UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA ESCUELA DE POS GRADO
RIESGO SÍSMICO EN LOS EDIFICIOS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SEDE SEDE JAÉN PROYECTO DE TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAGISTER EN CIENCIAS – MENCION MENCION INGENIERIA CIVIL Presentado por Giancarlo Franco Silva González ASESOR: Dr. Ing. Miguel Ángel Mosqueira Moreno.
JAÉN - CAJAMARCA - PERÚ 2017
I.
GENERALIDADES
1.1. Título del proyecto Riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén.
1.2. Autor 1.2.1. Nombres y apellidos Giancarlo Franco Silva González.
1.2.2. Grado académico Bachiller en Ingeniería Civil.
1.2.3. Título profesional Ingeniero Civil.
1.2.4. Dirección, e-mail y teléfonos
Psje San Juan 137
E-mail:
[email protected]
Celular: 984684669
Teléfono fijo: 076 432745.
1.3. Asesor 1.3.1. Nombres y apellidos Miguel Ángel Mosqueira Moreno.
1.3.2. Grado académico Doctor en Ciencias e Ingeniería.
1.3.3. Título profesional Ingeniero Civil.
1.3.4. Dirección, e-mail y teléfonos
Centro de labores: Universidad Universidad Nacional de Cajamarca
E-mail:
[email protected]
RPM #976867896
1.4. Tipo, área y línea de investigación: investigación : 1.4.1. Tipo de investigación investigación 2
I.
GENERALIDADES
1.1. Título del proyecto Riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén.
1.2. Autor 1.2.1. Nombres y apellidos Giancarlo Franco Silva González.
1.2.2. Grado académico Bachiller en Ingeniería Civil.
1.2.3. Título profesional Ingeniero Civil.
1.2.4. Dirección, e-mail y teléfonos
Psje San Juan 137
E-mail:
[email protected]
Celular: 984684669
Teléfono fijo: 076 432745.
1.3. Asesor 1.3.1. Nombres y apellidos Miguel Ángel Mosqueira Moreno.
1.3.2. Grado académico Doctor en Ciencias e Ingeniería.
1.3.3. Título profesional Ingeniero Civil.
1.3.4. Dirección, e-mail y teléfonos
Centro de labores: Universidad Universidad Nacional de Cajamarca
E-mail:
[email protected]
RPM #976867896
1.4. Tipo, área y línea de investigación: investigación : 1.4.1. Tipo de investigación investigación 2
La finalidad de esta investigación es aplicada; se va a usar un enfoque teórico mixto; los objetivos son descriptivos y explicativos; la fuente de datos es primaria; el diseño de prueba de la hipótesis es no experimental; la temporalidad es longitudinal y transversal; el contexto donde se desarrollará esta investigación será en campo y gabinete; la intervención disciplinaria es unidisciplinaria.
1.4.2. Área de investigación: investigación: Ingeniería civil. 1.4.3. Línea de investigación: Ingeniería sísmica.
1.5. Localidad e institución donde se desarrollará desarrollar á el proyecto: Edificios del Campus Universitario de la Universidad Nacional de Cajamarca – Jaén.
II.
PLAN DE INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN
2.1. El Problema de la Investigación 2.1.1. Planteamiento del problema 2.1.1.1. Contextualización En el Perú la actividad sísmica está es tá asociada al proceso de subducción sub ducción de la placa de Nazca bajo la placa Sudamericana, donde se libera una gran cantidad de energía acumulada (más del 80%). Esto hace que sea un país altamente sísmico, por lo que es muy importante comprender este fenómeno para poder mitigar daños, si en caso se diera un evento sísmico. (Tavera, 2014). Aún con las tecnologías de hoy en día, es casi imposible predecir la fecha de un sismo; sin embargo con los avances avance s en la sismología, se está permitiendo per mitiendo un buen entendimiento de la mecánica y las proporciones de ocurrencia de sismos en el mundo, que luego serán útiles para el diseño y la evaluación de las estructuras existentes (Bolaños y Monroy, 2004). Esto implica que para tener un buen diagnóstico del riesgo riesgo lo primero que debe realizarse es una evaluación del peligro sísmico, más específico en los emplazamientos de las estructuras tales como grandes presas, puentes, autopistas, edificios, etc. Ya que el costo de construir cada una de estas 3
estructuras y su importancia para el país es demasiado alto como para permitir apoyarse solamente en mapas generales de peligro sísmico. (Castillo y Alva, 1993). Todas las instituciones educativas, institutos superiores y universidades son edificaciones esenciales, su funcionamiento no debe interrumpirse después de un sismo severo y deben servir de refugio después de un desastre. (NTE.E030, 2016). Por tal motivo es muy importante intervenir en la determinación del nivel de riesgo sísmico de las diversas estructuras existentes, pues muchas no tienen un adecuado funcionamiento, ya que han sido diseñadas con criterios de normativas antiguas, a veces inadecuadas. (Bonnet, 2003). Para la determinación del riesgo sísmico de un edificio debemos de analizar el nivel del diseño sismorresistente del edificio, así como las características del entorno. (Serrano y Lanzarote, 2015). Es decir la probabilidad que ocurra un sismo en base a registros históricos, sumado al nivel de resiliencia de la infraestructura.
