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Vulnerabilidad estructural
El término estructural, o componentes estructurales, se refiere a aquellas partes de un edificio que lo mantienen en pie. Esto incluye cimientos, columnas, muros portantes, vigas y diafragmas (entendidos estos como los pisos y techos diseñados para transmitir fuerzas horizontales, como las de sismos, a través de las vigas y columnas hacia los cimientos).
Vulnerabilidad no estructural
El término no estructural se refiere a aquellos componentes de un edificio que están unidos a las partes estructurales (tabiques, ventanas, techos, puertas, cerramientos, cielos rasos, etc.), que cumplen funciones esenciales en el edificio (plomería, calefacción, aire acondicionado, conexiones eléctricas, etc.), o que simplemente están dentro de las edificaciones (equipos, mecánicos, muebles, etc.); pudiendo así agruparlos en tres categorías: arquitectónicos, instalaciones y equipos.
Por la ubicación del continente Americano (Diapositiva Nº2), los países se ven expuestos entre otras amenazas naturales a una actividad sísmica importante, la cual se ha traducido en daños de consideración.
Las pérdidas directas acumuladas por este concepto en Latinoamérica y el Caribe han ascendido a US$3.120 millones, lo que podría compararse a una situación extrema en la que 20 países de esta región hubiesen sufrido (cada uno) la demolición de seis hospitales de primer nivel y de 25 unidades de salud. (Diapositiva Nº3).
Causa de los Sismos
Origen de los sismos
La actividad sísmica en el ámbito mundial se encuentra estrictamente ligada con la teoría de placas o deriva de los continentes, que establece que los continentes se desplazan como grandes bloques de corteza terrestre sobre un manto líquido. Al observar un mapa de sismicidad encontramos los puntos donde epicentros con magnitudes mayores a 4.0 han ocurrido a lo largo de la historia; es evidente como la sismicidad mundial esta concentrada en ciertas regiones (Ver Diapositiva Nº2).
Cuantificación del sismo
Para cuantificar el tamaño (magnitud) y consecuencias (intensidad) de un sismo, existen varias formas de hacerlo, pero las más utilizadas son la escala de Magnitud Richter que proporciona medidas cuantitativas del tamaño del sismo (Diapositiva Nº7) y la Escala de Intensidades de Mercalli Modificada, que da medidas cualitativas del movimiento sísmico en un sitio.
El tamaño de un sismo esta relacionado con la cantidad de energía liberada. La magnitud (M) definida por Richter en 1935 se utiliza para definir el tamaño del sismo. Cada vez que la magnitud aumenta un valor (por ejemplo de 4.5 a 5.5), la cantidad de energía liberada aumenta 32 veces.
Por otro lado la intensidad es una escala que cuantifica el movimiento con base en la valoración del daño en las obras realizadas por el hombre y la reacción humana generada por el movimiento del terreno. La escala de Mercalli Modificada (MM) de 12 grados se ha adoptado en muchas partes del mundo para estimar la intensidad del movimiento.
Parámetros que modifican la respuesta del terreno
Los parámetros del suelo que modifican la respuesta del depósito son (Diapositiva Nº8) :
- Flexibilidad del suelo (Diapositiva Nº9): Es necesario determinar si el suelo es suave (blando) o rocoso (firme) ya que en el caso de suelos suaves la aceleración máxima del movimiento se puede amplificar produciendo graves daños.
- Profundidad del estrato compresible: Al igual que la flexibilidad del suelo, los espesores de los estratos compresibles aumentan la severidad del movimiento y permiten la ocurrencia de asentamientos diferenciales de la cimentación de la estructura (Diapositiva Nº10).
- Potencial de licuefacción: La licuefacción ocurre cuando un estrato de arena saturada se somete a un movimiento sísmico intenso que provoca la pérdida de resistencia del estrato de arena y la inestabilidad de todo lo que se encuentre sobre él. (Diapositiva Nº11)
- Deslizamiento de taludes: Los taludes de terrenos suaves muy inclinados o con grandes contenidos de humedad tienden a fallar ante movimientos horizontales y verticales, causando daño adicional al causado por la sacudida. (Diapositiva Nº12)
Para determinar el efecto del sismo sobre una estructura es común suponer que el movimiento del terreno en la cimentación sería igual al movimiento que ocurriría si no existiera edificio alguno en el sitio (Diapositiva Nº13). Esta suposición es cierta únicamente cuando el terreno es poco compresible.
