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TÉCNICAS DE REFORZAMIENTO DE BAJO COSTO PARA EDIFICIOS ESCOLARES PERUANOS Alejandro Muñoz1, Laura Navarro2 y Cesar Jurado 3 RESUMEN Los terremotos de los últimos 70 años en el Perú han mostrado la vulnerabilidad de las edificaciones educativas peruanas. En este trabajo se identificaron identificaron los sistemas estructurales más más representativos y se se estudió su vulnerabilidad sísmica mediante observaciones de campo y análisis teóricos. Se desarrollaron técnicas para proteger los edificios educativos considerando tres niveles de protección. El primer nivel da protección co ntra el colapso súbito de edificaciones muy vulnerables. El segundo pr otege del daño severo en sismos moderados y el tercero pretende reducir el daño en sismos importantes. Estas técnicas son sencillas y económicamente viables en países de escasos recursos económicos.
ABSTRACT Earthquakes in Peru over the past 70 years have revealed the vulnerability of the country’s school buildings. In this research the most representative structural systems were identified and their seismic vulnerability was studied by means of field observations and theoretical analyses. Techniques were developed to protect school buildings considering three levels of protection. The first level provides protection against the sudden collapse of highly vulnerable buildings. The second level protects buildings against severe damage in moderate earthquakes. The third level aims at reducing the amount of damage caused by strong earthquakes. These techniques are simple and economically feasible in developing countries.
INTRODUCCIÓN Luego de cada sismo el estado destina recursos importantes para reparar y reforzar los locales afectados , empleando intervenciones costosas y complicadas que no pueden usarse para la protección preventiva a escala nacional. En este trabajo se estudió la vulnerabilidad de las edificaciones edificaciones escolares y se desarrollaron técnicas de reforzamiento preventivas, factibles de usar en todo el país por su simplicidad y costos moderados.
1 Profesor principal, Pontificia Universidad Universidad Católica Católica del Perú, PUCP,;
[email protected] 2 Profesor Contratado, PUCP.- Especialista del Laboratorio de Estructuras Antisísmicas PUCP;
[email protected] 3 Profesor Contratado, PUCP. ;
[email protected]
1
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I Congreso Internacional de Ingeniería Civil
Universidad de Huánuco
EDIFICIOS ESCOLARES EN EL PERÚ Los materiales predominantes de los edificios educativos son la tierra, el concreto-albañilería y la madera (MINEDU 2004). Con la ayuda del Gobierno Peruano se identificaron cuatro tipos de edificios educativos representativos (figura 1). Un tipo corresponde a los edificios de adobe, dos tipos a los edificios de concreto-albañilería construidos antes de 1997 y el cuarto tipo a los edificios de concreto-albañilería que se empezaron a construir después de 1997. Los edificios de tierra son preponderantemente de adobe, de planta rectangular, de un piso y con 2 ó 3 aulas. Los muros son ortogonales entre sí con anchos anchos de 0.40m, 0.50m o más. El estado no cuenta con un proyecto proyecto típico y generalmente estos edificios son construidos por la asociación de padres del centro educativo, sin dirección técnica y con fuerte variación en dimensiones y calidad de materiales. El edificio tipo 780 pre NDSR-97 (en concreto-albañilería) se usó hasta 1997; tiene una planta rectangular, con uno a tres niveles y dos o más aulas cuadradas de 7.80 x 7.80m aproximadamente. En el sentido longitudinal el tipo 780 pre NDSR-97 tienen dos pórticos con columnas y vigas de pequeñas dimensiones y en el sentido transversal muros de albañilería confinada y pórticos. Los edificios del tipo Gran Unidad Escolar fueron construidos hace 50 años. Tienen dos o tres niveles con aulas de aproximadamente 10m de largo. Su área en planta es mayor a la de los Edificios 780. En el sentido longitudinal tienen tres pórticos y en el sentido transversal, muros de albañilería confinada y pórticos de concreto armado. Los edificios del tipo 780 actual se construyen desde 1997 siguiendo la norma peruana sismorresistente que a partir de ese año incrementó significativamente los requerimientos de rigidez y resistencia lateral. Arquitectónicamente son similares similares a los edificios 780 pre NDSR-97. En el sentido longitudinal tiene dos pórticos con columnas muy robustas y en el sentido transversal muros de albañilería confinada y pórticos pórt icos de concreto armado.