2.1.1.2. Descripción del problema La ciudad de Jaén se encuentra ubicada en una zona de sismicidad media – zona 2 (Norma NTE-E030, RNE 2016), pero debido a que los sismos son impredecibles, es importante conocer el nivel de riesgo actual de sus edificaciones, para poder tomar precauciones en las futuras construcciones. Según el mapa sísmico al año 2016 del IGP, es la zona con mayor actividad sísmica de la región Cajamarca. Para el diseño de estructuras usamos el espectro que nos brinda la norma NTEE030, el cual se obtiene multiplicando las ordenadas del espectro “estándar” por la aceleración máxima efectiva (obtenida del factor de zona Z especificado en los códigos o del análisis de peligro sísmico). De este modo las ordenadas están directamente escaladas con el valor de la aceleración (el único valor que posee una probabilidad de excedencia). Debido a que el espectro de diseño obtenido de esta manera tiene una forma constante, la probabilidad de excedencia para los 4
periodos cortos puede ser diferente que para los periodos largos, donde únicamente los periodos cortos tendrán la misma probabilidad de excedencia que la aceleración máxima efectiva, produciendo de esta manera diseños estructurales con probabilidades de falla diferentes. (Bolaños y Monroy, 2004). Es por ello que es necesario elaborar un espectro de probabilidad uniforme o espectro de peligro uniforme para la ciudad de Jaén, que posteriormente utilizaremos en nuestra investigación de la determinación del riesgo sísmico, teniendo en cuenta las fuentes sísmicas, así como las magnitudes y distancias a los focos epicentrales que se han registrado hasta el momento. En la figura 1(a) se muestra la distribución del factor Z a lo largo del territorio peruano; y en la figura 1(b), los sismos registrados desde el año 1963 hasta el año 2016, en magnitud Momento (Mw), los cuales servirán para la elaboración del catálogo sísmico con el cual se determinará el peligro sísmico. Fig. 1 : (a) Zonas sísmicas; (b) Mapa sísmico del Perú.
Fuente: (a) Figura N° 1 - NTE E.030, Diseño Sismorresistente. Lima, Perú.2016. (b) Instituto
Geofísico del Perú, 2016. [http://scts.igp.gob.pe/unidad-sismologia/mapa-sismico ].
La Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén, posee edificaciones construidas sin un diseño sismorresistente adecuado, es por ello que es necesario 5
determinar el nivel de riesgo sísmico de sus edificios, para así poder conocer de una manera más cercana a la realidad, su nivel de repuesta ante sismos que se pudieran dar en la ciudad de Jaén. Para lo cual es necesario elaborar nuestro propio espectro de diseño, basado en las leyes de la estadística. Fig. 2 : Edificaciones de La Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén.
2.1.1.3. Formulación del problema ¿Cuál es el nivel de riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén?
2.1.2. Justificación de la investigación a) Justificación científica Mediante esta investigación se estudiarán los factores que hacen a un edificio vulnerable, para lo cual se considerarán sismos con una aceleración espectral que 6
va a ser calculada de acuerdo a los registros de los catálogos sísmicos y de la base de datos de todos los movimientos que pudiesen afectar a las estructuras en la ciudad de Jaén. Además se aplicará una metodología muy utilizada en diferentes investigaciones para determinar el comportamiento sísmico aplicando los criterios de las normas NTE. 020, NTE. 030, NTE. 050 y NTE. 060.
b) Justificación técnica-práctica La solución del problema planteado, permitirá al profesional en Ingeniería Civil, que se desempeña en proyectos de construcción de edificaciones de instituciones educativas, tener un criterio adecuado para evaluar el nivel de riesgo sísmico a que se exponen sus diseños, con el fin de garantizar la seguridad estructural frente a un evento sísmico importante que se pudiera dar en la ciudad de Jaén y en cualquier parte del Perú. Mediante esta investigación se elaborarán medidas de mitigación en casos de sismos que pudiesen ocurrir, que servirán de guía para el reforzamiento de las diferentes estructuras esenciales en la ciudad de Jaén.
c) Justificación institucional y personal La Universidad Nacional de Cajamarca, por medio de la Escuela de Pos Grado, tiene como proyección solucionar problemas en beneficio de la comunidad, es por ello que uno de sus objetivos es expandir los conocimientos aplicados a la Ingeniería Civil, respecto al estudio de la Ingeniería Sísmica, con el fin de garantizar un comportamiento seguro de las edificaciones durante eventos sísmicos. La presente investigación es importante y necesaria porque nos permitirá conocer el estado actual de los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén, a fin de comprender el nivel de riesgo sísmico al que están expuestas dichas construcciones. Esta investigación, puede ser extendida a muchas edificaciones de la zona y puede servir de guía a los estudiantes de pregrado y post grado. 7
El cálculo de las aceleraciones del suelo y de las ordenadas espectrales, puede ser usado en el diseño de estructuras como puentes, presas, colegios, que se construyesen la ciudad de Jaén y localidades aledañas.
2.1.3. Delimitación de la investigación Nuestra investigación se realizará en la ciudad de Jaén, en las instalaciones del campus universitario de la UNC. Se evaluarán las edificaciones de concreto armado que existen actualmente, siendo 3 edificios que van a ser analizados. o
El primero edificio consta de tres niveles; en su primera planta funcionan las aulas de la carrera profesional de Ingeniería Civil; en el segundo nivel, las aulas de la carrera profesional de Enfermería; y en el tercer nivel, la biblioteca y algunas aulas de la carrera profesional de Ingeniería Forestal.
o
El segundo edificio consta de dos niveles, en los cuales funcionan las aulas de la carrera profesional de Ingeniería Forestal.
o
El tercer y último edificio a analizar tiene solamente un nivel, allí funcionan las aulas del Centro Preuniversitario de la UNC – Jaén.
Se trabajará desde el 01/08/2017 hasta el 01/12/2018 en la ciudad de Jaén.
2.1.4. Objetivos de la investigación
Objetivo general
Determinar el nivel de riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén.
Objetivos específicos
Determinar el nivel de peligro sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén. Determinar el nivel de vulnerabilidad sísmica en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén. Proponer un plan de mitigación en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén. 8
2.1.5. Hipótesis Hipótesis General El nivel de riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén es alto.
Hipótesis Específicas El nivel de peligro sísmico en el área emplazada de los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén, es alto. El nivel de vulnerabilidad sísmica en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén es alta.
2.1.6. Variable en estudio Riesgo sísmico.
Sub Variables: o
Peligro Sísmico.
o
Vulnerabilidad sísmica.
9
2.1.7.Operacionalización de variables Tabla 1. Operacionalización de las variables a usar en la investigación. Variable
Índices
Definición conceptual
Sub Variab les
Peligro sísmico
Riesgo sísmico
El riesgo sísmico suele expresar mediante la Muy alto multiplicación de la Alto peligrosidad y vulnerabilidad Medio del elemento expuesto: Bajo Riesgo = Peligro x Vulnerabilidad. (INDECI, 2006).
