RESILIENCIA SÍSMICA DE EDIFICACIONES EN ZONAS DE ALTA AMENAZA MEDIANTE INGENIERÍA SÍSMICA BASADA EN DESEMPEÑO. CASO DE ESTUDIO EN BAHÍA DE CARÁQUEZ, ECUADOR

Resiliencia Sísmica de Edificaciones en zonas de alta amenaza mediante Ingeniería Sísmica basada en desempeño. Caso de estudio en Bahía de Caráquez, Ecuador

Earthquake Resilience of Buildings in areas of high seismic hazard through Performance-Based Seismic Engineering. Case study: Bahía de Caráquez, Ecuador

 

Adalberto Vizconde C. (1), Marcos Rodríguez P. (2), Raúl Robalino D. (3),

 

1. Profesor e investigador, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas, Carrera de Ingeniería Civil, Universidad de Guayaquil, Ecuador

2. Ingeniero civil e investigador, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas, Carrera de Ingeniería Civil, Universidad de Guayaquil, Ecuador

3. Profesor e investigador, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas, Carrera de Ingeniería Civil, Universidad de Guayaquil, Ecuador

Dirección para correspondencia: adalberto.vizcondec@ug.edu.ec

 

TEMA C/ Nuevas Tecnologías Aplicadas a la Ingeniería Sísmica

TOPIC C/ New Technologies Applied to Earthquake Engineering

 

 

Resumen

 

Ecuador sufrió una de las catástrofes más destructivas de su historia el 16 de abril de 2016, cuando un terremoto de Mw 7.8 azotó su costa. En la zona de estudio de este trabajo, a casi tres años del suceso, todas las edificaciones de mediana altura fueron o están siendo rehabilitadas, y varias estructuras fueron demolidas debido a daños estructurales irreparables.

En el presente enfoque la resiliencia se define como la capacidad de un sistema, comunidad o sociedad potencialmente expuesta a una amenaza sísmica para adaptarse, resistir y cambiar para alcanzar y mantener un nivel aceptable de funcionamiento, así como aprender de los desastres pasados para mejorar la reducción del riesgo (UNISDR, 2004). Es por ello que la ingeniería sísmica basada en desempeño puede contribuir a esos aspectos mencionados. El objetivo del presente estudio fue realizar el diseño de una estructura sísmicamente resiliente basado en el adecuado control de daños de la misma durante su vida útil, concerniente a sus componentes estructurales y no estructurales, no solo orientado a la prevención de colapso para evitar pérdidas de vidas, sino considerando criterios de funcionalidad, para mantener el equilibrio social y la integridad económica ya que son estos factores los que generan decadencias financieras de la población sin descartar también las pérdidas humanas. Para realizar el diseño propuesto se hizo una evaluación técnica-visual de los daños en las estructuras afectadas para conocer posibles causas. Luego, se utilizó un estudio de suelo de la zona para determinar la amenaza sísmica a implementar en el modelo estructural. Las normativas que se emplearon para comprobar el diseño por desempeño fueron el FEMA 440 y el ASCE 41-13, teniendo en cuenta que ambos métodos se enfocan en obtener el punto de desempeño para una determinada acción sísmica. Finalmente, se comparó la respuesta obtenida a partir del análisis no lineal y determinación de la demanda, contra los límites establecidos para los distintos niveles de desempeño seleccionados. Adicionalmente, cada componente se revisó para determinar si satisface los requerimientos de aceptabilidad en fuerzas y desplazamientos bajo el punto de desempeño obtenido.

Palabras-clave: Resiliencia, Curva de capacidad, Pushover, Punto de Desempeño, Terremotos.

Abstract

 

Ecuador suffered one of the most destructive catastrophes in its history on April 16th 2016, when a 7.8 magnitude earthquake hit its coast. In the studied area of this work, almost three years after the event, all medium rise buildings were or had to be retrofitted, and several structures were demolished due to irreparable structural damage. In this approach, resilience is the capacity of a system or society potentially exposed to danger to resist and adapt, resist and change to achieve and maintain an acceptable performance level, as well as learning from past disasters to improve risk reduction (UNISDR, 2004). For this reason, performance-based seismic engineering can contribute to these mentioned aspects. The objective of the present study was  the design of a seismically resilient structure based on adequate control of damage during its useful life, concerning to its structural and non-structural components, not only aimed to the prevention of collapse to avoid losses of lives, but also considering functionality criteria, to maintain social balance and economical integrity since these factors generate financial decays in the population without also ruling out human losses. In order to carry out the proposed design, a technical-visual evaluation of damage in affected structures was carried out to know possible causes. Then, a geotechnical study of the area was used to determine the seismic hazard to be implemented in the structural model. The regulations that were used to check the performance design were FEMA 440 and ASCE 41-13, considering that both methods focus on obtaining the performance point for a specific seismic action. Finally, the obtained response from the non-linear analysis was compared against the established limits for the selected performance levels. Additionally, each component was checked to determine if requirements of acceptability are satisfactory in terms of forces and displacements under the obtained performance point.