Por lo anterior, las condiciones del terreno en el sitio de construcción, determinan el tipo de cimentación.
Si existe la posibilidad de licuefacción deben llevarse a cabo estabilizaciones de suelo, utilizar pilotes de cimentación o desecharse el sitio de la obra.
Tipo de cimentaciones
En general, los tipos de cimentación que son utilizados en estructuras son los siguientes (Diapositiva Nº14):
- Placas aisladas. Tienen la función de equilibrar tanto fuerzas inducidas por cargas gravitacionales como las producidas por sismos y se utilizan especialmente cuando la capacidad del terreno es buena y las fuerzas no son grandes.
- Placas combinadas. Se utilizan cuando se tienen elementos verticales bastante próximos y además son efectivas para equilibrar grandes fuerzas.
- Placa con pilotes. Se utiliza cuando el terreno firme se encuentra a una profundidad considerable bajo el nivel natural del terreno, o cuando existe posibilidad de licuefacción.
- Placas esparcidas (Mat Foundations). Se utiliza cuando la capacidad del terreno es baja y no se considera la opción de pilotes, o cuando se tiene prevista la construcción de sótanos. Es una solución conveniente para evitar asentamientos diferenciales (Ver diapositiva 10).
Resistencia y Ductilidad de Elementos
Fuerzas internas de los elementos
Los elementos estructurales se encuentran sujetos a varios tipos de acciones internas entre las que están carga axial, fuerza cortante, momento flector y momento torsor (Diapositiva Nº15):
- La carga axial se define como una fuerza de compresión cuando actúa sobre un elemento de manera que tienda a acortarlo y de tensión cuando tiende a alargarlo. En el caso de elementos de concreto (hormigón armado) su capacidad esta ligada con la resistencia a la compresión del concreto, a su confinamiento con refuerzo transversal y al refuerzo longitudinal. Las fallas se presentan debido a una deficiencia en alguna de estas características(Diapositiva Nº16).
- La fuerza cortante ocurre cuando dos fuerzas paralelas con direcciones opuestas actúan sobre un elemento y tienden a ocasionar un deslizamiento de una parte del cuerpo con respecto a otro. La falla ocasionada por ese tipo de fuerza es súbita y ocurre sin aviso alguno (Diapositiva Nº17) y cuando se presenta en elementos verticales (muros y columnas) puede comprometer la estabilidad de toda la estructura.
- El momento flector se define como la tendencia de una fuerza a causar rotación alrededor de un punto o eje dado. Una rotación suficientemente severa puede llegar a producir una falla en algún elemento, sin embargo, su aparición permite disipar energía y se recomienda que se presenten en vigas antes que en columnas.
- Finalmente, el momento torsor es una fuerza que tiende a retorcer el elemento con respecto a su eje longitudinal. La falla por este tipo de fuerza resulta tan riesgosa como la falla por fuerza cortante y su presencia puede ser sinónimo de colapso parcial o total de la estructura.
Función de los elementos estructurales
Con base en las definiciones anteriores se tiene que las columnas son elementos estructurales destinados a soportar principalmente cargas axiales en compresión o en tensión, fuerzas cortantes y momentos flectores. Las vigas se encargan de absorber tanto fuerzas cortantes como momentos flectores y torsores. Los muros tienen las mismas cualidades de las columnas con la posibilidad adicional de resistir momentos torsores. Finalmente, las losas tienen la función de transmitir las fuerzas gravitacionales hacia los elementos resistentes tales como columnas, vigas y muros y distribuir las fuerzas sísmicas.
Daños en vigas y columnas
Una de las formas con que cuenta la estructura para sobrevivir a un sismo es por medio de rotaciones inelásticas, que son deformaciones que causan daño en ciertas zonas determinadas de la estructura.
Es preferible que estas zonas de daño estén ubicadas en vigas y no en columnas (Diapositiva Nº18 y 19) para evitar la inestabilidad vertical de la estructura (Diapositiva No 20). Para lograr esta condición es necesario que la suma de la resistencia de las columnas sea mayor a la de las vigas en las uniones de la estructura. Además, se tiene la ventaja que las vigas son más fáciles de reparar que las columnas.