Vulner abilida d sísmica
Definición de Sub Variables
Índices
Factores
Es la probabilidad de ocurrencia de Muy alto movimiento sísmico de cierta intensidad Alto en una zona Sismicidad determinada durante Moderado un tiempo definido. (Serrano y Temes, Bajo 2015).
Es el nivel de daño que pueden sufrir las edificaciones durante un sismo y depende de las características del diseño de la edificación, de la calidad de materiales y de la técnica de construcción. (Kiroiwa, 2002).
Muy alta
Comportamie nto Sísmico
Alta Media Baja
Estado actual de los edificios Estabilidad de muros al volteo
Indicador
Fuente de recolección de datos
Aceleración espectral (g) para un periodo de retorno de 475 años
Catálogo sísmico al año 2018 del Instituto Geofísico del Perú (IGP), programa computacional CRISIS 2015
Desplazamientos relativos de entrepiso y espesor de la junta sísmica
Modelo estructural ETABS
Resistencia de las vigas
Modelo estructural ETABS
Resistencia de las columnas
Modelo estructural ETABS
Tipo de falla de la edificación
Modelo estructural ETABS
Falla por columna corta
Modelo estructural ETABS
Deflexiones Excesivas
Ficha de encuesta
Humedad en muros
Ficha de encuesta
Grietas y fisuras
Ficha de encuesta
Estabilidad de muros al volteo
Modelo estructural ETABS, hojas de Cálculo en Excel
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2.2. Marco Teórico 2.2.1. Marco Legal Para el desarrollo de la investigación, será necesario revisar las siguientes Normas:
Norma Peruana NTE E.020, 2006.
Norma Peruana NTE E.30, 2016.
Norma Peruana NTE E.50, 2006.
Norma Peruana NTE E.60, 2009.
2.2.2. Antecedentes 2.2.2.1.
Antecedentes internacionales
2.2. Marco Teórico 2.2.1. Marco Legal Para el desarrollo de la investigación, será necesario revisar las siguientes Normas:
Norma Peruana NTE E.020, 2006.
Norma Peruana NTE E.30, 2016.
Norma Peruana NTE E.50, 2006.
Norma Peruana NTE E.60, 2009.
2.2.2. Antecedentes 2.2.2.1.
Antecedentes internacionales
Serrano y Temes (2015), realizaron una evaluación del riesgo sísmico mediante métodos avanzados y técnicas GIS aplicándolos a los edificios de la comunidad Valenciana y determinó que con intensidades sísmicas superiores a VII grados, según la Escala Macrosísmica Europea, los edificios de las ciudades de Alicante, Valencia y Castellón sufren daños graves en un 13%, 8% y 0.2%, respectivamente. Lantada (2007), realizó una Evaluación del riesgo sísmico mediante métodos avanzados y técnicas GIS aplicándolo a la ciudad de Barcelona, en dicha investigación llego a las siguientes conclusiones: los edificios de mampostería altos son los que sufren mayor daño ante un sismo mientras que los bajos sufren menos daño que los edificios de hormigón armado de la misma clase. Finalmente afirma que la vulnerabilidad de los edificios de Barcelona es entre moderada y alta.
2.2.2.2.
Antecedentes Nacionales
Quiroz (2017), determinó el nivel de vulnerabilidad sísmica de una edificación escolar típica módulo 780 Pre NDSR-1997 mediante modelos no lineales; para lo cual estudió dos módulos escolares de dos y tres pisos denominados 780 Pre 11
NDSR-1997 en Lima Metropolitana. La vulnerabilidad sísmica fue obtenida a partir de las “funciones de vulnerabilidad” en el que se relacionó la distorsión máxima de
la estructura y el daño esperado obtenido a partir de la curva de capacidad bilinealizada relacionando los desplazamientos máximos en el techo con cada nivel de daño dado. Los resultados determinaron que en el módulo de dos pisos para un desplazamiento en el techo de 34.65mm y una distorsión de 0.56% la estructura es inestable cercano al colapso y el porcentaje de daño supera el 74.49%. En el módulo de tres pisos para un desplazamiento en el techo de 50.85mm y una distorsión de 0.55% la estructura es inestable cercano al colapso y el porcentaje de daño supera el 79.25%. Mosqueira (2013), determinó el nivel de riesgo sísmico de las edificaciones de la facultad de ingeniería de la Universidad Nacional de Cajamarca. Se pudo concluir que éstas presentan riesgo alto, debido a una vulnerabilidad sísmica alta y a un peligro sísmico alto. Los edificios fallan debido a desplazamientos laterales de entrepiso mayores a 0.007, los efectos columna corta, la falla frágil de las columnas, inestabilidad de sus tabiques, zona sísmica alta (aceleración máxima de 0,4g), características de suelo de fundación inadecuado y un sistema estructural tradicional. Ortiz (2011), evaluó el peligro sísmico de la Región Tacna. Donde determinó la aceleración máxima y el periodo de recurrencia que se registra en la Región de Tacna, asimismo calculó los parámetros sísmicos en esta esta parte del Perú, usando el programa Crisis 2007 (Ordaz et al ,2007). Para recolectar los datos se utilizaron las fuentes sismogénicas propuestas por Alva y Castillo (1993). En este trabajo se usó uso la magnitud momento (Mw), y se incluyó una ley de atenuación que distingue sismos de subducción de interfase e intraplaca, que incluye ordenadas espectrales que fueron calculados para once periodos, el primero correspondiente a la aceleración máxima del suelo (0.0seg), y el resto con valores que varían de 0.1 seg a 3.0 seg . Finalmente se concluyó que mayores aceleraciones obtenidas son del orden de 0.38 g cuando el período es t=0 seg y 12
de 0.77 g para la aceleración espectral horizontal con 5% de amortiguamiento cuando t=3 seg, ambos valores para una vida útil de 50 años y un periodo de retorno de 475 años. Bolaños y Monroy (2004), utilizaron por primera vez en el Perú las leyes de atenuación de ordenadas espectrales para el cálculo del peligro sísmico probabilístico, además determinaron las aceleraciones máximas del suelo y los espectros de peligro uniforme para tres ciudades del Perú (Lima, Arequipa e Iquitos). Desarrollaron el sofware ‘‘MRiesgo’’ para graficar los resultados en función de probabilidades de excedencia versus un parámetro del movimiento del suelo (aceleración máxima esperada o respuesta estructural) para un solo sitio o distintos sitios. Los datos fueron extraídos del Catálogo Sísmico del Perú (15001982), elaborado por Daniel Huaco del Instituto Geofísico del Perú (IGP), y actualizado al año 2000. Concluyeron que los valores del factor de amplificación espectral con respecto a la aceleración máxima del suelo (Sa(Tn)/Amax) para 5% de amortiguamiento y Tn=0,2seg, calculados para diferentes ubicaciones en el País, presentan diferencias pequeñas de hasta 3% aproximadamente. Sin embargo, los valores de amplificación espectral para Tn=1,0seg aumentan de Oeste a Este de manera significativa (40% en Iquitos). Esta variación hace evidente la necesidad de contar con espectros propios de cada región.