Keywords: Resilience, Capacity curve, pushover, performance point, earthquake

 

     1. Introducción

Luego del terremoto de magnitud 7.8 Mw ocurrido su epicentro en 0.382°N 79.922°W, a 27km SSE de Muisne y a una profundidad de 20.6 km (USGS, 2016) existió una gran incertidumbre por saber si las localidades de Muisne, Pedernales, Manta, Bahía de Caráquez y demás zonas aledañas afectadas por el terremoto podrían tener la capacidad de recuperarse totalmente de esta catástrofe, y en qué circunstancias y en cuánto tiempo. Según Senplades (2016) hubo 13962 edificaciones colapsadas durante el sismo, fuera de que muchas estructuras sufrieron severos daños tal es el caso de 51 centros de salud, 875 colegios y 11 universidades. Además 2138 edificaciones estuvieron en proceso de demolición (MTOP, 2016). Este estudio se enfocó en la zona de la punta norte de la ciudad costeña de Bahía de Caráquez, localizada a 120.65 Km del epicentro, donde a dos años del evento todavía existen muchos damnificados sin vivienda y no existe seguridad si las nuevas edificaciones diseñadas y construidas resistirían un evento de similar o mayor magnitud. El papel del desempeño sísmico de las viviendas residenciales en los desastres es importante por el gran número de hogares desplazados que crean una situación de crisis inmanejable haciendo más difícil la recuperación social y económica de una región (Miranda, 2018).

Post-sismo, los autores recorrieron la zona de estudio en Bahía de Caráquez (Fig. 1.a) y encontraron varias estructuras abandonadas debido a la decadencia económica sufrida por sus dueños. Rodríguez (2018) señala que 11 edificios de mediana altura severamente afectadas fueron demolidos y 24 edificaciones adicionalmente se contabilizaron entre abandonadas y rehabilitadas o en proceso de rehabilitación. Entre algunos factores que contribuyeron a esta catástrofe, y que también se ha presentado en algunos otros países en desarrollo, se encontró la falta de prácticas adecuadas de construcción sismorresistentes en lo referido al detallamiento del acero estructural (Miranda, 2014). Queda evidenciado que la sociedad caraquense no ha sido capaz de recuperarse del terremoto, pues como sostiene Bravo (2017), los desastres detienen el desarrollo económico y humano a nivel familiar y a nivel nacional también, al dañar hospitales, colegios e infraestructura.

                  

  Figura 1. a (der) Zona de estudio con principales   1.b(izq) Plano arquitectónico propuesto.

edificaciones afectados en terremoto 16.04.2016

Fuente: Google Earth.

Cabe mencionar que Bahía de Caráquez ya había registrado un sismo Mw = 7.1 en 1998 a 39 Km de distancia focal que causó un gran daño a sus estructuras como es el caso de los edificios aporticados Calipso y Karina, de 6 y 4 pisos respectivamente (Aguiar, 2011). Por tanto, no se ha aprendido la lección y desde aquella vez no se desarrolló resiliencia.

La resiliencia sísmica sería la capacidad de un sistema, comunidad o sociedad potencialmente expuesta a una amenaza sísmica para adaptarse, resistir y cambiar para alcanzar y mantener un nivel aceptable de funcionamiento, así como aprender de los desastres pasados para una protección futura y mejorar la reducción del riesgo sísmico (UNISDR, 2004). Este concepto abarca dos cosas: medir el impacto del terremoto en la sociedad y la capacidad de recuperarse de este evento. (Miranda,2014). Es por ello que se debe pensar en una verdadera reducción de las pérdidas y la ingeniería sísmica basada en desempeño puede contribuir a ello para mejorar su resistencia sísmica y aprovechar la máxima capacidad inelástica de los materiales.

Figura 2. Curva carga vs daño.

