CONSOLIDACIÓN ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE DE UN EDIFICIO DE VALOR PATRIMONIAL DE MAMPOSTERÍA EN LA CIUDAD DE SALTA AUTORES ROBERTO ADOLFO CARO - Ingeniero en Construcciones Profesor Titular - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de Salta - Argentina Asesor Secretaría de Obras Públicas - Gobierno de la Provincia de Salta - Argentina e-mail: robertocaro@fibertel.com.ar MARÍA ALEJANDRA CEBALLOS - Ingeniero Civil Profesor Adjunto - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de Salta - Argentina e-mail: alece@unsa.edu.ar Palabras clave: CONSOLIDACIÓN ESTRUCTURAL DE MAMPOSTERÍA Resumen Se describe el procedimiento de Consolidación Estructural Sismorresistente con el objeto de restaurar y refuncionalizar un edificio de valor patrimonial de mampostería, que originalmente de Vivienda pasaría a funcionar como Museo. A pesar de que la construcción se encontraba en buenas condiciones, el hecho del cambio de destino y el tener que realizar algunas intervenciones, justificaban ejecutar los trabajos de Consolidación Sismorresistente elegidos. Se utilizó la técnica de columnas de hormigón armado dentro de los muros de mampostería maciza existentes, para confinarlos y darle ductilidad; se rigidizó el entrepiso existente (originalmente de perfiles metálicos y bovedillas de ladrillo macizo) y se ejecutaron encadenados horizontales de hormigón armado combinados con tensores y placas de acero en los muros de la planta superior, anclando a los mismos la estructura de madera del techo existente. Para verificar la nueva estructura, se utilizaron: Método Aproximado: Utilizando las formulaciones indicadas en el Reglamento INPRES-CIRSOC 103. Modelado del Sistema con el Programa SAP2000, verificando el estado tensional y de deformaciones en los distintos elementos. Podemos ver los resultados de ambos métodos y verificar la validez del Método Aproximado, lo cual nos garantiza el uso del mismo en situaciones similares a las del caso analizado, pudiendo determinar conclusiones importantes sobre su uso. Se muestran fotografías de la obra antes, durante y después de los trabajos de Consolidación.
Comportamiento sísmico y modos de falla en las construcciones de mampostería Los movimientos del suelo durante un sismo provocan vibraciones en la estructura, en la cual se generan fuerzas de inercia proporcionales a la masa de las distintas partes de la construcción, y que son resistidas y transmitidas a la cimentación y al suelo. Los elementos más adecuados para soportar esas cargas laterales son los muros que están alineados en la dirección del movimiento del terreno y que tienen gran rigidez y resistencia en su plano. Para que estos elementos puedan cumplir su función, las fuerzas de inercia generadas en otras partes de la construcción tienen que ser transmitidas hacia ellos. La condición para que esto se cumpla es que los techos (o entrepisos) actúen como una unidad rígida en su plano y transmitan sus fuerzas a los muros alineados en la dirección del movimiento y provoquen empujes mínimos normales a dicha dirección, en la cual los muros estarían sujetos prácticamente a las fuerzas de inercia generadas por su propia masa y actuarían como losas apoyadas en su perímetro. Otra condición para que la transmisión de carga se efectúe apropiadamente es que exista una conexión adecuada entre el techo y los muros. De no cumplirse la condición de techo rígido en su plano, las fuerzas generadas en cada franja del techo se transmiten al muro frontal, generando en él empujes normales a su plano, los cuales tienden a producir el volcamiento de dicho muro. De esta forma la mayor parte de las fuerzas de inercia son transmitidas a los elementos menos rígidos y aptos para resistirlas. Procedimientos de refuerzo Es común recomendar como requisito mínimo de refuerzo la colocación de un elemento resistente en el perímetro superior de los muros, para que los una y les de continuidad, les proporcione cierta resistencia a flexión normal al plano del muro y permita fijar adecuadamente el techo a los muros. El elemento de refuerzo es en general una viga horizontal de hormigón. Esto se completa con elementos de hormigón verticales en las esquinas y en las aberturas, los cuales junto con la viga horizontal de hormigón, forman pórticos que confinan el muro. Otro tipo de refuerzo es el de tensores de acero. La solución consta de dos barras de acero ubicadas en las dos caras del extremo superior del muro. Estas barras pueden ir alojadas en pequeñas ranuras preparadas en el muro o externamente. Estas barras se someten a una ligera tensión inicial mediante tuercas u otro dispositivo; la fuerza de los tensores se trasmite a los muros a través de placas de acero ubicadas en los extremos. Los tensores cumplen la función primordial de ligar los muros entre sí, a proporcionar resistencia en flexión en la parte superior de los muros y también absorber el esfuerzo de corte. Un refuerzo más efectivo se obtiene, si esta última solución se complementa con tensores verticales, también ligeramente postensados, en las
