Aceleración (g) Aceleración (g) a max 30/02/2012 SEMINARIO DE PROMOCIÓN DE LA NORMATIVIDAD PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EDIFICACIONES SEGURAS Criterios Técnicos para la Construcción de Edificaciones Sismorresistentes COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE LOCALES EDUCATIVOS Y ALTERNATIVAS DE REFORZAMIENTO Wilson E. Silva Berríos Apurímac - Abancay marzo 30, 2012 Contenido de la Presentación Introducción Edificios Escolares Peruanos Fenómeno de Columnas Cortas Desempeño Sismorresitente Rehabilitación y Reforzamiento Conclusiones En los últimos 130 años, en Perú han ocurrido sólo terremotos moderados, que han mostrado lo vulnerables que son las edificaciones educativas peruanas Introducción ZONA 1 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,4 0,2 0-0,2-0,4 0,4 0,2 0-0,2-0,4 Lima 1974 0 10 20 30 40 a max t(s) Huaraz 1970 0 10 20 30 40 50 60 70 80 a max t(s) Pisco 2007 (ICA) Lima 1974 a máx. : 0.15g a máx. : 0.20g 0 20 40 60 80 100 120 140 160 México DF (SCT) 1985 t(s) Aceleraciones Pisco 2007 Santiago Chile 2010 Curico Chile 2010 a máx. : 0.17g a máx. : 0.37g a máx. : 0.24g a máx. : 0.47g Severidad sísmica y Desempeño estructural Sismos de Diseño Aceleración (g) Frecuentes 0.20 Ocasionales 0.25 Raros 0.40 Muy Raros 0.50 V2000 + Sismicidad Peruana Comportamiento Estructural Perfectamente elástico Prácticamente elástico Daño importante, pero reparable Cerca al colapso, irreparable Sismorresistentes WESB - Pág. 1
Niveles de Desempeño Introducción V DAÑO LEVE (Funcional) DAÑO MODERADO (Resguardo de la Vida) DAÑO SEVERO (Cerca al Colapso) D D D D D DAÑO COMPLETO (Colapso) La experiencia nacional en la protección de colegios se limita al desarrollo de proyectos de intervención en edificaciones dañadas por terremotos. SIN DAÑO (Operacional) Dt Los edificios escolares peruanos Con la información proporcionada por INFES, se identificaron cuatro tipos de edificios como los más representativos a nivel nacional Los edificios escolares peruanos Edificio Gran Unidad Escolar Adobe 780 pre NDSR - 1997 Gran Unidad Escolar 780 Actual Se construyeron en la década de los 50. Tienen dos o tres niveles con aulas de aprox. 10m de largo Los edificios escolares peruanos Los edificios escolares peruanos Planta típica del sistema estructural del edificio 780 pre NDSR - 1997 Edificio 780 pre NDSR - 1997 V-01 V-01 V-01 V-01 V-01 V-01 Se construyeron edificios de este tipo hasta antes de 1997 Arquitectónicamente este edificio típico, es similar al edificio 780 actual V-01 V-01 V-01 V-01 V-01 V-01 X-X : PÓRTICOS FLEXIBLES Y-Y : ALBAÑILERIA CONFINADA Sismorresistentes WESB - Pág. 2
Albañilería Confinada Viga 0.30x0.70 30/02/2012 Los edificios escolares peruanos Corte transversal (Edifício 780 pre NDSR-1997) Los edificios escolares peruanos El Colegio Antisísmico Modelo INFES 780 Nuevo (> 1997) Los edificios escolares peruanos Configuración Estructural - Colegios Modernos Modelo INFES 780 Nuevo Los edificios escolares peruanos Distribución por material predominante en el sistema estructural y por regiones sísmicas 8.00 Típico 3.90 Viga 0.25x0.45 C1 C2 0,9 0,3 C1 CºAº y Albañilería (Unidades de arcilla o bloques de concreto) 37% Madera 8% Eternit fibra de Concreto Esteras, Cartón o plásticos 1% Otros 1% Piedra con barro, cal, cemento 4% Quincha o caña con barro 1% 0,9 Adobe o tapia 48% C2 Locales escolares públicos a nivel nacional: 41 425 Fuente: Ministerio de Educación Informe Ejecutivo 1998-2003 Los edificios escolares peruanos Distribución por material predominante en el sistema estructural y por regiones sísmicas Los edificios escolares peruanos La tabla muestra un cuadro comparativo entre el número de centros educativos construidos antes y después de 1997 ZONA 3 Adobe : 25.4 % CºAº -Alb : 22.6 % Madera : 5.7 % ZONA 1 Adobe : 0.0 % CºAº-Alb : 0.3 % Madera : 0.4 % ZONA 2 Adobe : 22.6% CºAº-Alb : 14.1 % Madera : 8.8 % Región Número de centros educativos construidos antes de 1997 Número de centros educativos construidos después de 1997 COSTA 10262 340 SIERRA 22,954 411 SELVA 7101 357 TOTAL 40,317 1,108 Sismorresistentes WESB - Pág. 3