Acciones Sísmicas sobre las Estructuras
Normas de diseño sísmico
La filosofía de la mayoría de las normas sísmicas de los países de Latinoamérica y el Caribe procura que toda estructura y cada una de sus partes sea proyectada, diseñada y construida de manera que: (Diapositiva Nº21).
- Resistan sin daños movimientos sísmicos de intensidad moderada.
- Limiten los daños en elementos no estructurales durante sismos de mediana intensidad.
- Aunque presenten daños, eviten el colapso durante sismos de intensidad excepcionalmente severa.
Dichas normas o códigos de diseño sismorresistente, tienen como fin último el proteger la vida de los ocupantes, se debe asegurar su funcionamiento con posterioridad a un sismo.
El criterio de diseño sísmico se basa en admitir que los materiales sufran algún nivel de daño con el fin de que la estructura disipe energía mediante deformaciones no elásticas.
El análisis sísmico considera que las estructuras de varios pisos tienen tres grados de libertad (desplazamientos independientes posibles) por cada piso, dos desplazamientos de traslación y uno de rotación por cada piso (Diapositiva Nº22).
En la diapositiva 22 se observa el comportamiento, tanto de los elementos estructurales y no estructurales, a los diferentes desplazamientos a que se ve sometida una estructura por la ocurrencia de un sismo.
Sistemas Estructurales y Ductilidad Estructural
Cuando se encuentra en la etapa de concepción de una estructura, el equipo de diseño debe decidir el tipo de sistema estructural a utilizar para resistir el efecto de los sismos. Se puede elegir entre varios sistemas que resultan flexibles o rígidos.
Los sistemas flexibles tienen la ventaja de que se diseñan para fuerzas de sismo menores, pero presentan el inconveniente de que se requiere ser muy riguroso en el detalle estructural de los diferentes elementos. Además, por su flexibilidad pueden presentarse grandes desplazamientos que pueden causar la interacción entre elementos estructurales y no estructurales y provocar daños.
En el caso de una estructura rígida las fuerzas de diseño son mayores, la ductilidad de la estructura es menor, el detallado de los elementos no es tan riguroso y se minimiza la posibilidad de interacción con elementos no estructurales.
Sistemas estructurales
Entre los sistemas estructurales que comúnmente se utilizan se encuentran (Diapositiva Nº23):
- Marcos dúctiles en concreto o acero: Este sistema está compuesto básicamente por vigas y columnas. No se recomienda su uso con losas planas ya que producen estructuras muy flexibles y de un comportamiento estructural no deseable. Este tipo de estructuras tienen la característica de ser bastante dúctiles, por lo que requieren de un detallado estructural riguroso para disipar en forma efectiva la energía por medio de rótulas plásticas.
- Muros de corte en concreto o mampostería: Este tipo de sistemas genera estructuras rígidas, y con menor ductilidad que las estructuras de marcos. Los muros en mampostería son más susceptibles a una falla frágil y se diseñan para valores de ductilidad más bajos que los requeridos para muros de concreto.
- Sistemas duales o mixtos: Este tipo de estructuras presenta como sistema resistente una combinación de marcos dúctiles de concreto o acero con muros de corte en concreto y/o mampostería. Con este sistema es posible obtener una estructura intermedia en cuanto a flexibilidad y ductilidad en comparación con los dos tipos mencionados anteriormente.
- Marcos arriostrados: Son marcos a los que se les incorpora arriostres en acero o concreto. Este tipo de estructura resulta ser más liviana que un sistema dual pero de comportamiento muy similar ya que la función que tienen los arriostres es similar a la de los muros de corte.
Vulnerabilidad Estructural a causa de la Configuración Arquitectónica
Configuración en planta
La configuración de la estructura en planta (Diapositiva Nº24) influye de manera importante en el comportamiento sísmico de un edificio. Se recomienda utilizar estructuras con configuraciones simples y simétricas evitando utilizar edificios en forma de U, Y, L, H y T (Diapositiva Nº25 y 26)ya que la unión entre los diferentes cuerpos (aristas), en el caso que existiere, se ve sujeta a una concentración de esfuerzos, que pueden causar daños de consideración.