esquinas y extremos de grandes huecos (aberturas). Estos tensores tienen la función de tomar las tensiones debidas a momentos flexionantes en el plano del muro y a las concentraciones de esfuerzos en los extremos de los huecos. También incrementan la resistencia a corte de los muros por los esfuerzos de compresión generados por el postensado; sin embargo, la colocación de los tensores verticales es mucho más laboriosa que la de los horizontales: para anclarlos en la parte inferior del muro se requiere perforar la cimentación y en caso de no existir una cimentación sólida, es necesario ejecutar una base de hormigón. También existen procedimientos de refuerzo que consiste en colocar mallas de acero que envuelven totalmente los muros por una capa de mortero proyectado. Anclando cuidadosamente la malla al muro, se logra una sección compuesta en la que el muro funciona como alma para tomar los esfuerzos cortantes, y el mortero con la malla absorben los esfuerzos de tracción y compresión debidos a la flexión normal al plano del muro. La malla es además un refuerzo por cortante que mantiene la integridad del muro, en caso de que se exceda la capacidad del mismo y se agriete diagonalmente. Este procedimiento es el indicado cuando el muro presenta un estado de agrietamiento importante y su capacidad resistente es nula. Al juzgar los distintos procedimientos de refuerzo, hay que considerar la eficiencia en aumentar la seguridad contra los sismos, la facilidad de ejecución en una vivienda ya terminada y el costo en cuanto a materiales y mano de obra. Propiedades mecánicas de la mampostería Para el análisis de las construcciones nuevas de mampostería disponemos de los parámetros de diseño definidos en el Reglamento [3] y que son: Resistencia Básica a la Compresión [ σ mo ] Resistencia Básica al Corte [ τ mo ] Módulo de Elasticidad Longitudinal [ Em ] Módulo de Corte [ Gm ] Resistencia Flexional con plano de falla perpendicular a la junta [ ftx ] Resistencia Flexional con plano de falla paralelo a la junta [ fty ] Estos valores, para construcciones nuevas, pueden definirse sin mayores problemas, no así para las existentes, peor aún en el caso que el muro presente grietas o fallas importantes. Procedimiento de refuerzo en un caso concreto: la casona En este caso particular, se está frente a la situación de que los muros de la construcción no presentaban ningún signo de daño (no se observaban fisuras, asentamientos ni otros síntomas que nos indicaran riesgo alguno). La cimentación existente, de mampostería corrida, se encuentra en muy buenas condiciones (Se realizó un estudio de suelos para determinar las características
del terreno a nivel de la fundación existente, habiéndose determinado suelo arcilloso con una tensión admisible de 100 KPa). Por todo esto, en vez de referirnos a Refuerzo, se habla de una Consolidación Estructural Sismorresistente. Pero lo más importante es el cambio del destino del edificio (de vivienda pasaría a museo) y los trabajos de restauración que deben ejecutarse. Esto hace imprescindible encarar las tareas de consolidación de la construcción para darle una seguridad sismorresistente adecuada, aumentándola en base a la antigüedad de la misma. Como procedimiento de consolidación, se decidió por la colocación de elementos verticales de hormigón armado, tanto en planta baja como en planta alta (columnas ancladas en dados de hormigón), rigidización del entrepiso existente (sistema steel-deck), colocación de elementos horizontales (vigas de hormigón armado y tensores de acero) a nivel superior de los muros de planta alta y correcto anclaje de la estructura de techo en los muros superiores. Detalles del sistema de consolidación elegido Figura 1. Estructura de fundación.
Figura 2. Estructura de planta baja. Figura 3. Entrepiso Steel-Deck
Figura 4. Estructura de planta alta. Figura 5. Detalle de placas de anclaje y tensores.