Antecedentes Locales Silva (2017), evaluó el nivel de riesgo sísmico de las viviendas de albañilería confinada de urbanización Las Almendras de la ciudad de Jaén, analizando las características técnicas, los errores arquitectónicos, constructivos y estructurales de una muestra de 50 viviendas. Para determinar el peligro sísmico se basó en la sismicidad de la norma NTE E.030, en el tipo de suelo y la topografía de la zona. Para determinar la vulnerabilidad sísmica, calculó la densidad de muros y la estabilidad de muros al volteo de cada vivienda, además de estudiar la calidad de mano de obra y calidad de los materiales usados. Finalmente concluyó que las
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viviendas que tienen un nivel de riesgo sísmico alto, representan el 56% del total; mientras el resto presentaban un nivel de riesgo sísmico medio. Marin (2014), determinó la vulnerabilidad sísmica de los pabellones 1 y 2 de la I.E. Estatal Ramón Castilla y Marquesado del distrito de Jaén – Cajamarca, dando a conocer que Los pabellones 1 y 2 de la Institución Educativa Estatal Ramón Castilla
y
Marquesado,
tienen
vulnerabilidad
sísmica
alta
y
media
respectivamente; a causa de su comportamiento sísmico inadecuado, elevada rigidez de la columna corta, inestabilidad de sus tabiques y su regular a mal estado de conservación. Las características geométricas, constructivas y estructurales que más influyeron en la vulnerabilidad sísmica de los pabellones evaluados fueron: desplazamientos relativos de entrepiso, falla de columna corta, calidad del tipo de mampostería, calidad de líneas resistentes y uso de la normativa antisísmica.
2.2.3. Bases Teóricas 2.2.3.1. Los sismos Representan la liberación súbita de energía mecánica generada por el movimiento de grandes columnas de rocas en el interior de la Tierra, entre su corteza y manto superior y, se propagan en forma de vibraciones, a través de las diferentes capas terrestres, incluyendo los núcleos externos o internos de la Tierra. Pueden ser originados por procesos volcánicos. (INDECI, 2006). Para el estudio de los sismos es necesario conocer dos puntos imaginarios. Uno de ellos es el foco o hipocentro, que es el centro de propagación de las ondas símicas. El foco se idealiza como un punto en la superficie de falla donde se inicia la ruptura. El otro punto importante es el epicentro, que es la proyección del foco sobre la superficie terrestre. (Mosqueira y Tarque, 2005).
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Fig. 3 : Relación geométrica entre el epicentro y el foco.
Fuente: Goytia y Villanueva, 2001.
La energía liberada en forma de ondas sísmicas durante el fallamiento se propaga a través del medio sólido de la tierra causando vibración y muchas veces destrucción en la superficie. (Bolaños y Monrroy, 2004).
2.2.3.1.1. Tipos de ondas sísmicas Las ondas sísmicas se clasifican en ondas de cuerpo y de superficie. Las ondas de cuerpo son las que se generan en el interior de la corteza terrestre y se trasmiten a la superficie, pueden ser: Ondas Primarias (P), que son las más veloces y se propagan en la dirección en la que la energía se irradia; y Ondas Secundarias (S), que son más lentas, tienen mayor energía acumulada y viajan en dirección perpendicular su vibración. (Wakabayashi y Martinez, 1990). Las ondas de superficie son las que se propagan en la superficie de la Terra y se manifiestan con más frecuencia en sismos poco profundos. Principalmente se clasifiacan en dos tipos: las ondas Love (L) y las ondas Rayleigh (R). La onda L tiene lugar en las formaciones estratificadas y vibra en un plano paralelo a la superficie de la Tierra y perpendicular a la propagación de la onda. La onda R vibra en un plano perpendicular a la superficie de la Tierra y presenta un movimiento elíptico. Su velocidad es menor, aunque muy semejante a la de una onda S. (Wakabayashi y Martinez, 1990).
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Fig. 4 : Tipos de ondas sísmicas.
Fuente: Kiroiwa, 2002.
2.2.3.1.2. Medición de los sismos Los sismos pueden ser medidos cuantitativamente en función de la cantidad de energía liberada y cualitativamente según el grado de destrucción que ellos causan. (Bolaños y Monrroy, 2004).
2.2.3.1.2.1. Intensidad Sísmica La intensidad sísmica, se refiere los efectos producidos por el sismo en la superficie, y el daño sobre la infraestructura. La escala que se utiliza con mayor frecuencia es la de Mercalli Modificada, que comprende doce grados de intensidades. (Rivera, 2005).
Grado I. Movimiento sísmico imperceptible para la gran mayoría de
personas y únicamente percibido por los sismógrafos. Los pájaros y otros animales pueden manifestar un cierto desasosiego. Instrumental.
Grado II. Movimiento percibido por ciertas personas, especialmente las que
se encuentran en ambientes apacibles, echadas o recostadas y en los pisos superiores de los edificios. Muy débil.
Grado III. Sacudidas detectadas por muchas personas en el interior de las
casas, aunque, en ocasiones, no las reconocen como un sismo, sino como debido
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al paso de camiones. Pueden llegar a percibirse la duración y la dirección del movimiento. Ligero.
