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SEMINARIO DE PROMOCIÓN DE LA NORMATIVIDAD PARA EL DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE EDIFICACIONES SEGURAS
Criterios Técnicos para la Construcción de Edificaciones Sismorresistentes
Wilson E. Silva Berríos
Apurímac - Abancay marzo 30, 2012
COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE LOCALES EDUCATIVOS
Y ALTERNATIVAS DE REFORZAMIENTO
Contenido de la Presentación
Introducción
Edificios Escolares Peruanos
Fenómeno de Columnas Cortas
Desempeño Sismorresitente
Rehabilitación y Reforzamiento
Conclusiones
ZONA 1
“En los últimos 130 años, en Perú han ocurrido sólo terremotos moderados, que han mostrado lo vulnerables que son las edificaciones educativas peruanas”
Introducción
Huaraz
1970
Lima
1974
México DF (SCT)
1985
Santiago
Chile 2010
Pisco
2007
a máx.:
0.24g
a máx.:
0.37g
Curico
Chile 2010
a máx.:
0.47g
a máx.:
0.15g
a máx.:
0.20g
a máx.:
0.17g
Lima 1970
a maxa max
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0 10 20 30 40
t(s)
Acele
ració
n (
g)
Lima 1974
a maxa max
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
t(s)
Ac
ele
ra
ció
n (
g)
Pisco 2007 (ICA)
a maxa max
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0 20 40 60 80 100 120 140 160
t(s)
Ac
ele
ra
ció
n (
g)
Aceleraciones
Sismos deDiseño
Aceleración(g)
ComportamientoEstructural
Frecuentes 0.20Perfectamenteelástico
Ocasionales 0.25Prácticamenteelástico
Raros 0.40Daño importante,pero reparable
Muy Raros 0.50Cerca al colapso,irreparable
Severidad sísmica y Desempeño estructural
V2000 + Sismicidad Peruana
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DAÑO
COMPLETO
(Colapso)
SIN DAÑO
(Operacional)
DAÑO LEVE
(Funcional)
DAÑO MODERADO
(Resguardo de la Vida)
DAÑO SEVERO
(Cerca al Colapso)
Dt
V
D D D D D
Niveles de Desempeño
“La experiencia nacional en la protección de colegios se limita al desarrollo de proyectos de intervención en edificaciones dañadas por terremotos”.
Introducción
Con la información proporcionada por INFES, se identificaron cuatro tipos de edificios como los más representativos a nivel nacional
780 Actual
780 pre NDSR - 1997
Gran Unidad Escolar
Adobe
Los edificios escolares peruanos
Edificio Gran Unidad Escolar
Se construyeron en la década de los 50. Tienen dos o tres niveles con aulas de aprox. 10m de largo
Los edificios escolares peruanos
Edificio 780 pre NDSR - 1997
Se construyeron edificios de este tipo hasta antes de 1997 Arquitectónicamente este edificio típico, es similar al edificio 780 actual
Los edificios escolares peruanos
Planta típica del sistema estructural del edificio 780 pre NDSR - 1997
V-01 V-01 V-01 V-01 V-01 V-01
V-01 V-01 V-01 V-01 V-01 V-01
X-X : PÓRTICOS FLEXIBLES Y-Y : ALBAÑILERIA CONFINADA
Los edificios escolares peruanos
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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
8.00
C2
Vig
a 0
.30x0.7
0
Alb
añile
ría C
onfinada
Viga
0.25x0.45
Típico
3.90C1
C2
C1
0,3
0,9
0,9
Los edificios escolares peruanos
Distribución por material predominante en el sistema estructural y por regiones sísmicas
Quincha o caña con barro 1%
Piedra con barro, cal, cemento
4%
CºAº y Albañilería
(Unidades de arcilla o bloques de concreto)
37%
Adobe o tapia 48%
Eternit fibra de Concreto Esteras, Cartón o plásticos
1%
Madera 8%
Otros 1%
Fuente: Ministerio de Educación Informe Ejecutivo 1998-2003 Locales escolares públicos a nivel nacional: 41 425
Los edificios escolares peruanos
ZONA 3 Adobe : 25.4 %
CºAº -Alb : 22.6 % Madera : 5.7 % ZONA 2
Adobe : 22.6% CºAº-Alb : 14.1 %
Madera : 8.8 %
ZONA 1 Adobe : 0.0 %
CºAº-Alb : 0.3 %
Madera : 0.4 %
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
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
Los edificios escolares peruanos
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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 En la mayoría de los casos el problema fue el fenómeno de “Columna Corta”
ANTECEDENTES
Columna Corta a pesar
de la junta de separación
con la tabiquería
Nasca, 1996
Junta realizada con bolsas de papel
Junta de espesor insuficiente
Nasca 1996. Local Escolar de 2 pisos
Nasca 1996
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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
Columna Corta “Tabique corto”
Colegio colapsado por fallas de columna corta
Colegio A. Barrios – Moquegua 2001
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Colegio A. Barrios – Moquegua 2001
¿ Cómo evitarlas las
“Columnas Cortas” ?
