptura ocurrió en el contacto entre la placa de Nazca y la placa continental Sudamericana y tuvo una extensión aproximada de 450 km en la dirección norte-sur y 150 km de ancho. Este terremoto de subducción [2] afectó a un área de aproximadamente km 2, donde vive cerca del 75% de la población de Chile. La Figura 1 muestra un mapa de la zona afectada y los valores de aceleración máxima del suelo registrada por la Red Nacional de Acelerógrafos del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile (Boroschek y otros, 2010). * Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile. jbeltran@ing.uchile.cl ** Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile. lmassone@ing.uchile.cl *** Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile. riherrer@ing.uchile.cl [1] Nota del Editor. La escala sismológica de Magnitud de Momento (Mw) es una escala logarítmica usada para medir y comparar sismos. Está basada en la medición de la energía total que se libera en un terremoto. Fue introducida en 1979 por Thomas C. Hanks y Hiroo Kanamori como la sucesora de la escala de Richter. [2] La subducción de placas es un proceso de hundimiento de una placa bajo otra en un límite convergente, según la teoría tectónica de placas. Generalmente es la litosfera oceánica, de mayor peso específico, la que subduce bajo la litosfera continental, menos densa. Un ejemplo muy estudiado es la subducción de la placa de Nazca bajo la cordillera de los Andes. 30

2 Considerando la extensión del área afectada, el daño producido excedió por lejos lo observado en el pasado. Este artículo pretende entregar una visión resumida de las características especiales de este terremoto, los daños principales que causó y los cambios en las prácticas de diseño que están ocurriendo como consecuencia de este evento. Consideraciones de diseño El diseño sismorresistente de estructuras está regido en Chile por tres normas oficiales: NCh433.Of1996 (INN, 1996) para edificios; NCh2369.Of2003 (INN, 2003a) para estructuras industriales; y NCh2745. Of2003 (INN, 2003b) para edificios con aislación sísmica. Debido a las diferencias en objetivos, origen y desarrollo de cada una de estas normas, las disposiciones que contienen, especialmente con relación a los espectros de diseño, son diferentes. Sin embargo, las tres normas comparten características comunes: el territorio nacional está dividido en tres zonas sísmicas (Figura 1), donde la Zona 3 es la de mayor peligro sísmico debido a que se encuentra cerca de la costa, bajo la cual se origina gran parte de los terremotos de subducción. La Zona 1 es la de menor peligro sísmico, por encontrarse alejada de la costa, cerca de la cordillera de Los Andes. La demanda sísmica se caracteriza por una aceleración de diseño o un coeficiente sísmico, según el método de análisis escogido, el cual depende de la zona sísmica. Este parámetro se modifica de acuerdo a las características del suelo de fundación y las propiedades dinámicas, de ductilidad y sobrerresistencia de la estructura. En términos de diseño estructural, a la fecha del terremoto, el diseño de edificios de hormigón armado estaba regido por ACI (ACI 1995), considerando para la aplicación de su Capítulo 21 las tres zonas sísmicas como zonas de peligro sísmico alto. En el caso de estructuras de acero, dada la inexistencia de una norma chilena oficial de diseño, la práctica era utilizar las disposiciones de la AISC (1993) o AISI (1986), tomando algunas de las recomendaciones de las Seismic Provisions (AISC 1992) o las disposiciones contenidas en la NCh2369 para estructuras de acero. La aplicación de estas consideraciones redunda en estructuras con una sobrerresistencia significativa, pero una ductilidad limitada, lo que se reflejó en los daños observados después del terremoto, como se verá más adelante. La Figura 2 muestra los espectros de respuesta de registros de aceleración horizontal obtenidos en 6 sitios localizados dentro de la zona afectada por el O C É A N O P A C Í F I C O Zona de ruptura Figura 1 Área afectada por el terremoto del 27 de febrero de 2010 y ubicación de acelerógrafos Concepción Basada en Boroschek y otros, Hualané Valparaíso VIII Región Temuco Talca terremoto. Las condiciones de los suelos en que estos registros fueron obtenidos varían desde suelo firme (grava de Santiago) hasta suelo blando (arena de Concepción). Se puede apreciar que todos los espectros siguen una forma «tradicional», donde la demanda sobre la estructura disminuye