Grado IV. Sacudida percibida por la mayoría de las personas en el interior
de los edificios y por algunas que circulan por las calles. Oscilación de objetos colgantes, crujidos de paredes, tintineo de cristales y vajillas. Ligeras oscilaciones de algunos coches parados. Moderado.
Grado V. Sacudida percibida prácticamente por toda la población afectada,
estimándose perfectamente la dirección y duración del fenómeno; las personas que duermen pueden despertarse. Caída de objetos en equilibrio, oscilación de puertas, movimiento de objetos colgados de las paredes, parada o puesta en marcha de los relojes de péndulo. Algo fuerte.
Grado VI. Lo sienten todas las personas, las cuales tienden a abandonar
los edificios, las que se hallan en movimiento pueden sufrir ciertas vacilaciones al desplazarse. Rotura de cristales, vajillas, platos, caída de estanterías, cuadros y objetos
colgados
de
las
paredes,
oscilación
de
muebles
pesados,
resquebrajamiento de tabiques, enlucidos y muros de poca calidad. Suenan espontáneamente las campanas de las iglesias. Fuerte.
Grado VII. Se hace difícil permanecer de pie durante las fases principales
de sacudidas con esta intensidad; perceptibles en automóviles en movimiento; rotura de muebles, aleros y tejados débiles; desprendimiento de enlucidos de yeso, cal y piedra, cornisas y adornos arquitectónicos. Los daños en edificios bien proyectados y construidos son escasos, pero pueden ser considerables en construcciones de deficiente calidad. Se producen olas en la superficie de los estanques y se enturbian las aguas. Tañido general de campanas. Muy fuerte.
Grado VIII. Perturbaciones notables en la conducción de automóviles,
frecuente pérdida del control; caída de tabiques, monumentos, torres, depósitos elevados, etc.; las casas de madera se mueven sobre sus cimientos y pueden caer; rupturas de cercas deterioradas, cambios de caudal o nivel en manantiales y pozos, desprendimientos de terrenos con grandes pendientes. Destructivo.
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Grado IX. Pánico general entre la población. Rotura de conducciones
subterráneas, agrietamiento del suelo, destrucción de puentes, deformaciones en los rieles de los ferrocarriles. En zonas aluviales, expulsión de arenas y fangos. Serios daños en edificaciones y cimientos; derrumbamiento total de muros de no muy buena calidad. Ruinoso.
Grado X. Destrucción de la mayor parte de estructuras de mampostería y
de madera, incluso en sus cimientos; graves daños en presas, muros de contención, etc.; graves derrumbamientos y desplazamientos de terrenos. Algunos edificios bien construidos experimentan daños de construcción; desbordamiento de agua en canales, lagos, ríos, etc. Desastroso.
Grado XI. Prácticamente no queda en pie ninguna estructura de
mampostería. Las conducciones subterráneas quedan fuera de servicio. Graves daños en edificios, incluso de buena calidad. Muy desastroso.
Grado XII. Desaparición prácticamente total de todo rastro de construcción
humana. Grandes desplazamientos de tierras, proyección de objetos hacia lo alto, formación de grandes fallas, notables deformaciones en el terreno. Se producen grandes cambios en la topografía de las zonas afectadas. Catastrófico.
2.2.3.1.2.2. Magnitud Sísmica La magnitud sísmica mide la energía liberada. La escala de magnitud más conocida es la propuesta por Richter, sin embargo la que constituye la expresión física más próxima a la dimensión real del sismo es la escala Magnitud Momento (Mw). (Kiroiwa, 2002). La definición de la magnitud se ha extendido posteriormente, para ser utilizada en diferentes métodos para calcular la distancia epicentral, los cuales dependen de la escogencia de la amplitud de la onda sísmica apropiada. (García, 1998). Existen diferentes escalas para poder medir la magnitud de los sismos, estas escalas son la magnitud local (Ml), la magnitud superficial (Ms), la magnitud de ondas de cuerpo (Mb) y la magnitud momento (Mw). 18
Magnitud Local (ML): Se le conoce también con el nombre de magnitud de Richter. Es una medición instrumental y se calcula a partir del sismógrafo. Fue definida en el año 1935 y trabajada para sismos locales o cercanos, como el logaritmo en base la de la amplitud de la máxima onda sísmica expresada en milésimos de milímetro (10 -6 m), registrada en un sismógrafo marca Wood Anderson, localizado a 100 km del epicentro. Esta definición no especifica el tipo de ondas a utilizar en la determinación de la amplitud. La magnitud local es muy sensitiva al tipo de instrumento empleado y a la distancia a la cual se realizó el registro. (García, 1998). Se determina a través de la siguiente expresión, empleada por Ortiz (2011): = log − log … (Ecuación 2.1)
Donde, A es la Amplitud máxima registrada en una estación por un sismógrafo de Wood-Anderson
(amplificación
2800,
período
0.85s
y
un
factor
de
amortiguamiento igual a 0.8). A0 es la Amplitud correspondiente a calibración de la escala se hizo tomando ML = 3 para el terremoto que a 100 km de distancia se registra con A = 1 mm.
Magnitud de Ondas Superficiales (MS): La magnitud de ondas superficiales fue desarrollada por Gutemberg y Richter (1936), está basada en la amplitud de las ondas Rayleigh con un periodo de 20 segundos. La magnitud superficial utiliza la amplitud máxima del desplazamiento del suelo en vez de la amplitud del sismógrafo, su valor puede ser determinado de cualquier sismógrafo. Se determina mediante la siguiente expresión: = log + 1.66 log ∆ + 2.0… (Ecuación 2.2)
Donde, A es la amplitud del desplazamiento del suelo en micrómetros y Δ es la distancia epicentral del sismómetro medida en grados Esta escala es comúnmente usada para medir sismos cuya distancia es menor a 1000 km y profundidades menores a 70 km. 19
Magnitud de Ondas de Cuerpo (Mb): Para sismos de hipocentro profundo, las ondas supeficiales pueden ser muy pequeñas para permitir una evaluación confiable de la magnitud. Gutemberg (1945), desarrolló la magnitud de ondas de cuerpo, basándose en la amplitud de los primeros ciclo de las ondas P, y se expresa como: = log − log + 0.01∆ + 5.9… (Ecuación 2.3)
Donde, A es la amplitud de las ondas P en micrómetros, T es el periodo de la onda P (usualmente un segundo) y Δ la distancia epicentral medida en grados.