o r u M
Edifício de Adobe
o r u M
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Planta del Tipo “Gran Unidad Escolar”
o r u M
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Planta del Tipo “780 prepre - NDSR-97” NDSR-97”
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Planta del Tipo “Edificio 780 Actual”
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DESEMPEÑO SISMICO DE LOS EDIFICIOS ESCOLARES DAÑO OBSERVADO EN LOS TERREMOTOS El primer reporte técnico de daños en edificios peruanos se elaboró para comentar los efectos del terremoto de Lima de 1940 (Valencia 1940); desde entonces en todos los sismos importantes (66, 70, 74, 96, 2001 y 2007) se han reportado daños en las edificaciones escolares. (Lee et al 1966; Silgado 1968, EERI 1970, 74 ; Zegarra Repetto 1974; Muñoz et al 1997, etc.) Las observaciones de campo indican que las edificaciones de tierra son altamente vulnerables; sufren severos daños bajo intensidades moderadas y bajo intensidades mayores colapsan tan súbitamente que no permiten la evacuación de sus ocupantes. Los edificios de concreto-albañilería que sufren mayor daño son los del tipo 780 pre NDSR-97, seguidos por los del tipo Gran Unidad Escolar. Generalmente el daño se produce por acciones sísmicas en la dirección longitudinal de pórticos. La falla más común se debe al efecto de columnas cautivas (figura 2). Un problema similar se observa en las columnas de confinamiento de los muros transversales con compromiso del muro mismo (figura 3)
Fig ura 2 C.E . B andera ndera Pis co-2007 co-2007
Fig ura 3 C.E . A. Cáceres Cáceres Arequipa-2 Arequipa-2001 001
En la dirección transversal, conformada por muros de albañilería confinada, las fallas son poco frecuentes. Sin embargo, se han reportado algunos casos de cizalla horizontal y tracción diagonal (figura 4 y 5)
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I Congreso Internacional de Ingeniería Civil
Universidad de Huánuco
Los edificios del tipo 780 actual, construidos siguiendo las recientes normas de diseño sismorresistente no sufrieron daño en los sismos del 2001 y 2007; inclusive en las zonas epicentrales y bajo aceleraciones del del suelo cercanas a 0.5g. no se han reportado daños. Existen edificios antiguos prácticamente sin daño luego de sismos importantes, gracias a los muros adosados a las columnas en las fachadas longitudinales. (figura 6), o al relleno completo de una de sus fachadas por estar en el límite de propiedad (figura 7)
Fi g ura 6 E difici o en en el el colegio Mig uel G rau con muros muros adosados adosados al s is tema tema estructura, s in daño daño estructural lueg lueg o del s is mo de Pi s co-2007
Fi g ura 7 Coleg io Francis co Mos Mos tajo tajo con fachad fachada a posterior cerrada por un muro de de alba albañilería, ñilería, s in daño lueg o del s is mo de A requipa-200 requ ipa-2001 1 El buen comportamiento observado de estos edificios, solo se explica por la presencia de los muros adosados al sistema estructural. Estos muros incrementan la rigidez y la resistencia lateral del edificio y al reducir los desplazamientos laterales, decrecen las demandas de fuerza y ductilidad sobre la estructura de vigas y columnas. La figura 8 muestra un edificio educativo en Pisco, zona epicentral epicentral del terremoto del 2007, Mw=8. En la dirección longitudinal el sistema sismorresistente está formado por columnas con muros adosados y por muros de albañilería sin ningún ningún refuerzo a los que graciosamente se les ha pintado una columna central. A pesar de la precariedad del sistema estructural, el edificio edi ficio no colapsó col apsó ni perdió verticalidad aunque sí quedó seriamente dañado.