Existen metodologías como la presentada por Despotaki, Sousa and Burton (2018), que a través de indicadores de resiliencia podrían predecir la recuperación de una población y sus edificaciones luego de un sismo utilizando modelos probabilísticos, pero según el mismo estudio éstas tienen sus limitaciones por la incertidumbre asociada a la recuperación y resiliencia, sobre todo por la gran cantidad de variables a considerar, de donde se destacan dos: el indicador de daño post-sismo y la edad de la edificación. Por tanto, reducir el daño con ingeniería basada en desempeño en las nuevas edificaciones a construir contribuye al desarrollo de resiliencia sísmica en una comunidad.

En el presente estudio se seleccionó el solar de un edificio de 9 pisos que fue demolido tras el terremoto de 2016 y a la fecha se volvió a construir un nuevo edificio asimétrico, esto es, con estructura irregular en planta, de similar altura siguiendo métodos tradicionales de análisis y diseño sismorresistente. Rochel (2015) indica que este tipo de estructuras con irregularidades sufrirían más daños ante terremotos y recomienda emplear configuraciones regulares y sencillas para que sus modelos matemáticos sean realistas.

A nivel académico, se propone en dicho solar seleccionado una estructura simétrica y regular (Fig. 1.b) con una adecuada estructuración utilizando ingeniería sísmica basada en desempeño, en el cual se utiliza un análisis estático no lineal, el cual pese a sus limitaciones, representa una herramienta racional orientada a la práctica para el análisis sísmico de estructuras y nos puede ayudar a comprender las relaciones básicas de demanda sísmica y capacidad y entre los parámetros que determinan su respuesta estructural como son rigidez, resistencia, deformación y ductilidad (Fajfar, P. and Dolsek, M., 2014).   Consiste en cargar lateralmente la estructura de una manera monotónica hasta llevarla a un estado crítico en el que vea perdida su capacidad resistente y con este método estudiar su comportamiento inelástico cuando se generen rótulas plásticas y desarrolle ductilidad, y se identifican sus niveles de desempeño sísmico.

      

Figura 3a. Implosion del edificio Almirante                                         Figura3b. Demolición del edificio Costa Mar

     2. Metodología ​ 

 

Luego de hacer varias visitas al lugar seleccionado en Bahía de Caráquez, afectado por el terremoto, se escogió un lote irregular donde ya estaba en construcción una edificación asimétrica y se propone una nueva arquitectura sísmicamente apta, la cual debía implantarse al terreno seleccionado. Se contó con el estudio de suelos que indicaba un perfil tipo D especificado en la normativa (NEC,2015). Se realizó una estructuración regular y luego se modeló para proceder a su análisis dinámico espectral de superposición modal. La restricción fue que sea sólo de pórticos especiales resistentes a momentos, conforme con la práctica actual de construcción ecuatoriana, y que cumpla los valores demanda capacidad del edificio tomando las consideraciones normativas. Para la obtención del espectro de respuesta se empleó capítulo de Peligro sísmico diseño sismorresistente de norma (NEC,2015). Se consideró un factor de reducción de respuesta “R” de 8, ya que esta estructura se considera de elevada ductilidad. No se consideró en el modelo el aporte de las paredes de mampostería a la rigidez lateral.

     2.1 Diseño basado en desempeño

El diseño sísmico basado en desempeño se enfoca en la premisa que el desempeño de las estructuras es predecible, siendo esta la diferencia clave de la ingeniería sísmica tradicional, lo cual requería de métodos que me determinen la respuesta esperada de las estructuras y relacionarlo con medidas de desempeño significativas (Krawinkler and Deierlein, 2014). Todo esto con el fin de analizar, diseñar, construir y rehabilitar edificios, de modo que sean capaces de proporcionar un desempeño predecible al verse afectados por sismos (SEAC, 1995). Por tanto, el desarrollo de este diseño por desempeño se dirige a la definición de objetivos de desempeño, una metodología general de diseño y evaluar la demanda y la capacidad real de las estructuras.

Desde 1995 se dan progresos significativos en métodos de ingeniería basada en desempeño dando mayor confiabilidad a los métodos de análisis no lineal. Se puede señalar el FEMA 440 (2005) que utiliza el Método del Espectro de Capacidad y el ASCE 41-13 (2014) que utiliza un procedimiento llamado Método de los Coeficientes. Ambos enfoques son sustancialmente parecidos porque confluyen en generar una curva de Pushover que representa el comportamiento inelástico debido a un patrón de fuerzas monotónicas en una edificación (Idrees, Torres, and Núñez, 2017).  Aunque si bien estos métodos basados ​​en el desempeño son un gran paso adelante hacia la cuantificación y la gestión de los riesgos sísmicos en edificaciones individuales, se necesita una interpretación mucho más amplia del desempeño para comprender cómo las comunidades se verán afectadas y se recuperarán después de terremotos destructores (Krawinkler and Deierlein, 2014).