Magnitud Momento (MW): Debido a que las magnitudes ML, MS y M b se saturan a grandes valores, Hanks y Kanamori (1979) introdujeron esta magnitud se basa la energía total que libera un sismo (llamada también Momento Sísmico). Midiendo la ruptura de los materiales a lo largo de una falla y está dada por:
= log − 10.7… (Ecuación 2.4)
Donde, M0 es el Momento Sísmico (en N-m y din-cm) es definido por la ecuación: = … (Ecuación 2.5)
Siendo μ la rigidez de la roca en dinas/cm2, D el desplazamiento promedio de la falla en cm, y A es el área del segmento que sufrió la ruptura expresada en cm2.
2.2.3.1.2.3. Energía Sísmica La Energía total liberada por un terremoto es la suma de la energía disipada en forma térmica por la deformación en la zona de ruptura y la energía emitida como ondas sísmicas. (Bolaños y Monroy, 2004). Para determinar la energía sísmica utilizamos la relación de Gutenberg y Richter (1956), que asocian la energía a la magnitud de ondas superficiales: log = 1.5 + 11.8… (Ecuación 2.6)
20
Dónde, E es la energía liberada expresada en ergios. La cantidad de energía liberada por los sismos es frecuentemente difícil de comprender; aun cuando un solo erg es pequeño (1 erg = 7.5 x 10-8 ft-lb), la energía liberada en una bomba atómica del tamaño usado en Hiroshima (equivale a 20000-ton TNT) correspondería a un sismo de magnitud 6.0. Sobre este fundamento, el sismo de Chile en 1960 (Mw = 9.5) liberó tanta energía como 178 000 bombas atómicas. (Marín, 2012).
2.2.3.2. Peligro Sísmico Es la probabilidad de ocurrencia de uno o más eventos sísmicos con determinadas magnitudes e intensidades, que puede afectar un área determinada. (INDECI, 2011). Representa la probabilidad de ocurrencia, dentro de un periodo específico de tiempo y dentro de un área dada, de un movimiento sísmico del terreno de un nivel de severidad determinado. (Serrano y Temes, 2015). Existen dos enfoques para representar el peligro sísmico: el enfoque determinístico y el enfoque probabilístico. El enfoque determinístico cuantifica el peligro considerando el sismo más destructivo que pueda ocurrir en el sitio, tomando en cuenta la historia sísmica local. El enfoque probabilístico en cambio cuantifica el peligro considerando todos los posibles sismos que puedan ocurrir en el sitio, asociados a un valor de probabilidad. (Bolaños y Monroy, 2004). El enfoque determinístico expresa el peligro en términos absolutos del mayor evento; por tanto no resulta apropiado para tomar decisiones en cuanto al nivel de exposición aceptable en función de la vida útil de una obra. El enfoque probabilístico en cambio considera la posibilidad de ocurrencia de los terremotos en el tiempo de vida útil y se presenta como una mejor herramienta para la toma de decisiones. (Bolaños y Monroy, 2004).
2.2.3.3. Vulnerabilidad Sísmica 21
Se entiende como vulnerabilidad a la incapacidad de una unidad social (personas, familias, comunidad, sociedad), estructura física o actividad económica, de anticiparse, resistir y/o recuperarse de los daños que le ocasionaría la ocurrencia de un peligro o amenaza. (DGPM-MEF, 2007). La vulnerabilidad sísmica se define como la predisposición intrínseca de una estructura o grupos de estructuras para sufrir daños debido a un sismo severo. En otras palabras es el nivel de daño que pueden sufrir las edificaciones durante un sismo y depende de las características del diseño de la edificación, de la calidad de materiales y de la técnica de construcción. (Serrano y Temes, 2015). La vulnerabilidad estructural es la que depende de los elementos estructurales los cuales están en contacto con el medio exterior tales como vigas, columnas, zapatas, muros, losas. (Reque, 2006). La vulnerabilidad no estructural es la que depende de los elementos no estructurales como elementos arquitectónicos, mobiliario y el sistema de instalaciones sanitarias y eléctricas. (Reque, 2006).
2.2.3.4. Riesgo Sísmico El riesgo sísmico es el grado de pérdidas esperadas (heridos, muertos, pérdidas materiales, interrupción de la actividad económica), debido a la peligrosidad sísmica, vulnerabilidad y el grado de los elementos amenazados. (Pereperéz, 2014). Los elementos amenazados son el valor económico de la población, de los edificios y obras civiles, de las actividades económicas, de los servicios públicos e infraestructuras. (Pereperéz, 2014). En Perú el riesgo sísmico es definido como una función de la vulnerabilidad sísmica y del peligro sísmico, que de forma general se puede expresar como: Riesgo = Peligro x Vulnerabilidad (INDECI, 2006). Esta evaluación de riesgo es en forma individual para cada estructura. 22
Como referencia para el cálculo del riesgo sísmico se ha tomado como base la metodología de Fourier d’Albe (1988) citada por Mosqueira y Tarque (2005), en la
cual establece que el riesgo se pude calcular como el promedio aritmético de la vulnerabilidad y del peligro. Teniendo en cuenta riesgo alto, medio y bajo. Riesgo = (0,5 x Vulnerabilidad) + (0,5 x Peligro).
2.2.4. Definición de términos básicos 2.2.4.1.
Desplazamiento relativo de entrepiso
Representa el cociente de la diferencia de los desplazamientos y la altura correspondiente al piso del edificio a utilizar. ( Esteva, 2001). En el Perú, lo límites de distorsión de entrepiso en cada dirección se indican en la siguiente tabla: Tabla 2. Límite de derivas para los diferentes tipos de edificaciones. Límites para la distorsión del entrepiso Material Predominante
( Δi / hei )
Concreto Armado
0.007
Acero
0.010
Albañilería
0.005
Madera
0.010
Edificios de concreto armado con muros de ductilidad
0.005
limitada Fuente: Tabla N° 11 - NTE E.030, Diseño Sismorresistente. Lima, Perú.2016.