ANTECEDENTES Sismos ocurridos en Sur del Perú: 12 Nov. 1996 (Nasca - Ica) 23 Jun. 2001 (Atico - Arequipa) 15 Ag. 2007 (Piso - Ica) Afectaron muchos locales de Centros Educativos de diversa antigüedad Columna Corta a pesar de la junta de separación con la tabiquería En la mayoría de los casos el problema fue el fenómeno de Columna Corta Nasca, 1996 Junta de espesor insuficiente Junta realizada con bolsas de papel Nasca 1996 Nasca 1996. Local Escolar de 2 pisos Sismorresistentes WESB - Pág. 4
Efecto de columna corta poco acentuado debido a tabiques débiles Nasca 1996. No se presentaron fallas de columna corta por la tabiquería a ambos lados y en toda la altura de las columnas Colegio con todas las columnas del 1er nivel, falladas Tabique corto Columna Corta Colegio A. Barrios Moquegua 2001 Colegio colapsado por fallas de columna corta Sismorresistentes WESB - Pág. 5
Cómo evitarlas las Columnas Cortas? Colegio A. Barrios Moquegua 2001 Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Fallas en columnas Placas para reducir los desplazamientos laterales en el edificio Esquema de Columna Corta Columna Corta del C.E: Casimiro Cuadros Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Fallas en columnas Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Fallas en columnas Columna Corta del C.E. Antonia Moreno de Cáceres Ica EQUILIBRIO? Vista exterior Vista interior Columna Corta del C.E. Andrés Avelino Cáceres Arequipa Sismorresistentes WESB - Pág. 6
Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Falla tipo Cizallamiento en Muro Transversal Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Fallas en muro de Albañilería Colegio Nasca - 1996 C.E. Escuela de Aplicación - Choccñopampa Esquema de acciones internas Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Falla en muros de Relleno de Pórticos Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Falla en Elementos No Estructurales Nudo afectado Esquema de acciones internas Universidad Jorge Basadre Grohmann - Tacna Esquema de acciones internas Colegio Fortunato Zora Carvajal - Tacna Aplastamiento de la albañilería Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Falla en Muro de Relleno Desempeño observado en los últimos 60 años Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería Falla en Muros de Relleno Esquema de acciones internas Colegio Jorge Basadre Grohmann -Arequipa C.E. Antonia Moreno de Cáceres Ica Sismorresistentes WESB - Pág. 7
SE EXCEDE DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE EN X-X 0.007h PROBLEMAS Z X Sa X-X ESTRUCTURACIÓN ADECUADA EN Y-Y 0.005h SISTEMA Z X APORTICADO NO ES ACEPTADO Y Sa Y-Y Centros Educativos F ( Ton) 70 60 A1 A7 50 46.4 40 30 20 10 0 0 0.981 2 3 4 4.64 5 D (cm) Como Reforzar? Sismorresistentes WESB - Pág. 8
SISMO ESTRUCTURA ORIGINAL SISMO Protección por control de deformaciones VARIAS ALTERNATIVAS DE REFORZAMIENTO ESTRUCTURA REFORZADA Para decidir el Proyecto de Reforzamiento se analizaron algunas alternativas viables: Un caso ilustrativo desarrollado Luego se presentan otras posibilidades de reforzamieto a) Cerrar dos paños en cada eje longitudinal, con ladrillo o con concreto (L=3.875m, t=.25m) b) Enfundar Columnas y conformar Placas de aprox. 1.50mt de longitud Reforzamiento con Muros de Albañilería Sismorresistentes WESB - Pág. 9