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Fi g ura 8
E difici o con pequeños pequeños muros muros longitudinales longitudinales s in confinamient confinamiento o como s is tema tema s is morr es is tente Coleg io B andera Pis Pi s co-2007 co-2 007
Las observaciones de campo muestran que los tabiques de relleno adecuadamente dispuestos mejoran sustancialmente el comportamiento sísmico de las edificaciones, reduciendo significativamente el daño y previniendo el colapso. (Blanco 2005, EERI 1975)
ESTUDIOS TEÓRICOS DE DESEMPEÑO PARA LOS EDIFICIOS DE CONCRETOALBAÑILERÍA Para el estudió analítico se seleccionaron dos edificios de concreto-albañilería que pueden considerarse como los extremos del rango de vulnerabilidad. El Pre NDSR-97 (figura 9) y el edificio moderno construido siguiendo las consideraciones de la norma sismorresistente de 1997 (figura 10)
Fi g ura 9 Módulo Módulo Típic o de de un centro educativo educativo tipo tipo 780 780 Pre NDS R -97
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I Congreso Internacional de Ingeniería Civil
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Fi g ura 10 Módulo Típi co de un centro centro educativo educativo tipo 780 actual actual Se estudió el desempeño sismorresistente de los edificios seleccionados utilizando el marco general de referencia propuesto por La Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC 1999) Se consideraron tres niveles de peligro sísmico representados por terremotos con períodos de retorno de 75, 475, y 1000 años, referidos como sismos ocasionales, raros y muy raros respectivamente. Para el desempeño se usaron los niveles Completamente Operativo, Operativo, Resguardo de la vida, Cercano al colapso y Colapso. Colapso. Para estimar la respuesta estructural se emplearon procedimientos espectrales demanda – capacidad capacidad sugeridos por el ATC (ATC-40 1996). La figura 11 muestra las curvas de capacidad de ambos edificios con los pu ntos correspondientes a la formación de la primera rotula (d1, V1), a la fluencia efectiva (dy,Vy) y al colapso (dm,Vm). La tabla 1 anota los valores de la resistencia y la sobre resistencia en cada caso.
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Tabla 1: Resistencia y sobre resistencia de edificios modernos y tradicionales V1(Ton)
Vy(Ton)
Vm(Ton)
Vm/V1
Vm/Vy
141 51
197 73
288 112
2.0 2.2
1.5 1.5
780 actual 780 pre NDSR-97
En el caso del del edificio 780 actual, la fuerza máxima resistente (Vm) es 2 veces mayor que la fuerza lateral asociada a la primera rótula (V1) y 1.5 veces mayor que la resistencia de fluencia efectiva (Vy). Se observa además que la resistencia del edificio 780 actual es más de dos veces la del edificio pre NDSR-97, tanto en relación a la primera rótula como a la fluencia y el colapso. La tabla 2 muestra los valores de desplazamiento en los puntos característicos junto a los valores de ductilidad respecto a la primera rótula y a la fluencia efectiva.
Tabla 2: Desplazamientos característicos para los edificios modernos y tradicionales
780 actual 780 pre NDSR-97
d1(cm)
dy(cm)
dm(cm)
dm/d1
dm/dy
0.67 1.7
1.1 2.7
16.2 15.3
24.2 24 .2 9.1
14.7 5.7
Aunque ambos edificios alcanzan un desplazamiento máximo similar, el edificio moderno podría desarrollar una ductilidad de desplazamientos desplazamientos (dm/dy) cercana a 15 mientras que el edificio tradicional solo alcanzaría un valor de 6. La figura 12 presenta la respuesta estructural a los tres niveles de peligro, por medio de los puntos de demanda. El edificio actual (figura 12.a) en un sismo ocasional tendría un comportamiento comportamiento casi elástico y en sismos raros y muy raros consumiría respectivamente el 8 y 40% de su ductilidad. En contraste el edificio pre NDSR-97 (figura 12.b) en un sismo ocasional consumiría aproximadamente el 45% de su desplazamiento inelástico y en un sismo raro o muy raro agotaría su ductilidad y sobrevendría el colapso. 350
350 p=15cm
300
300
250
250 ) n T (
Sismo muy raro 200
Sismo raro Sismo ocasional
) n T (
200
p=13 cm
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I Congreso Internacional de Ingeniería Civil
Universidad de Huánuco
Desempeño de Edificio 780-Actual Completamente Operativo Sismo Ocasional (72 años) Sismo Raro (475 años) Sismo Muy Raro (970 años)
Operativo
Resguardo de la Vida
Desempeño de Edificios 780 Pre-NDSR-97 Completamente Operativo
Resguardo de la Vida
Operativo
Fi g ura 13 Des empeño empeño de edificio 780-act 780-actual ual y pre-NDS pre-NDS R -97
REFORZAMIENTO DE EDIFICACIONES ESCOLARES GRUPO DE OBJETIVOS Se considera tres niveles de peligro, representados por terremotos con periodos de retorno de 75, 100 y 475 años junto a tres niveles de desempeño: Operativo, Resguardo Resguardo de la vida y Cerca al colapso. Cada grupo de objetivos se define por el comportamiento deseado en cada nivel de peligro según los detalles de la Tabla 3.