a medida que esta es más flexible [3], con la excepción del registro de Concepción, el cual impone una demanda significativa sobre estructuras cuyo período natural de oscilación se encuentra sobre los 1,5 segundos. Adicionalmente, este espectro presenta una demanda similar para estructuras rígidas y para estructuras flexibles, lo cual es inédito. Es interesante comparar los espectros de respuesta obtenidos en Maipú (sector IX Región V Región Maipú Santiago VI Región Curicó VII Región R.M. Rancagua A R G E N T I N A SMA-1 K2/QDR/ETNA Renadic. Estru. Instr. Estaciones de Registro poniente del Gran Santiago) y la comuna de Santiago. Ambos sitios se encuentran a más de 400 km del epicentro y están dentro de la misma cuenca, separados por aproximadamente 20 km. Sin embargo, el espectro de Maipú presenta demandas más altas incluso que el de Concepción para estructuras rígidas y se encuentra muy por encima del espectro de Santiago. La explicación de esta diferencia se encuentra en el tipo de suelo de fundación. Maipú fue históricamente una zona agrícola, con presencia de suelos arcillosos y napas de agua muy superficiales. En contraste, Santiago es una zona de depósitos de grava antiguos de alta resistencia y rigidez. En la Figura 2 se muestran, además, los espectros elásticos de diseño de [3] La relación entre flexibilidad de la estructura y período de vibración es directamente proporcional; a mayor período de vibrar, mayor flexibilidad y viceversa. Por el contrario, estructuras más rígidas corresponden a estructuras de períodos cortos (bajos). 31

3 NCh433 (INN, 1996), para los cuatro tipos de suelo establecidos en la norma [4], considerando el 5% de amortiguamiento equivalente. Se puede ver que todos los espectros de respuesta se encuentran aproximadamente entre los espectros de diseño para suelo tipo II y tipo III. Nuevamente Concepción, que usualmente es reconocido como suelo tipo III, tiene demandas muy altas que exceden incluso a las de suelo tipo IV, la calidad de suelo más pobre aceptada por la norma. El espectro de Santiago (suelo II) se acerca más al espectro para roca (suelo I), el que, incidentalmente, es mayor que el espectro de suelo II para períodos largos. Otro aspecto importante a destacar, con respecto a los espectros de diseño, es la gran diferencia de demanda que existe entre el suelo II y el III y entre el suelo III y el suelo IV. La observación de los espectros de respuesta ha dado pie a comentarios sobre la necesidad de incluir categorías de suelo intermedias, que evitarían problemas cuando los parámetros de clasificación de suelos son contradictorios y pueden llevar a demandas sobre las estructuras muy disímiles si se escoge uno u otro tipo de suelo. Finalmente, basándose en el análisis de los espectros de respuesta obtenidos del terremoto, se está trabajando en modificar los espectros de diseño de forma de aumentar la demanda para los casos en que el terremoto superó el nivel esperado. Efectos en estructuras de hormigón armado Se observaron estructuras de hormigón armado con daño en varias ciudades del territorio afectado, entre las cuales se puede mencionar Concepción, Santiago y Viña del Mar, esta última en la costa del océano Pacífico. Las fallas fueron problemas que pueden asociarse tanto a defectos constructivos, como estructurales o de detallamiento. Dada la diversidad de fallas, en esta sección sólo se mencionarán aquellas asociadas a diseño o detallamiento estructural que se observan repetidamente en edificios habitacionales o de oficinas. [4] Zonas de acuerdo a lo indicado en la Figura 1. Figura 2 Espectros de respuesta elásticos de registros del terremoto del 27 de febrero de 2010 y espectros elásticos de diseño de NCh433.Of1996 Pseudoaceleración - PSa (g) Pseudoaceleración - PSa (g) 1 0,1 Santiago Maipú Curicó NCh433, Suelo I NCh433, Suelo II NCh433, Suelo III NCh433, Suelo IV 0, ,1 Hualaña Talca Concepción NCh433, Suelo I NCh433, Suelo II NCh433, Suelo III NCh433, Suelo IV 0, Varios edificios presentaron daños en muros de hormigón armado al nivel del primer piso o el primer subterráneo, donde habitualmente se ubican los estacionamientos para vehículos. En estos niveles la configuración estructural en muchos casos presenta un corredor central con muros longitudinales en los costados conectados a muros transversales los que forman un muro en T (Figura 3). En otros casos, este muro transversal no está directamente conectado al muro longitudinal formando un muro