Sin embargo, se pueden diseñar plantas estructurales complejas (Diapositiva Nº27) si se separan adecuadamente los diferentes cuerpos mediante juntas de construcción con una holgura suficiente que permita evitar el choque entre los diferentes cuerpos o edificios (Diapositiva Nº28).
La característica de irregularidad en planta genera una excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez de los diferentes elementos resistentes. Algunas veces, edificaciones que parecen simétricas no lo son debido a la disposición de los elementos resistentes que crean una falsa simetría (asimetría) (Diapositiva Nº29).Esta distribución asimétrica de la rigidez genera una distribución no uniforme de los esfuerzos sobre los diferentes elementos, donde los más afectados son los que se ubican más lejos del centro de rigidez (Diapositiva Nº 30).
Configuración en altura
Un aspecto del diseño arquitectónico que puede afectar al comportamiento de un edificio es la existencia de irregularidad en altura, que se produce por alguno de los siguientes factores (Diapositiva Nº31):
- Cuando un piso presenta una altura entre pisos mayor a los de los pisos adyacentes.
- Cuando hay cambio repentino en la configuración en planta de la edificación (Diapositiva Nº32).
- Cuando se presenta una discontinuidad en los elementos verticales. (Diapositivas 33 y 34).
- Cuando hay concentraciones de masas en algún piso (Diapositiva Nº35)
Algunos de los principales aspectos físicos que han causado problemas de comportamiento en instalaciones de salud han sido los siguientes (Diapositiva Nº36):
- Cambio abrupto de la rigidez.
- Piso suave.
- Interacción de elementos no estructurales con la estructura principal.
- Colapso debido a columna corta.
- Impacto de edificios adyacentes.
Piso suave o débil
Una estructura presenta la característica de piso suave cuando la rigidez en los pisos superiores es mayor que la rigidez del piso en consideración. Este se produce usualmente en el primer piso (Diapositiva Nº37) ya que es ahí donde se busca un mayor espacio y visibilidad, lo que impide que se utilicen elementos como muros de corte que posiblemente se utilizan en los pisos adyacentes. Los pisos suaves acumulan grandes deformaciones, lo cual puede llegar a producir un colapso abrupto(Diapositiva Nº38).
Interacción estructura con elementos no estructurales
Otra causa de daños se produce cuando se presentan elementos no estructurales tales como paredes o divisiones en mampostería, cielos rígidos o fachadas(Diapositiva Nº39) que interactúan con la estructura, lo cual sucede en la mayoría de las veces, debido a que no fueron consideradas en el diseño original de ingeniería. Un caso muy frecuente se da cuando las paredes divisorias no estructurales se construyen de tal forma que quedan firmemente sujetas a los elementos estructurales(Diapositiva Nº40), y trabajan como parte del sistema resistente. Como son elementos que no fueron diseñados para esa función, lo normal es que fallen. Una forma de evitar esta interacción entre elementos (Diapositiva Nº41)estructurales y no estructurales es desacoplando la pared del marco y permitiendo el movimiento libre de este.
Columna corta
Otra causa de daño y colapso de edificios relacionados a lo mencionado anteriormente es el problema de columna corta. Ocurre cuando hay columnas que han sido acortadas de una altura inicial (altura entre pisos), a una altura más corta debido a la inclusión de muros de relleno (Diapositiva Nº42). Este tipo de columnas presenta primero falla frágil por cortante (Diapositiva Nº43)antes que la falla dúctil por flexocompresión.
Impacto entre edificios adyacentes
El impacto que ocurre entre edificios debido a la proximidad existente entre ellos es otra causa de daño e inclusive de colapso (Diapositiva Nº44). El choque resulta más dañino cuando la altura de los entre pisos no coincide en ambas estructuras. Para evitar este fenómeno (Diapositiva Nº45)se busca respetar una distancia prudencial que se obtiene con el desplazamiento máximo de ambos edificios (Diapositiva Nº46).
Proceso de Diseño Sismo-Resistente
Como se ha presentado anteriormente, el proceso de diseño para obtener una obra segura contra terremotos requiere una serie de etapas que deben ser realizadas de acuerdo al lineamiento que demanda el riesgo existente en el lugar donde se ubica la estructura (Diapositiva Nº47).