Método aproximado Análisis sísmico: Debido al estado de los muros, se tomaron como parámetros de diseño, los valores dados en el Reglamento INPRES-CIRSOC 103 Parte III [3], pero reducidos a la mitad (criterio adoptado, como situación extrema, teniendo en cuenta la antigüedad y las características del mortero existente. No se realizaron ensayos): σ mo = 1500 KPa / 2 = 750 KPa τ mo = 250 KPa / 2 = 125 KPa Determinación del Período Fundamental: Se utiliza la fórmula empírica del Reglamento [2] Toex = 0,18 s Toey = 0,18 s En las dos direcciones tendremos valores iguales, por lo tanto los esfuerzos de corte se calculan en una sola, siendo válidos para ambas direcciones. La Pseudoaceleración es: Sa = 0,475 Se toma una Ductilidad igual a 3, de acuerdo al Reglamento INPRES-CIRSOC 103 Parte III [3], por lo tanto el coeficiente R = 1,9. De esta forma el Coeficiente Sísmico vale: C = 0,475 * 1,3 / 1,9 = 0,325 Cargas Permanentes: Nivel 1: 4050 KN Nivel 2: 1810 KN Sobrecargas de uso: Nivel 1: 350 KN (factor 0.5) Nivel 2: 0 KN Peso Total: 6210 KN El Esfuerzo de Corte Basal vale: Vo = 0,325 * 6210 KN = 2020 KN Distribuyendo en altura, tenemos: F2 = 870 KN - F1 = 1150 KN Los cortes serán: V2 = 870 KN - V1 = 2020 KN Verificación de los muros: (Se transcriben las verificaciones de los muros más desfavorables, siendo éstos en la dirección x). Corte planta baja: Se toma una línea en la dirección x, un panel de muro de espesor 0,50m y longitud 5,80m: Esf. de Corte último Solicitante: Vus = 330 KN El Esf. de Corte último Resistente: (0,6 * 125 KPa + 0,3 * 150 KPa ) * 0,50 m * 5,80 m = 348 KN - Vur = 348 KN Se verifica ya que: 348 KN > 330 KN Se toma otra línea en la dirección x, un panel de muro de espesor 0,30m y longitud 5,00m:
Esf. de Corte último Solicitante: Vus = 150 KN El Esf. de Corte último Resistente: (0,6 * 125 KPa + 0,3 * 205 KPa ) * 0,30 m * 5,00 m = 204,75 KN - Vur = 205 KN Se verifica ya que: 205 KN > 150 KN planta alta: Se toma una línea en la dirección x, un panel de muro de espesor 0,40m y longitud 5,80m: Esf. de Corte último Solicitante: Vus = 70 KN El Esf. de Corte último Resistente: (0,6 * 125 KPa + 0,3 * 47 KPa ) * 0,40 m * 5,80 m = 206,71 KN - Vur = 207 KN Se verifica ya que: 207 KN > 70 KN A pesar de ello, se colocaron 4Ø16 a modo de tensores superiores, los cuales absorben un esfuerzo horizontal de 192 KN. Se toma otra línea en la dirección x, un panel de muro de espesor 0,30m y longitud 5,00m: Esf. de Corte último Solicitante: Vus = 140 KN El Esf. de Corte último Resistente: (0,6 * 125 KPa + 0,3 * 75 KPa ) * 0,30 m * 5,00 m = 146,25 KN - Vur = 146 KN Se verifica ya que: 146 KN > 140 KN A pesar de ello, se colocó una VES1 con 4Ø16, los cuales absorben un esfuerzo horizontal de 192 KN. Flexo-compresión Al cumplirse en todos los casos la relación H T / L < 2,5, se admite que cumple la verificación a flexo-compresión, de acuerdo al Reglamento INPRES-CIRSOC 103 Parte III [3]. Compresión Se realiza la verificación en dos muros de planta baja, siendo los más desfavorables: Muro de espesor 0,30m. Carga sobre el muro: 87 KN/m Tensión última a la compresión: 87 KN/m * 1,3 / 0,30 m = 377 KPa Se verifica ya que: 377 KPa < 750 KPa Muro de espesor 0,50m. Carga sobre el muro: 101 KN/m Tensión última a la compresión: 101 KN/m * 1,3 / 0,50 m = 263 KPa Se verifica ya que: 263 KPa < 750 KPa
Modelado del sistema con el programa sap2000 Se modeló el Sistema con el Programa SAP2000 [7], tomando para la mampostería elementos ortótropos, para lo cual se adoptaron como parámetros mecánicos, los datos obtenidos en los ensayos realizados por Pelà L., 2009 [6]. Se utilizó el espectro sísmico del Reglamento [2,4], para zona 3 y suelo tipo III. Con las distintas hipótesis de estados de cargas, se obtuvieron los distintos estados de tensiones y esfuerzos, tanto en los elementos de hormigón y acero (frame) como en la mampostería (shell). Con los esfuerzos en los elementos de hormigón y acero, se verifican los correspondientes refuerzos colocados (columnas, vigas y tensores) y