rectangular. La falla observada en estas estructuraciones consiste en una grieta horizontal propagada a lo largo del alma del muro que cubría una franja de aproximadamente 40 cm de alto. Esta falla se repitió en gran parte de los ejes resistentes de estos edificios en la dirección más corta. La falla se presenta en la Figura 4. a) Zona 2 Período - T (s) b) Zona 3 Período - T (s) Observación: zonas 2 y 3 de acuerdo a lo indicado en la Figura Según se observa en la Figura 4, el daño más severo se presenta en la cabeza del muro, donde termina el alma del muro T (o en el extremo del muro rectangular), ya que en ese extremo se alcanzan las mayores deformaciones de compresión producto de las cargas de flexión y compresión. Estas deformaciones propiciaron la pérdida de recubrimiento dejando las barras longitudinales expuestas, las que ante ciclos de tracción y compresión, producto de la alternancia de la acción sísmica y la poca restricción que entrega- 32

4 ba la armadura transversal, se pandearon y degradaron aún más la capacidad del elemento. La armadura transversal no presentaba anclaje dentro del núcleo de hormigón, sino que uno o dos dobleces en 90 en el extremo del muro, el que se abrió luego que el recubrimiento se había perdido. Ciclos de grandes deformaciones en estas barras pandeadas generaron un daño progresivo, fracturándose en algunos casos, sin presentar reducción de la sección transversal del refuerzo. Esta falla se presentó en bordes de muros sin detalle de confinamiento especial y de bajos espesores (alrededor de 20 cm). Detalle de la falla se puede observar en la Figura 5. Bodegas - Borde edificio Daños Figura 3 Planta tipo (simplificada) de edificio habitacional de hormigón armado Estacionamientos Muro transversal Muro longitudinal Pasillo central Los pasillos o corredores formados por muros longitudinales en T conectados por losa, solicitados por el sismo, gene- Planta primer piso o subterráneo Planta piso tipo Figura 4 Daño observado en muro de hormigón armado Figura 5 Pandeo y fractura de refuerzo Figura 6 Losa de acople Figura 7 (a) Fachada con perforaciones y (b) dinteles de acople 33

5 raron importantes demandas de deformaciones en el elemento de acople. La losa de acople, comúnmente con refuerzo adicional de armadura longitudinal, presentó descascaramiento en la zona de compresión (Figura 6). Figura 8 Efectos en estructuras industriales Otro tipo de falla que se observó en edificios de hormigón armado, fue la generada por corte, que se presentó tanto en fachadas, producto de perforaciones en muros (Figura 7a), como en elementos de acoplamiento en muros (Figura 7b). Estos elementos presentaban relaciones de aspecto (entre ancho y largo) entre 1 y 2, lo que los hace más propensos a presentar fallas o daños asociados al corte. Estos elementos estaban comúnmente reforzados con armadura longitudinal y estribos transversales. Modificaciones a la norma de diseño de hormigón armado Basado en el daño observado, se promulgó un código de emergencia para el diseño de hormigón armado (DS 118). En general, los cambios se enfocan a problemas observados en muros. Los cambios principales se resumen a continuación: 1. Limitación de carga axial en muros para reducir la probabilidad de observar una falla por compresión. 2. Prevención de pandeo y fractura del refuerzo con refuerzo transversal poco y bien anclado. 3. Prevención de falla por corte amplificando en 1,4 la solicitación, considerada para el diseño. 4. Utilización de refuerzo transversal (estribos o ganchos) en empalmes de refuerzo longitudinal que presente cuantías importantes de armadura o recubrimiento de hormigón sobre estas barras inadecuado para una correcta transferencia de tensiones. 5. Limitación de los diámetros de armadura longitudinal y transversal para favorecer un buen hormigonado y confinamiento en los bordes de muros. También se ha especificado un espesor mínimo de muros como lu/16, donde lu es el largo de muro no apoyado, para prevenir o minimizar el pandeo global de estos elementos. Efectos en estructuras de acero La mayor parte de la construcción en acero estructural en Chile se concentra en las instalaciones industriales. La zona afectada por el terremoto del 27 de febrero de 2010 alberga gran parte de estas instalaciones, por lo que la muestra de los efectos sobre estructuras de acero es bastante completa. Los daños observados durante visitas e inspecciones a diferentes tipos de industrias, tales como refinerías de petróleo