“Placas” para reducir los desplazamientos
laterales en el edificio
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
Fallas en columnas
Esquema de Columna Corta Columna Corta del C.E: Casimiro Cuadros
Desempeño Sismorresistente
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 ?
Desempeño Sismorresistente
Fallas en columnas
Columna Corta del C.E. Andrés Avelino Cáceres – Arequipa
Vista exterior Vista interior
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
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Falla tipo Cizallamiento en Muro Transversal
C.E. Escuela de Aplicación - Choccñopampa Esquema de acciones internas
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
Fallas en muro de Albañilería
Colegio Nasca - 1996
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
Falla en muros de Relleno de Pórticos
Esquema de acciones internas Universidad Jorge Basadre Grohmann - Tacna
Nudo afectado
Aplastamiento de la albañilería
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
Falla en Elementos No Estructurales
Esquema de acciones internas Colegio Fortunato Zora Carvajal - Tacna
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
Falla en Muro de Relleno
Colegio Jorge Basadre Grohmann -Arequipa
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
Esquema de acciones internas
Falla en
Muros de
Relleno
C.E. Antonia Moreno de Cáceres – Ica
Desempeño Sismorresistente
Desempeño observado en los últimos 60 años
Daño en Edificaciones de Concreto Armado y Albañilería
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PROBLEMAS …
SE EXCEDE DESPLAZAMIENTO
ADMISIBLE EN X-X
SaX-X
0.007h
Z
X
SaY-Y
0.005h
Z
X
ESTRUCTURACIÓN ADECUADA EN Y-Y
Y
SISTEMA
APORTICADO NO
ES ACEPTADO
A7
0.98
A1 46.4
4.64 0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5
D (cm)
F ( Ton)
Centros Educativos
Como Reforzar ?
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ESTRUCTURA ORIGINAL
SISMO
SISMO
ESTRUCTURA REFORZADA
Protección por control de
deformaciones VARIAS
ALTERNATIVAS
DE
REFORZAMIENTO
Un caso ilustrativo desarrollado …
Luego se presentan otras posibilidades de reforzamieto …
Para decidir el Proyecto de Reforzamiento se analizaron algunas alternativas viables:
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
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La Masa total de un Pabellón de 3 aulas/piso es ~ 365 Ton (=P)
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
Modelo de Relleno con Albañilería
Reforz. con Muros o Placas de C.A.
En caso de colocar Placas C.A. el VBasal 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
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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
Si se componen fuerzas y se toma momentos, se encuentran valores muy similares a los obtenidos con el modelo tipo placa
El problema de esta solución de reforzamiento es de orden Funcional y Arquitectónico, pues las aulas pierden el 50% de la iluminación y ventilación
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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 1: Enfundar Columnas
Reforzamiento 2: Enfundar Columnas Reforzamiento 1: Enfundar Columnas
Reforzamiento 2: Eje-Ventanas Bajas Reforzamiento 2: Eje-Ventanas Altas
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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
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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
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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
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OBJETIVOS DE REFORZAMIENTO
INCREMENTAR RIGIDEZ
INCREMETAR RESISTENCIA
CONTROLAR PROBLEMA DE COLUMNAS y/o MUROS CORTOS
Mejor alternativa
Intervención concentrada a pocos elementos
La estructura reforzada cumpla con las Normas Vigentes
Es posible reforzar locales escolares a costos razonables
Qué se busca ?