2.2.4.2.
Columna corta
Por columna corta de concreto se entiende un elemento en el cual la esbeltez es tan baja que predominan los efectos de cortante sobre los de flexión; cuando estos elementos pertenecen a edificios que se encuentran en zonas con una fuerte actividad sísmica y de relativamente baja altura, éstas condiciones se traducen en 23
que la carga axial a la cual están sometidos dichos elementos es relativamente despreciable comparada a las fuerzas sísmicas cuya magnitud pudiera ser muy importante. Se dice que una columna es corta cuando la relación entre el claro de cortante (distancia entre la cara de la viga y el punto de inflexión en el diagrama de momentos) y el peralte efectivo es menor a 2.5 (a/d ≤ 2.5). (Durán, 2008). Fig. 5 : Presencia de Columnas cortas.
Fuente: Durán, 2008.
2.3. Marco Metodológico 2.3.1. Ubicación geográfica La ubicación de esta presente investigación se desarrollará en la ciudad de Jaén, departamento de Cajamarca; y se desarrolla específicamente en el campus universitario de la UNC-Sede Jaén; que se encuentra en el sector Morro Solar
24
Bajo; entre las calles Marieta, cuadra 7; Arana Vidal, cuadra 8, Universidad, cuadra 2-parte baja; y la calle prolongación Manco Capac, cuadra 9.
2.3.2. Métodos de la investigación Determinación del peligro sísmico: Para su determinación procederemos a la recolección de los sismos ocurridos en el Perú, desde los años 1900 al 2018, el área corresponde a un radio de aproximadamente 400 km y centro en las aulas de la UNC-Jaén. La magnitud escogida es la magnitud momento (M W), y se trabajarán con sismos mayores a 4.5 M W. La recopilación de información es de blibliotecas epecializadas, así como información sismológica obtenida en el catálogo sísmico del Proyecto SISRA (Huaco, 1986) del IGP, y del servicio geológico de Estados Unidos (USGS). Con estos valores elaboraremos un catálogo sísmico para la ciudad de Jaén, asimismo obtendremos las leyes de atenuación que han sido utilizadas por Bolaños y Monroy (2004). Finalmente determinaremos las aceleraciones espectrales (g) para la ciudad de Jaén y el peligro probabilístico para un periodo de retorno de 475 años y una probabilidad de excedencia de 10%. Esta metodología ha sido propuesta por Cornell (1968) El sowfare para determinar estos datos será el CRISIS 2015. Fig. 6 : Esquema del cálculo del peligro sísmico probabilístico.
Fuente: Marín, 2012.
25
El nivel del peligro sísmico se evaluará en función de los límites establecidos por el proyecto GSHAP (Giardinni et al, 1999), que se da en función de la acerelación espectral calculada con el análisis probabilístico y se muestra en la siguiente figura: Fig. 7 : Nivel de peligro sísmico en función la aceleración máxima del suelo en m/s 2, para un periodo de retorno de 475 años
Fuente: Giardinni et al, 1999.
Determinación de la vulnerabilidad sísmica: La vulnerabilidad sísmica depende intrínsecamente de las características de la infraestructura a evaluar, en este caso los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén. Para el cálculo de la Vulnerabilidad Sísmica se utilizará la metodología propuesta por Mosqueira (2012). El cálculo de la vulnerabilidad sísmica se basa de acuerdo al comportamiento sísmico del edificio, al estado actual de los edificios y a la estabilidad de muros al volteo. Para la evaluación del comportamiento se ha modificado la escala en cuatro rangos: adecuado, aceptable, malo y muy malo. El edificio tendrá un comportamiento adecuado si las secciones de las vigas y columnas existentes son suficientes para soportar cargas a las cuales están sometidas, además los desplazamientos relativos de entrepiso son menores a 0.007. El edificio tendrá un comportamiento aceptable si las secciones de las columnas existentes son suficientes para soportar a las cargas a las cuales estén sometidas, las vigas soportan cargas muertas y vivas, pero ante acciones sísmicas pueden fallar; los desplazamientos son menores a 0.007.
26
El edificio tendrá un comportamiento malo si las secciones de las columnas y vigas soportan cargas vivas o muertas, pero fallan ante acciones sísmicas; los desplazamientos de entrepiso son menores a iguales a 0.007. El edificio tendrá un comportamiento muy malo si las secciones de las columnas y vigas no son suficientes para soportar las cargas, los desplazamientos son mayores a 0.007. El estado actual de los edificios se considerará bueno, regular, mala calidad y muy mala calidad. Para la evaluación de la estabilidad se considera cuatro rangos: estables, la mayoría son estables, la mayoría son inestables, y todos inestables. Cuando el 100% de los tabiques son estables antes fuerzas sísmicas perpendiculares a ellos, se considera que todos los muros son estables. Si más del 50% del total de tabiques son estables, se considerará que la mayoría son estables. Si menos del 50% del total de tabiques son estables, se considerará que sólo algunos son estables. Cuando ningún tabique es estable ante fuerzas perpendiculares, se considerará que todos son inestables. Para el cálculo de la vulnerabilidad sísmica se utilizará la siguiente ecuación, (Mosqueira, 2012): = 0.60 + 0.30 + 0.10 …(Ecuación 2.7)
Donde, CS es el comportamiento sísmico, EAE es el estado actual de los edificios y EMV es la estabilidad de muros al volteo. La vulnerabilidad se mide en baja, media, alta y muy alta según el INDECI (2006).
27
Determinación del riesgo sísmico: El riesgo es una función del peligro y de la vulnerabilidad, para la evaluación del riesgo sísmico utilizaremos la siguiente tabla: Tabla 2. Matriz de la determinación del riesgo sísmico PELIGRO MUY
RIESGO ALTO
RIESGO ALTO
RIESGO MUY
ALTO
ALTO
PELIGRO ALTO
RIESGO MEDIO
RIESGO ALTO
RIESGO ALTO
RIESGO MUY ALTO RIESGO MUY ALTO
PELIGRO
RIESGO MEDIO
RIESGO MEDIO
RIESGO ALTO
RIESGO ALTO
RIESGO BAJO
RIESGO MEDIO
RIESGO MEDIO
RIESGO ALTO
VULNERABILIDAD
VULNERABILIDAD
VULNERABILIDAD
VULNERABILIDAD
MODERADO PELIGRO BAJO
BAJA
MEDIA
ALTA
MUY ALTA
Fuente: INDECI, 2006.