y gas, plantas de celulosa, centrales termoeléctricas y viñas, pueden clasificarse en las siguientes categorías: deficiencia en anclajes de estructuras y equipos, asentamiento de fundaciones, colapso de elementos no estructurales y fractura de la unión de sistemas de cañerías al elemento estructural correspondiente. Ejemplos de fallas observadas se presentan a continuación y se muestran en la Figura 8. Estructuras de puerto En general las estructuras portuarias fueron más afectadas por el tsunami posterior que por el terremoto. El tsunami dañó infraestructura asociada al almacenamiento de productos congelados, desplazamiento de bodegas e instalaciones asociadas a la pesca. Muelles y grúas presentaron pequeños asentamientos a excepción de un puerto que presentó fallas de corte en columnas de acero presumiblemente debido a la insuficiente longitud de anclaje de las columnas en la losa de hormigón. Plantas industriales Se realizaron Inspecciones a plantas localizadas en la zona de ruptura, en las que por razones de seguridad y confidencialidad no fueron permitidas las fotos. En general, no se observaron daños significativos en las estructuras. La mayoría de los problemas se presentaron en estructuras de más de 20 años en que sus miembros no presentaban ductilidad al- 34

6 guna. Los daños típicos encontrados fueron: pandeo de arrostramientos y fractura de placas gusset [5] a nivel de conexiones de arriostramientos. Algunos edificios industriales presentaron desplazamientos permanentes debido al pandeo de arrostramientos y al escaso número de éstos (falta de redundancia) y se observaron fallas en correas transportadoras por falla de los pedestales o colapso parcial de una estructura intermedia de apoyo. Se constataron pernos de anclaje fracturados en las bases de columnas y equipos mecánicos. Además, se constató la fractura del mortero de nivelación bajo placas bases y la falla en compresión del hormigón en los pedestales, probablemente debido al uso de un hormigón de baja calidad y a la escasez de armadura de refuerzo. También se observó pandeo local en estructuras laminares, como chimeneas y estanques. Por otro lado, la mayoría de las estructuras y edificios diseñados basados en normativas recientes (NCh2369) no presentaron daños. Se observó daño estructural en un edificio de calderas de una planta generadora de electricidad. Las fallas se concentraron en elementos destinados a restringir los desplazamientos de la estructura o topes sísmicos que indujeron al colapso de los elementos estructurales de sujeción, que ocasionó el impacto de la caldera con el edificio. Grietas en estanques de hormigón armado fueron reportadas en sistemas de tratamiento de riles. Las grietas se concentraron en lados diametralmente opuestos del tanque probablemente asociadas a la dirección del movimiento del líquido producto del sismo, así como al asentamiento diferencial de los rellenos soportando estos estanques. Bodegas Dos tipos de fallas predominaron en bodegas: colapso de muros prefabricados de hormigón armado y un pobre detallamiento de la conexión entre elementos prefabricados y pobre entendimiento del efecto de diafragma [6] a nivel de techo. También se observó el volcamiento de las estanterías de almacenaje debido a un deficiente y, en algunos casos inexistente, sistema de anclaje. Otras estructuras Aun cuando las estructuras soportaron bien el terremoto, los equipos e instalaciones interiores no siempre pasaron la prueba. En particular, el desempeño de estanques de acero y silos fue deficiente. Dos tipos de configuración estructural de estanques de acero pudo observarse durante las visitas: estanques apoyados en patas (capacidad hasta lt) y estanques de fondo plano. Los estanques apoyados en patas presentaron fundamentalmente dos tipos de fallas: pandeo de patas y abollamiento del manto del estanque por penetración de las patas, los que se muestran en la Figura 9. Los estanques de fondo plano, generalmente con capacidades superiores a lt, presentaron principalmente los siguientes tipos de fallas: inestabilidad del manto, falla del sistema de anclaje, falla de soldadura manto-fondo estanque y rotura del sistema de cañerías conectadas al manto (Figura 9). Para ambos tipos de estanques, la combinación de fallas inducía la pérdida parcial o total del contenido almacenado en forma rápida con el consecuente colapso del estanque por arrugamiento del manto. Basándose en el buen comportamiento de las estructuras de