La Masa total de un Pabellón de 3 aulas/piso es ~ 365 Ton (=P) Modelo de Relleno con Albañilería El Cortante Sísmico V es 35% de P (35%x365 = 128 Ton), por lo que c/muro tomaría un cortante de 128/4=32 Ton El Esfuerzo Cortante en c/muro es del orden de 4 kg/cm², excesivo para la albañilería, según NTE E-070 Reforz. con Muros o Placas de C.A. En caso de colocar Placas C.A. el V Basal disminuye a 28% P: (28%x365 = 102), y por tanto cada placa tomaría 25 Ton de Corte El Esfuerzo Cortante es del orden de 4.5 kg/cm², lo que es adecuado para el C.A. (según NTE E060) El Modelo para el Análisis Sísmico Placas unidas a las vigas y columnas restantes, ó Considerando diagonales que representen el efecto del muro incorporado dentro del pórtico Sismorresistentes WESB - Pág. 10
Si se componen fuerzas y se toma momentos, se encuentran valores muy similares a los obtenidos con el modelo tipo placa El Mto que se obtiene en la base es 95 Ton-m con modelo tipo placa; mientras que con el modelo con diagonales se obtienen axiales en la diagonal del 30 Ton y axiales en las columnas de borde del orden de 30 y 10 Ton El problema de esta solución de reforzamiento es de orden Funcional y Arquitectónico, pues las aulas pierden el 50% de la iluminación y ventilación Sismorresistentes WESB - Pág. 11
Reforzamiento 1: Enfundar Columnas Dado el problema arquitectónico, se analizó colocar Placas más pequeñas, que no cierren todo el paño y que además envuelvan las columnas existentes (las con daños importantes en varios casos) Reforzamiento 2: Enfundar Columnas Reforzamiento 1: Enfundar Columnas Reforzamiento 2: Eje-Ventanas Bajas Reforzamiento 2: Eje-Ventanas Altas Sismorresistentes WESB - Pág. 12
Se hizo el análisis sísmico y se verificó que con placas de 1.50m de largo se controlan bien los desplazamientos laterales y que las vigas existentes cumplen con los nuevos esfuerzos con el refuerzo existente Las placas tenían 45cm de ancho y sobresalen 10cm hacia fuera y 10cm hacia dentro El ancho de la viga existente, bordea con una funda de 10cm a la columna existente Detalle Columna Reforzada - Planta Columna que se Enfunda - Planta Columnas Reforzadas (Enfundadas) Elevación, Cortes A y B Columnas Reforzadas (Enfundadas) Elevación, Cortes C y D Sismorresistentes WESB - Pág. 13
Las placas colocadas toman casi el 100% del cortante y requieren de una Cimentación importante, pues el Momento en la base es grande en comparación con la carga vertical actuante Como las columnas existentes tenían zapatas aisladas, y ahora se requieren zapatas mucho más grandes: Se consideró realizar una excavación alrededor de la zapata existente hasta alcanzar la nueva área en planta, requerida Ampliación de Zapatas - Planta Ampliación de Zapatas (Combinadas) - Planta Ampliación de Zapatas Aisladas- Elevación Sismorresistentes WESB - Pág. 14
Evidentemente algunos TABIQUES o PARAPETOS del 1er piso debieron demolerse por el hecho de ampliarse estas zapatas, por lo que se indicaron columnetas y soleras nuevas Ampliación de Zapatas Combinadas - Elevación Anclaje de Columneta en Cimiento Adicionalmente a los trabajos de REFORZAMIENTO, se ha especificado trabajos de REPARACION que consisten en: Resane de tarrajeos, Columnetas nuevas de parapetos, Limpieza de juntas ente parapetos y columnas, Desmontaje y Montaje de ventanas y puertas, Rotura de pisos, Picado de ladrillos del aligerado, Pintura, etc El COSTO de REPARACION y de REFORZAMIENTO ha sido aprox. de 15,000 a 18,000 Soles por Aula Esto representa aprox. US $78 por área neta de aula y aprox. US $65 por área neta techada Sismorresistentes WESB - Pág. 15
OBJETIVOS DE REFORZAMIENTO INCREMENTAR RIGIDEZ INCREMETAR RESISTENCIA CONTROLAR PROBLEMA DE COLUMNAS y/o MUROS CORTOS Mejor alternativa Qué se busca? Intervención concentrada a pocos elementos La estructura reforzada cumpla con las Normas Vigentes Es posible reforzar locales escolares a costos razonables SOLUCIÓN ECONOMICA FACILIDAD EN OBRA Reforzamiento Mínimo Reforzamiento Mínimo PLACAS UNIDAS A VIGAS EXISTENTES Sismorresistentes WESB - Pág. 16
MUROS (PLACAS) ACOPLADOS MUROS (PLACAS) ACOPLADOS 3 PISOS, 9 AULAS PLANTA DE ESTRUCTURA REFORZADA Reforzamiento de edificaciones educativas peruanas Inclusión de pórtico sísmico complementario e intervención de columnas (TR CAL 3) ELEVACIÓN DE ESTRUCTURA REFORZADA Corte transversal y elevación principal de un colegio peruano reforzado Sismorresistentes WESB - Pág. 17