2.3.3. Diseño de la investigación El diseño de la investigación se expresa en el siguiente cuadro: Tabla 3. Diseño de la investigación. Criterio
Tipo de investigación
Finalidad Estrategia o enfoque teórico metodológico Objetivos (alcances)
Aplicada
Descriptiva
Fuente de datos
Primaria
Diseño de la prueba de la hipótesis
No experimental
Temporalidad
Longitudinal y Transversal
Contexto donde se desarrolla
Campo, gabinete
Intervención disciplinaria
Unidisciplinaria
Mixto
2.3.4. Población, muestra, unidades de análisis: La población, muestra y unidades de análisis son los 03 edificios de concreto armado que ya mencionamos en el capítulo 2.3.1. La unidad de análisis para la determinación del peligro sísmico, es la base de datos.
28
2.3.5. Técnicas e instrumentos de recopilación de información
Recolección de las magnitudes de los diferentes sismos ocurridos
desde los años 1900 al 2018, que comprenden un radio de aproximadamente de 400 km y que son mayores a 4.5 M W
Observación directa de los edificios.
Ensayos de la resistencia de la compresión de los elementos de
concreto armado.
Estudio de suelos.
Instrumentos: Ficha de Encuesta, eclímetro, cámara fotográfica y
wincha.
2.3.6. Técnicas para el procesamiento y análisis de la información Para la evaluación del peligro sísmico se usara el programa CRISIS 2015, el mismo que nos graficará las curvas de peligro probabilístico. Para verificar las medidas de los edificios se utilizará una wincha, posteriormente una vez determinados las resistencias y parámetros de los ensayos, se trabajará en el Programa ETABS V.16, para calcular el comportamiento sísmico de las edificaciones de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén.
29
2.3.7. Matriz de consistencia Problema
Objetivos
Variable
Tabla 4. Matriz de consistencia del riesgo sísmico. Sub Índices Variab Índices Factores Indicador les
Objetivo general
Muy alto
Determinar el nivel de riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén.
Peligro sísmico
Alto
Sismicidad
Moderado
¿Cuál es el nivel de riesgo sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca – Sede Jaén?
Desplazamientos relativos de entrepiso y espesor de la junta sísmica
Comportamie nto Sísmico
Muy alto
Riesgo sísmico
Alto
Población y muestra
Catálogo sísmico al año 2018 del Instituto Geofísico del Perú (IGP), programa computacional CRISIS 2015
Bajo
Vulner abilida d sísmica
Alta Media
Estado actual de los edificios
Modelo estructural ETABS
Resistencia de las columnas
Modelo estructural ETABS Modelo estructural ETABS
Tipo de falla de la edificación
Modelo estructural ETABS
Falla por columna corta
Modelo estructural ETABS
Deflexiones Excesivas
Ficha de encuesta
Humedad en muros
Ficha de encuesta
Grietas y fisuras
Ficha de encuesta
Estabilidad de muros al volteo
Modelo estructural ETABS, hojas de Cálculo en Excel
Resistencia de las vigas
Muy alta
Medio Determinar el nivel de vulnerabilidad sísmica en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén.
Metodolo gía
Bajo
Objetivos específicos Determinar el nivel de peligro sísmico en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén.
Aceleración espectral (g) para un periodo de retorno de 475 años
Fuente de recolección de datos
Análisis e inducción
Edificios de concreto armado de la UNC – Filial Jaén. Edificios de tres, dos y un piso.
Baja
Proponer un plan de mitigación en los edificios de la Universidad Nacional de Cajamarca - Sede Jaén.
Estabilidad de muros al volteo
30
I.
ADMINISTRACIÓN DEL PROYECTO
3.1.
Fecha de sustentación del proyecto
El proyecto se presentará el 17 de febrero del 2018.
3.2.
Duración de la ejecución del proyecto Tiempo
Actividades Afinamiento del proyecto Ampliación del marco teórico Diseño del experimento
Año
Año 2018
2017 4º T
1ºT
2º T
3º T
4º T
I.
ADMINISTRACIÓN DEL PROYECTO
3.1.
Fecha de sustentación del proyecto
El proyecto se presentará el 17 de febrero del 2018.
3.2.
Duración de la ejecución del proyecto Año
Tiempo
Año 2018
2017
Actividades
4º T
1ºT
2º T
3º T
4º T
Afinamiento del proyecto Ampliación del marco teórico Diseño del experimento Elaboración de instrumentos de recolección de datos Prueba
de
instrumentos
de
recolección de datos Aplicación de instrumentos de recolección de datos Procesamiento de datos Análisis
e
interpretación
de
resultados Elaboración del informe Revisión del informe por el asesor Presentación del informe final
3.3.
Recursos Investigador
Ayudante de campo y gabinete
Materiales de escritorio
Computadora
Impresora
31
3.4.
Presupuesto Rubros
Costo
Unidad
Cantidad
Mes
12
1,000.00
12,000.00
Mes
0.5
1,000.00
500.00
Global
1
500
500.00
Computadora
mes
12
250
3,000.00
Impresora
mes
12
70
840.00
Internet
mes
12
135
1,620.00
Transporte
mes
12
36
432.00
Encuadernación
Und
1
200
200.00
Derecho de Asesor
Und
1
650
650.00
Unitario
Costo Parcial
SERVICIOS PERSONALES Investigador Ayudante de campo y Gabinete
MATERIALES De escritorio
EQUIPO
OTROS SERVICIOS
Subtotal Imprevistos (10%)
Total Presupuesto 3.5.
19,742.00 1,974.20
21,716.20
FINANCIAMIENTO
Todos los gastos serán asumidos por el investigador
32
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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