     2.2 Cálculo de la capacidad de la estructura

La capacidad que posea una estructura estriba en la resistencia y deformación máximas de los elementos que la conforman. Cuando éstos son sometidos a grandes esfuerzos y sobrepasan el rango de elasticidad entra en estado plástico, es necesario utilizar algún tipo de análisis no lineal como el estático o “pushover” para determinar su capacidad. Este procedimiento utiliza una serie de análisis elásticos secuenciales que generan la curva de capacidad indicándome fuerza en la base así como los desplazamientos en la parte superior de la estructura (Rodriguez, 2018).

Figura 4. Representación de la curva de capacidad de una estructura

     2.3 Cálculo de la demanda de la estructura

El cálculo de la demanda sísmica está enfocado en determinar el punto de desempeño, o lo que es lo mismo, la demanda de desplazamiento de una estructura cuando se ve sometida a un movimiento sísmico. El procedimiento para calcular el punto de desempeño puede ser llevado a cabo por dos métodos: El método del espectro de capacidad y el método de los coeficientes de desplazamiento.

     2.3.1. Método del espectro de capacidad.

Este método fue propuesto por Freeman en 1975 y constituye un procedimiento simple para determinar el punto de desempeño de una estructura cuando esta es sometida a sismos de diferentes intensidades. Mediante un procedimiento gráfico, se compara la capacidad de resistir fuerzas laterales con la demanda sísmica, representada por un espectro de respuesta reducido.                                                                                                                                                                                              La representación gráfica de la Figura 5 (izq) hace posible la evaluación visual de cómo podría comportarse una estructura cuando se somete a un determinado sismo.

Figura 5: Representación del método del espectro de capacidad y de los coeficientes

 

     2.3.2. Método de los coeficientes de desplazamiento.

Definido por la Agencia Federal de Manejo de Emergencias (FEMA 440, 2005) y actualizado por Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE, 2014), este método utiliza una versión modificada de la aproximación de los desplazamientos iguales para estimar un punto de desempeño de una estructura mediante un procedimiento numérico directo.

Este procedimiento de aplicación consiste en el cálculo de una serie de coeficientes que modifican el desplazamiento espectral correspondiente al periodo fundamental efectivo, de acuerdo con el desplazamiento máximo probable en el tope, efectos de degradación de rigidez, perdida de resistencia y estrangulamiento de ciclos histeréticos, e incremento de desplazamiento debido a afectos de segundo orden y se observa en la Figura 5 (der).

     

     3. Resultados

 

En el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos del análisis de un edificio regular propuesto de similar área al edificio actualmente construido, aunque de 5 pisos. Este fue el resultado de una estructuración optimizada que llegaba a cumplir límites de derivas de entrepiso y relaciones de demanda / capacidad de sus elementos. Aquella estructura está constituida por las columnas de concreto armado de sección igual a 40 cm x 40 cm. Las vigas también son de concreto armado de sección igual a 25 cm x 40 cm. La altura de entrepiso de la vivienda multifamiliar es de 3,40 m. La luz promedio de los vanos es de aproximadamente 4.80 m en la dirección XX´ y 4.60 en la dirección YY’. El peso sísmico de la vivienda es de 785.73 Ton, su periodo fundamental es de 0.77 seg. En cuanto al comportamiento dinámico su primer modo y segundo modo fueron traslacionales en las direcciones XX’ y YY’, respectivamente, mientras que el tercer modo fue traslacional. Los valores demanda/capacidad obtenidos del diseño sísmico con los criterios del ACI 318-14 para un análisis dinámico lineal se cumplieron en todos los elementos. También se evaluó que cumpla el criterio columna fuerte - viga débil, así como la demanda capacidad al corte del nudo.

Una vez desarrollados varios modelos matemáticos que fueron corrigiéndose se determinó aquel más adecuado con el análisis estático no lineal y se procede a la obtención de resultados como la curva de capacidad, punto de desempeño para el nivel de demanda especificado, y patrón de rótulas plásticas, lo cual permite caracterizar la respuesta estructural porque describe su comportamiento, así como sus niveles de ductilidad alcanzados.

     3.1 Curva de capacidad y ductilidad.

 

Figura 6: a. Curva de capacidad (izq.) y b. Curva de capacidad y punto de desempeño (der.)