Estudios básicos
Es fundamental conocer el valor de la amenaza sísmica en el sitio. Debe conocerse cual es la intensidad de los registros de aceleraciones que se presentan en la obra cada cierto número de años, los cuales tienen un determinado período de retorno calculado en base a la historia sísmica.
Es necesario también conocer los riesgos asociados a la respuesta dinámica y características del suelo, y determinar los riesgos de licuefacción y falla de taludes, que pueden hacer que el sitio elegido sea inapropiado para la construcción de un hospital.
Demanda
El diseño seguro debe ser ejecutado de manera multidisciplinaria (médicos, administradores, ingenieros, arquitectos, etc.) para que responda a los requerimientos de todas las partes. El mayor número de problemas se presentan por la falta de coordinación y poca comunicación entre las partes involucradas.
El edificio debe responder elásticamente, sin daño estructural ante sismos moderados, es decir, sismos que tienen una alta probabilidad de que ocurran varias veces durante la vida útil de la estructura. Por otra parte, no debe alcanzar la ruina total ante sismos fuertes, o sea sismos con una baja probabilidad de ocurrencia durante su vida útil, y debe seguir funcionando después del mismo.
Para ello, es necesario proveer de una estructura apropiada. La configuración física es de suma importancia en el control de la respuesta, pues de ella depende el que no se presenten efectos indeseables como torsión en planta, choque de estructuras, excesiva flexibilidad, columnas cortas, pisos suaves, etc.
Diseño
Con los datos del sismo de diseño y con las herramientas de la dinámica de estructuras, se procede luego al análisis estructural para asignar resistencia y ductilidad a los elementos. Si se cuenta con información sobre el diseño y características de los materiales de los elementos no estructurales, estos deben ser incluidos en el análisis. El cumplir con las normas y proveer un detalle apropiado permite a la estructura sobrevivir a un sismo fuerte sin ruina total. Sin embargo en el caso de los hospitales también se debe asegurar el funcionamiento inmediatamente después del sismo.
Verificación
La verificación de los desplazamientos máximos absolutos y relativos es un requisito que todo cálculo debe efectuar, tanto para limitar el daño estructural, como el no estructural. La mayoría de las normas indican que los desplazamientos relativos no deben exceder un uno por ciento de la altura entre pisos.
Las verificaciones del diseño estructural se hacen con base en los desplazamientos y con base en la revisión de que la falla en cortante no ocurrirá primero que la falla de flexión. Se pretende también que las rótulas plásticas ocurran primero en las vigas y luego en las columnas. Se debe verificar en cada unión viga — columna que la suma de resistencias de las vigas que llegan al nudo sea menor que la suma de resistencias de las columnas que llegan al nudo.
Las últimas tendencias para el diseño de edificaciones establecen que los edificios deben ser diseñados de forma tal que continúen en operación después de un sismo “raro” (probabilidad de ocurrencia del 10% en 50 años), y que permanezca al menos en condición de ocupación inmediata después de un sismo “muy raro” (probabilidad de ocurrencia del 10% en 100 años).
Vulnerabilidad de Estructuras Existentes
Los análisis de vulnerabilidad estructural se realizan con el propósito de evaluar la seguridad sísmica en edificaciones existentes o por construir. Estos análisis se hacen en estructuras que hayan sido o no dañadas por sismos, e indican si es necesario el refuerzo estructural con el fin de asegurar el funcionamiento ininterrumpido con posterioridad a un sismo.
El análisis debe indicar entre otras cosas, las deficiencias de la estructuración, configuración física y resistencia de sus elementos, que hacen de la estructura una edificación vulnerable (Diapositiva Nº49).
Metodologías de análisis de vulnerabilidad
Los procedimientos de evaluación de la vulnerabilidad sísmica se clasifican en dos:
- Métodos cualitativos
- Métodos cuantitativos
Métodos cualitativos
Los métodos cualitativos (Diapositiva Nº50) tiene como objetivo evaluar de forma rápida y sencilla las condiciones de seguridad estructural de la obra. Con estos métodos la estructura recibe una clasificación de acuerdo a la evaluación de parámetros tales como la edad de la edificación, el estado de conservación, la característica de los materiales, el numero de pisos, la configuración geométrica arquitectónica y la estimación de la resistencia al cortante en base al área de los elementos verticales resistentes en cada piso y dirección. También reciben clasificación las condiciones geológicas y la amenaza sísmica en el sitio de la obra.