Tabla 3: Objetivos de reforzamiento para edificaciones educativas peruanas o v i t a r e p O
e d o o c r i s g e i m l l e e í s v p s i N
e d o a d d r i a v u a g l s e R
l o a s a p c a r l e o C c
Tr = 72 72 años años sismos frecuentes
G-2
G-1
Tr = 100 años sismos o casionales
G-3
G-2
Tr = 475 años sismos raros
G-1
G-3
El grupo G-1 corresponde a objetivos de urgencia y resulta apropiado para edificios de alta vulnerabilidad, para los cuales se pretende sólo evitar el colapso súbito y no es aconsejable destinar recursos importantes en su rehabilitación completa. El grupo G-2 reúne objetivos limitados de reforzamiento, que pueden lograse con costos relativamente bajos. El grupo G-3 se relaciona con objetivos de reforzamientos mejorados que corresponden a intervenciones más importantes y de costos mayores.
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Tabla 4: Técnicas de reforzamiento para las edificaciones educativas peruanas Descripción
Objetivos de Protección
Edificaciones de Adobe Colocación de viga collar de madera Colocación de malla de acero
G1 de Urgencia
Colocación de malla de polímero
Edificaciones de Concreto y Albañilería Cierre de paños con muros de albañilería en edificaciones de dos pisos Colocación de aletas de concreto armado
G2 Limitados
Relleno parcial con muros de albañilería Incorporación de muros acoplados Intervención general de columnas Inclusión de pórtico sísmico complementario e intervención general de columnas Cierre de paños con muros de albañilería en edificaciones de un piso
G3 Mejorados
Para las construcciones de adobe se consideran 3 técnicas de reforzamiento con las cuales se lograría proteger la vida de los maestros y alumnos en sismos frecuentes evitando el volcamiento súbito de los muros y la caída del techo. Estas técnicas son el resultado de investigaciones experimentales desarrolladas en la Pontificia Universidad Católica del Perú y en la Universidad Nacional de Ingeniería en las últimas décadas. (GTZCERESIS-PUCP 1997, Cismid 2005). Para las edificaciones de concreto-albañilería las técnicas presentadas están dirigidas a aumentar la rigidez y resistencia de las edificaciones en la dirección longitudinal de pórticos fuertemente vulnerable según las observaciones de campo y los estudios teóricos.
Cierre de Paños con Muros de Albañilería en Edificaciones de Dos Pisos Consiste en el cerramiento de algunos vanos en las fachadas longitudinales del edificio con muros de albañilería. Al cerrar los vanos algunas ventanas desaparecen, los ambientes se oscurecen oscurecen lo que ocasiona que en algunos casos la ubicación de las pizarras y la orientación d e las aulas cambien.
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Universidad de Huánuco Viga Existente
3 Pasadores de Ø1/2" en cada columna de conf.
Ventana
Picar Tarrajeo y vaciar contra columna existente existente
Ventana
Vaciar concreto
4Ø1/2" Ø1/4"
[email protected],
[email protected], Rsto @.25
Losa Existente
Sobrerrelleno de concreto que se retira al día siguiente Nuevo muro de albañilería
Fi g ura 15 Detalle Detalle de de cerr amiento amiento (i zq.) y detalle detalle de la la vig a de confinamiento (der.)