SOLUCIÓN
ECONOMICA
FACILIDAD EN OBRA
Reforzamiento Mínimo
Reforzamiento Mínimo
PLACAS UNIDAS A VIGAS EXISTENTES
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MUROS (PLACAS) ACOPLADOS MUROS (PLACAS) ACOPLADOS
3 PISOS , 9 AULAS PLANTA DE ESTRUCTURA REFORZADA
ELEVACIÓN DE ESTRUCTURA REFORZADA
Inclusión de pórtico sísmico complementario e intervención de columnas (TR – CAL – 3)
Corte transversal y elevación principal de un colegio peruano reforzado
Reforzamiento de edificaciones educativas peruanas
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C.E. Divino Corazón de Jesús – Paucarpata, Arequipa
Esquema de la estructura
original
Pórtico Sísmico
Complementario
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
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DETALLADO DE LOS
ELEMENTOS DE
REFORZAMIENTO
VIGAS DE ACOPLAMIENTO
PLACA NUEVA
0.30
2.00
0.70 CIMENTACIÓN
Pero no se debe olvidar … Por ejemplo … Bloque I
Junta .075 (Min)
Junta (0.15 m)
Junta .075 (Min)
Junta 0.15m
Bloque C-I Reforzado
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261 ton
176
1166
524
Aceleraciones en Elementos No Estructurales
a = 0.05g a = 0.23g
Período Fundamental X-X
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
1 2
Perí
od
o (
seg
)
Est. Reforzada
Período Fundamental Y-Y
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
1 2
Perí
od
o (
seg
)
Est. Reforzada
Pabellón C-I
Sismo XX
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20
Desplazamiento (cm)
Alt
ura
(m
)
Pabellón C-I
Sismo YY
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25
Desplazamiento (cm)
Alt
ura
(m
)
Estructura sin reforzar
Estructura Reforzada
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Sismorresistentes WESB - Pág. 21
Desplazamiento de Azotea X-X
0.00
2.50
5.00
7.50
10.00
12.50
15.00
17.50
20.00
1 2
Desp
lazam
ien
to (
cm
)
Est. Reforzada
Desplazamiento de Azotea Y-Y
0.00
2.50
5.00
7.50
10.00
12.50
15.00
17.50
20.00
1 2
Desp
lazam
ien
to (
cm
)
Est. Reforzada
1.01% => 0.41% 0.84% => 0.70%
Edificio Antiguo
Curvas fuerzas desplazamiento para los edificios seleccionados
VBASE
DAZOTEA
DFE = 2.7 cm DP = 12.6cm
V1 = 51.4 ton
D1 = 1.68 cm
Desplazamiento en la azotea (cm)
Cort
ante
en la b
ase (
Tn)
VFE = 73ton
DFE = 2.7cm
VC = 112.3 ton
DC = 15.3cm
Desempeño Sismorresistente
V1 Vy Vm Vm/V1 Vm/Vy
780 moderno
140.8 197.0 287.9 2.0 1.5
780 antiguo 51.4 73.0 112.3 2.2 1.5
Valores de fuerza cortante característicos para los edificios 780 antiguo y 780 moderno
Valores de Sobrerresistencia
Valores de desplazamiento característicos para los edificios 780 antiguo y 780 moderno
d1 dy dm dm/d1 dm/dy
780 moderno
0.67 1.1 16.2 24.2 14.7
780 antiguo
1.7 2.7 15.3 9.1 5.7
Valores de ductitlidad
Desempeño Sismorresistente
Respuesta Estructural
Desempeño Sismorresistente
VBASE
DAZOTEA
DFE = 1,1 cm DP = 15.1m
Desplazamiento en la azotea (cm)
Cort
ante
en la b
ase (
Tn)
Edificio Moderno F
un
cio
na
l
Op
era
cio
na
l
Re
sg
ua
rdo
de
la
vid
a
Ce
rca a
l
Co
lap
so
Co
lap
so
Sismo ocasional
Sismo raro
Sismo muy raro
Edificio Antiguo VBASE
DAZOTEA
DFE = 2.7 cm DP = 12.6cm
Cort
ante
en la b
ase (
Tn)
Fu
nc
ion
al
Op
era
cio
na
l
Re
sg
ua
rdo
de
la
vid
a
Ce
rca
al
Co
lap
so
Co
lap
so
Sismo ocasional
Respuesta Estructural
Desempeño Sismorresistente
Desplazamiento en la azotea (cm)
Operacional Funcional Resguardo de la Vida
Sismo Ocasional
(50% / 50 años)
Sismo Raro
(10% / 50 años)
Sismo Muy Raro
(5% / 50 años)
Edificio Moderno
Desempeño Sismorresistente
Desempeño Sismorresistente Esperado
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Operacional Funcional Resguardo de la Vida
Sismo Ocasional
(50% / 50 años)
Sismo Raro
(10% / 50 años) ???
Sismo Muy Raro
(5% / 50 años)
Edificio Antiguo
Frente a la problemática. ¿Que hacer?
Desempeño Sismorresistente
Desempeño Sismorresistente Esperado 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.
… GRACIAS
• 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.
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