con las tensiones en los distintos elementos en que se discretizó la mampostería, se verifica el estado de la misma. Para ésta última, se obtienen del Programa las tensiones S 11, S 22, S 12, S 13 y S 23 y se verifica utilizando las formulaciones para material ortótropo desarrolladas por Oller S. y al., 2003 [5]. La función general de rotura es: Siendo: σ x = S 11, σ y = S 22, σ z = 0, τ xy = S 12, τ xz = S 13, τ yz = S 23, λ 3 = 1 f x t, f x c, f y t, f y c, f xy, f xz, f yz Parámetros obtenidos de [6] α x = ½ [(f x c / f x t ) (f x t / f x c )], α y = ½ [(f y c / f y t ) (f y t / f y c )] Con la ecuación (1) se verifican los cuatro puntos de cada uno de los elementos: Si F σ (σ,f) < 0 el elemento permanece elástico Si F σ (σ, f) 0 el elemento rompe En nuestro ejemplo, en todos los puntos de los elementos utilizados, se cumple que F σ ((σ,f) < 0, por lo tanto podemos confirmar que la mampostería no rompe. (1)
Modelación y estado tensional Unidades en KPa Figura 6. Esquema estructural Figura 7. Tensiones S11 - Combinación 1,3Ew+Esx
Figura 8. Tensiones S22 - Combinación 1,3Ew+Esx Figura 9. Tensiones S12 - Combinación 1,3Ew+Esx
Figura 10. Tensiones S13 - Combinación 1,3Ew+Esx Figura 11. Tensiones S23 - Combinación 1,3Ew+Esx
Proceso constructivo Figura 12. Casona Año 1913 Figura 13. Casona Año 2004
Figura 14. Casona Año 2004 Figura 15. Casona Año 2004
Figura 16. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007 Figura 17. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007
Figura 18. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007 Figura 19. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007
Figura 20. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007 Figura 21. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007
Figura 22. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007 Figura 23. Trabajos de Consolidación Mayo de 2007
Figura 24. Casona terminada Agosto de 2008 Figura 25. Casona terminada Agosto de 2008
Conclusiones Se concluye que en los casos de construcciones de mampostería regulares, tanto en planta como en elevación, con una densidad de muros importante, estando éstos en un estado de nulo o mínimo agrietamiento, el procedimiento de consolidación elegido es adecuado y los resultados obtenidos a través del Método Aproximado son altamente confiables y puede el mismo ser aplicado sin ningún tipo de dudas. Se deben verificar las condiciones de aplicación del Método Estático dadas en el Reglamento [2,3 y 4]. Agradecimientos Agradecemos la valiosa colaboración prestada para llevar adelante este trabajo, al Dr. Sergio Oller y al Mg. Mario Toledo. Referencias [1] Caro R., Ceballos A. (2009). Consolidación Estructural Sismorresistente de un Edificio de Valor Patrimonial en la Ciudad de Salta. 8 EIPAC. Mendoza. Argentina. [2] INPRES-CIRSOC 103 (1983). Instituto Nacional de Prevención Sísmica - Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles: Normas Argentinas para Construcciones Sismorresistentes Parte I: Construcciones en General. [3] INPRES-CIRSOC 103 (1983). Instituto Nacional de Prevención Sísmica - Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles: Normas Argentinas para Construcciones Sismorresistentes Parte III: Construcciones de Mampostería. [4] INPRES-CIRSOC 103 (1991). Instituto Nacional de Prevención Sísmica - Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles: Normas Argentinas para Construcciones Sismorresistentes Modificaciones y Anexo a la Parte I (Construcciones en General) y Anexo a la Parte III (Construcciones de Mampostería). [5] Oller S., Car E., Lubliner J. (2003). Definition of a general implicit orthotropic yield criterion. Computer methods in applied mechanics and engineering 192 (2003) pp 895-912. [6] Pelà L. (2009). Continuum Damage Model for Nonlinear Analysis of Masonry Structures. PhD. Thesis, Technical University of Catalonia University of Ferrara. [7] SAP2000. Versión 10. CSI Analysis Reference Manual (2005). Computer and Structures, inc. Berkeley, California. USA.