Colocación de Aletas de Concreto Armado Esta técnica es útil para edificaciones de hasta dos niveles y consiste en añadir aletas de concreto a las columnas de las fachadas fachadas longitudinales del edificio. Las figuras 16 y 17 muestran esta técnica en un colegio de dos pisos. A
AULA
AULA
AULA
AULA
B C
Fi g ura 16
Adición de aletas a las columnas existentes
Adición de aletas a las columnas existentes
Planta típic a de un edifi ci o de dos pis os reforzado adicion ando aleta aletass a las las columnas columnas Existentes
ANCHO DE UN PAÑO DE VENTANA
VACIAR CONTRA LA VIGA SIN CONECTAR
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Relleno parcial de paños con muros de albañilería Esta técnica es útil para edificaciones de hasta dos niveles y consiste en colocar muretes de albañilería junto a las columnas de las fachadas longitudinales del edificio. Los muretes son de ladrillo y están confinados con columnetas que se anclan a las vigas con pasadores para evitar el volcamiento del nuevo muro. La figura 18 muestra la elevación y un corte típico de los muretes. 2 pasadores de Ø1/2" anclados a la viga existente
A
A
Columna de confinamiento
Fi g ura 18
Vaciar contra el parapeto
Detalle Detalle de la colocación de los muretes muretes de albañilería albañilería
Incorporación de Muros Acoplados Esta técnica de reforzamiento consiste en incorporar muros y vigas de concreto armado en las fachadas longitudinales de la estructura. Esta intervención estructural no cambia la distribución arquitectónica original, los ingresos a las aulas y la ubicación de pizarras se mantienen. La figura 19 muestra el reforzamiento de un edificio de dos plantas mediante cuatro muros acoplados por vigas y el enchaquetado de dos columnas.
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Enchaquetado de Columna
Fi g ura 20
Universidad de Huánuco
Columna nueva
Planta Planta típica de un edifici edifici o reforzad reforzado o interviniendo interviniendo toda todass las columnas columnas
Inclusión de Pórtico Sísmico Complementario e Intervención de Columnas Se usa para edificaciones con un corredor longitudinal en voladizo en el borde del cual se construye un pórtico de concreto armado (P órtico Sísmico Complementario -PSC). Se deben enchaquetar las columnas del eje longitudinal posterior para incrementar su sección transversal y construir nuevas columnas en lugar de las columnas de confinamiento de los muros muros de albañilería. Las figuras 21 y 22 muestran muestran el reforzamiento de un colegio de tres pisos.
Enchaquetado Enchaquetado de columnas
AULA
Columna nueva
AULA
AULA
DEPOSITO
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Cierre de Paños con Muros de Albañilería en Edificaciones de un Piso Esta técnica consiste en el cierre de algunos vanos de las fachadas longitudinales del edificio con muros de albañilería. La figura 23 muestra muestra el reforzamiento en un colegio de un piso. A
Nuevos muros de albañilería
AULA
AULA
AULA
AULA
AULA
Nuevos muros de albañilería B
Fi g ura 23
Planta Planta típica de un edificio de un pis pis o reforzado reforzado
La intervención protege a la estructura del colapso y daño severo y permite la recuperación de la edificación luego de sismos moderados.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los edificios escolares peruanos se reparan y refuerzan, sólo después que son afectados por terremotos importantes, usando intervenciones costosas y complicadas. Es posible reducir la vulnerabilidad de los edificios escolares peruanos a escala nacional, usando intervenciones preventivas de bajo costo, que aunque tienen objetivos de protección modestos, son económicamente viables y de fácil ejecución en todo el territorio. La técnica de bajo costo más económica y sencilla consiste en rellenar algunos paños del edificio con muros
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Universidad de Huánuco
Muñoz, A., Montalbetti, A., Tinman, M. (1997) “Daños “Daños en Estructuras de Concreto Armado Ocasionados por el Sismo de Nazca en Noviembre de 1996” 1996 ”. Lima: Departamento de Ingeniería, PUCP. Silgado E. (1968). “Historia “Historia de los sismos más notables ocurridos en el Perú 1515 – 1960”. 1960”. Boletín Bibliográfico de Geografía y Oceanografías. Americanas 4, 191-241, México. Structural Engineers Association of California C alifornia (SEAOC). 1999. “Recommended “Recommended Lateral Forces Requirements and Commentary” (the Commentary” (the Blue Book). California: SEAOC. Wakabayashi, M., 1988. “Diseño “ Diseño de Estructuras Sismorresistentes”. Sismorresistentes”. 1ra. Edición. México: McGraw / Interamericana de México S.A. de C.V. Zegarra, L., Repetto, P. (1974). “Evaluación de Edificaciones Dañadas en Lima Metropolitana en el Sismo de Octubre de 1974” . Lima: Departamento de Ingeniería” Ingeniería ”, PUC