 

En la Fig. 6 se muestra la curva de capacidad de nuestro sistema donde se aprecia una incursión adecuada en el rango inelástico. Para un sismo de diseño el desplazamiento cedente obtenido fue 7.43 cm, el desplazamiento último fue de 23.92 cm siendo la ductilidad de 3.22. como se muestra en la Fig. 6.b.

     3.2 Punto de desempeño por el método del espectro de capacidad del FEMA 440

Tabla 1. Parámetros obtenidos en el punto de desempeño.

 

     3.3 Punto de desempeño por el método de los coeficientes (ASCE 41-13)

Tabla 2. Parámetros obtenidos en el punto de desempeño.

 

     3.4 Patrón de Rótulas plásticas

Con respecto a los mecanismos de falla en esta estructura regular de mediana altura, su tendencia indica que el mecanismo es generado en vigas principalmente para los primeros incrementos de carga lateral (Fig. 7) y a partir del paso 20 de Pushover se presentarán las rótulas plásticas en las columnas 4A y 1A, mientras que en el paso 21 comienzan a plastificarse en la parte inferior las columnas 1B y 1C.

Figura 7: Patrón de rótulas plásticas para punto de desempeño (sismo de diseño) según método coeficientes enpleado por el ASCE 41-13.

 

En la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos de desplazamientos máximos para los tres niveles de amenaza sísmica para ambos métodos empleados.

Tabla 3. Desplazamientos obtenidos en el punto de desempeño para diferentes sismos

 

     3.5 Criterios de aceptabilidad

Se verifica la aceptabilidad para las distintas rótulas a través de las rotaciones plásticas que se presentan a cada incremento de carga monotónica hasta llegar al punto de desplazamiento de desempeño para cada nivel de amenaza. Por ejemplo, tal como se indica en la Fig. 8, la viga central B17 del eje 2 obtuvo una rotación plástica de 0.01417 radianes ubicándose dentro de un rango de desempeño de IO a <=LS, para el nivel de sismo de diseño.

Figura 8: Curva momento rotación para rotula plástica de viga central B17 del eje 2

 

 

     4. Análisis de resultados

 

La curva de Pushover obtenida mostrada en la Figura 6, es inicialmente lineal pero su pendiente empieza a decaer a medida que las vigas y columnas experimentan deformaciones inelásticas Para el sismo de servicio, la deriva total del punto de desempeño es de 0.0045 referida al punto de control, quedando por debajo del límite de inmediata ocupación. Por otra parte, para el sismo de diseño, la deriva total del punto de desempeño es de 0.0135, quedando en un rango de daño controlado, por debajo del límite de seguridad de vida. Finalmente, para el sismo máximo, la deriva total del punto de desempeño tiene un valor de 0.021, apenas por encima del límite de seguridad de vida.

Con respecto al desempeño de los componentes primarios, en la tabla 13 se ubica el paso del pushover donde los desplazamientos se aproximan al desplazamiento más crítico del punto de desempeño, aplicando los sismos de servicio, diseño y máximo. Para el sismo de diseño el desplazamiento más crítico es de 23.92 cm. Se evidencia que las rótulas plásticas en vigas y columnas no superan el límite de seguridad de vida, con lo cual, se tiene un daño controlado para la demanda sísmica, requisito importante para los componentes primarios. La estructura tendría moderado daño estructural, no estructural y en contenidos.

 

     5. Conclusiones

 

La estructura regular y simétrica de 5 niveles propuesta como solución en este terreno irregular si cumpliría con un diseño sísmico por desempeño a pesar de haber sido diseñada inicialmente con un análisis dinámico lineal según criterios de la norma ecuatoriana utilizando un R=8. Si bien es cierto que la estructura alternativa a la estructura irregular construida si se pudiera plantear, la restricción sería que no exceda los 5 niveles, requerimiento que no podría responder a los intereses de los propietarios. Por tanto, ésta constituiría una estructura sísmicamente resiliente.

En los diferentes puntos de desempeño, el edificio experimenta baja demanda de ductilidad con el sismo de servicio, una moderada demanda de ductilidad el sismo de diseño, mientras que para el sismo máximo se tendría una alta demanda de ductilidad.

A nivel de elemento se verificó que las rotaciones plásticas no exceden los valores lÍmites establecidos en la norma ASCE 41-13, lo cual se comprueba con la curva de capacidad obtenida.

 

     6. Referencias Bibliográficas

 

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