Pórtico Sísmico Complementario C.E. Divino Corazón de Jesús Paucarpata, Arequipa Esquema de la estructura original Esquema de la Estructura Reforzada con: Pórtico Sísmico Complementario adosado (frontal); Placas de C A en muros (laterales) y Muros de Albañilería confinada (posterior) Cualquiera sea la elección lo mínimo que se debe hacer ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA REFORZADA CAPACIDAD DEL SUELO CAPACIDAD DE ELEMENTOS EXISTENTES Sismorresistentes WESB - Pág. 18
Junta (0.15 m) Junta.075 (Min) Junta 0.15m Junta.075 (Min) 30/02/2012 DETALLADO DE LOS ELEMENTOS DE VIGAS DE ACOPLAMIENTO REFORZAMIENTO PLACA NUEVA 0.70 CIMENTACIÓN 0.30 2.00 Pero no se debe olvidar Por ejemplo Bloque I Bloque C-I Reforzado Sismorresistentes WESB - Pág. 19
Período (seg) 1 2 Período (seg) 1 2 Altura (m) Altura (m) 30/02/2012 176 a = 0.05g a = 0.23g 524 261 ton 1166 Aceleraciones en Elementos No Estructurales 2.25 2.25 Pabellón C-I Sismo XX Pabellón C-I Sismo YY 2.00 2.00 30 30 1.75 1.75 25 25 1.50 1.50 1.25 1.25 20 20 1.00 1.00 15 15 0.75 0.75 0.50 0.50 10 10 0.25 0.25 0.00 Est. Reforzada Período Fundamental X-X 0.00 Est. Reforzada Período Fundamental Y-Y 5 0 0 5 10 15 20 Desplazamiento (cm) 5 0 0 5 10 15 20 25 Desplazamiento (cm) Estructura sin reforzar Estructura Reforzada Sismorresistentes WESB - Pág. 20
Desplazamiento (cm) Cortante en la base (Tn) Operacional 1 2 Funcional Resguardo de la vida Desplazamiento (cm) Cerca al Colapso 1 2 Colapso Cortante en la base (Tn) Cortante en la base (Tn) Operacional Funcional Resguardo de la vida Cerca al Colapso Colapso 30/02/2012 20.00 17.50 15.00 12.50 20.00 17.50 15.00 12.50 Curvas fuerzas desplazamiento para los edificios seleccionados Desplazamiento en la azotea (cm) VBASE Edificio Antiguo DFE = 2.7 cm DP = 12.6cm 10.00 10.00 7.50 7.50 5.00 5.00 2.50 0.00 Est. Reforzada Desplazamiento de Azotea X-X Desplazamiento de Azotea Y-Y 1.01% => 0.41% 0.84% => 0.70% 2.50 0.00 Est. Reforzada V1 = 51.4 ton D1 = 1.68 cm VFE = 73ton DFE = 2.7cm VC = 112.3 ton DC = 15.3cm DAZOTEA Valores de fuerza cortante característicos para los edificios 780 antiguo y 780 moderno 780 moderno V1 Vy Vm Vm/V1 Vm/Vy 140.8 197.0 287.9 2.0 1.5 780 antiguo 51.4 73.0 112.3 2.2 1.5 Valores de Sobrerresistencia Valores de desplazamiento característicos para los edificios 780 antiguo y 780 moderno Desplazamiento en la azotea (cm) VBASE Respuesta Estructural DFE = 1,1 cm DP = 15.1m Sismo raro Sismo ocasional Sismo muy raro Edificio Moderno d1 dy dm dm/d1 dm/dy 780 moderno 780 antiguo 0.67 1.1 16.2 24.2 14.7 1.7 2.7 15.3 9.1 5.7 Valores de ductitlidad DAZOTEA Desplazamiento en la azotea (cm) VBASE DFE = 2.7 cm DP = 12.6cm Respuesta Estructural Edificio Antiguo Edificio Moderno Esperado Sismo ocasional Sismo Ocasional (50% / 50 años) Operacional Funcional Resguardo de la Vida Sismo Raro (10% / 50 años) Sismo Muy Raro (5% / 50 años) DAZOTEA Sismorresistentes WESB - Pág. 21
Sismo Ocasional (50% / 50 años) Operacional Funcional Resguardo de la Vida Sismo Raro (10% / 50 años)??? Sismo Muy Raro (5% / 50 años) Edificio Antiguo Esperado Frente a la problemática. Que hacer? Conclusiones y Recomendaciones Es necesario desarrollar un plan para reducir la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones educativas. En el Perú existe experiencia para reducir la vulnerabilidad de las edificaciones escolares con intervenciones de mediano o alto costo. La técnica de bajo costo encontrada consiste en rellenar algunos paños del edificio con muros de albañilería. El uso de las técnicas de bajo costo para reforzar edificaciones escolares permitirá reducir los gastos de futuras intervenciones post sismo en las edificaciones escolares. GRACIAS Sismorresistentes WESB - Pág. 22