La calificación de los métodos cualitativos sirve para realizar un tamizado y reafirmar la seguridad de la estructura. Si con este diagnóstico alguna edificación resulta ser insegura, se requerirá de análisis cuantitativos más detallados para conocer su vulnerabilidad sísmica.
Métodos cuantitativos
Los métodos cuantitativos deben determinar la resistencia de la estructura principal. Sus procedimientos en términos generales son muy parecidos a los expuestos anteriormente para el diseño de estructuras nuevas sismo-resistentes. La diferencia con respecto a los métodos de diseño radica en que en el diseño de estructuras nuevas el diseñador provee un nivel de ductilidad a la estructura, en cambio, en el análisis de vulnerabilidad la ductilidad es un valor propio de la estructura y en muchas ocasiones es incierto.
Los métodos cuantitativos requieren de la mayor recopilación de información posible, por lo tanto son más precisos que los cualitativos para predecir el tipo de falla y el lugar donde se producirán. Son métodos más confiables al momento de estimar la seguridad de una edificación frente a sismos.
Si la estructura no cumple los requisitos de resistencia, flexibilidad y ductilidad debe ser objeto de refuerzo para elevar su nivel de seguridad sísmica estructural.
Refuerzo de Estructuras Existentes
El refuerzo estructural debe aplicarse a aquellas edificaciones que demuestren ser vulnerables después de un estudio de vulnerabilidad. El análisis de vulnerabilidad debe indicar las deficiencias de la estructura a nivel de resistencia, flexibilidad y ductilidad, así como indicar los defectos de su configuración arquitectónica (Diapositiva Nº51).
El refuerzo debe por lo tanto corregir las deficiencias y lograr una estructura cuya respuesta sísmica sea segura, seleccionando un sistema de reforzamiento que entorpezca lo menos posible en el funcionamiento (Diapositiva Nº52), tanto durante el proceso, como en su resultado final. Siempre que sea posible, el reforzamiento se debe realizar sin desalojar el establecimiento de salud.
El análisis de la estructura reforzada debe realizarse considerando la amenaza sísmica y los elementos que se incorporan o se eliminan. Debe considerar los elementos no estructurales, comprobando su eficiencia en el mejoramiento o deterioro de la respuesta. En la medida de lo posible el refuerzo de estructuras debe considerar la eliminación de los defectos arquitectónicos e ingenieriles que se detecten con el estudio de la vulnerabilidad.
El diseño de los nuevos elementos debe ser tan riguroso como en el caso de estructuras nuevas y debe prestarse especial cuidado al detalle de unión de los elementos nuevos con la estructura existente.
En general, un reforzamiento busca descargar la estructura existente de las deformaciones y esfuerzos a que originalmente estaba sujeta la estructura para ser absorbidos por los nuevos elementos estructurales.
Tipos de refuerzo estructural más usados
Con el reforzamiento estructural, la mayoría de las veces, se busca hacer más rígida la estructura existente y por ende, disminuir los desplazamientos. Entre los elementos que se pueden agregar para cumplir con este objetivo están:
- Muros de relleno (Diapositiva Nº53)
- Elementos en contrafuerte (Diapositiva Nº54)
- Disipadores de energía (Diapositiva Nº55)
- Pórticos perimetrales (Diapositiva Nº56)
- Elementos de arriostre (diagonales) (Diapositiva Nº57).
- Incremento en la resistencia y rigidez de los elementos existentes mediante la modificación de la sección transversal (Diapositiva Nº58)
Todas las alternativas dependerán del diseño arquitectónico propuesto.
Los costos de reducir los daños causados por los desastres naturales en oscila entre 4% y 8% del valor total
Procedencia de las Dispositivas y Figuras
- Biblioteca OPS/OMS
- Biblioteca NOAA (National , National Geophysical Data Cente)
- British Geological Survey
- Arq. Teresa Guevara
- Ing. Omar Dario Cardona
- Ing. Jaime Argudo
- Ing. Miguel Cruz, Dr. S