acero, en general, no se anticipan propuestas de cambios fundamentales a las normativas actualmente vigentes. Las principales modificaciones tienen que ver, más bien, con prácticas de diseño y construcción de detalles de conexión de la estructura a la Figura 9 Daños en estanques de acero inoxidable: a. Penetración pata en manto; b. Arrugamiento por vaciamiento rápido; c. Pandeo de patas; d. Inestabilidad manto (punta diamante); e. Falla de anclaje a. b. c. d. e. [5] Nota del Editor. Placas utilizadas para conectar vigas a columnas. Estos elementos son soldados o apernados a las placas gusset: su función es crítica para la integridad de la estructura que soportan. [6] Diafragma: un sistema estructural utilizado para transferir fuerzas laterales a paredes o marcos de corte a través de tensiones de corte en un plano. 35

7 fundación y con el diseño de equipos y estructuras que no tienen una norma de diseño sísmico específica. Figura 10 Daños en elementos no estructurales y equipos Problemas en elementos no estructurales Aun considerando la espectacularidad de algunas de las fallas estructurales observadas en edificios, la mayor proporción de daño se produjo en elementos no estructurales, equipos y contenidos de edificios e instalaciones industriales. La falla de estos elementos afectó desde la habitabilidad de casas y departamentos, hasta la operación del aeropuerto de Santiago (ciudad capital de Chile) y de varias instalaciones industriales. Algunos ejemplos se muestran en la Figura 10. El nivel de daños observados se debió a que el detallamiento e instalación de estos elementos, en general, no se hace de acuerdo a criterios de diseño sismorresistente y no está en el ámbito de la responsabilidad contractual del ingeniero estructural. Por lo tanto, normalmente los instaladores de tabiquerías, cielos falsos, equipos de aire acondicionado, ascensores, instalaciones eléctricas, etc, anclan estos elementos de acuerdo al criterio individual de cada uno. Para prevenir que la situación siga repitiéndose, una de las propuestas de la norma (NTM, 2010a) en que se trabaja actualmente esté relacionada con el diseño sismorresistente de elementos no estructurales. Otra propuesta (NTM 2010b) tiene que ver específicamente con el diseño de ascensores. Conclusiones En este artículo se presentaron las características principales del terremoto del 27 de febrero de 2010 en Chile y sus efectos sobre las estructuras y las normativas de diseño sismorresistente en vigencia. En general, las estructuras diseñadas según estas normativas tuvieron un desempeño adecuado, con un porcentaje menor de ellas presentando fallas estructurales de consideración. El problema mayor que el terremoto dejó al descubierto fue el diseño y detallamiento de anclaje de los equipos y elementos no estructurales, cuya falla fue generalizada y responsable de gran cantidad de las pérdidas que no fueran atribuibles al tsunami. Las lecciones aprendidas permitirán mejorar las normas existentes en aquellos aspectos que se mostraron débiles y generar nuevas normas que abarquen aquellos elementos, equipos y estructuras no cubiertos por la normativa vigente. Referencias bibliográficas ACI (1995), ACI Building Code Requirements for Structural Concrete, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI. AISC (1993), LRFD Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL. AISC (1992), ANSI/AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL. AISI (1986), Specification for the design of cold formed steel structural Members, American Iron and Steel Institute, Washington, D.C. Boroschek, R., Soto, P., and Leon, R. (2010), «Maule Region Earthquake, February 27, 2010, Mw = 8.8,» Renadic Report 10/08, Department of Civil Engineering, University of Chile. INN (1996), NCh433.Of1996. Diseño sísmico de edificios, Instituto Nacional de Normalización, Santiago, Chile. INN (2003a), NCh2369.Of2003. Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales, Instituto Nacional de Normalización, Santiago, Chile. INN (2003b), NCh2745.Of2003. Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica de base. Instituto Nacional de Normalización, Santiago, Chile. NTM (2010a) NTM : Estructuras: diseño sísmico de componentes y sistemas no estructurales, Ministerio de Vivienda y Urbanismo, Santiago, Chile. NTM (2010b) NTM : Requisitos mínimos de diseño, instalación y operación para ascensores electromecánicos frente a sismos Ministerio de Vivienda y Urbanismo, Santiago, Chile. 36