Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

 

Vulnerabilidad ssmica de una edificacin sujeta a los efectos de la falla geolgica de Girn

 

Seismic vulnerability of a building subject to the effects of the Girn geological fault

 

Vulnerabilidade ssmica de um edifcio sujeito aos efeitos da falha geolgica de Girn

 

Walter Vinicio Pando-Guamn I
wvpandog26@est.ucacue.edu.ec 
https://orcid.org/0000-0002-0072-635X

 

 

 

 

Freddy Fernando Caizares-Ortega II
fer.canizares.ortega@gmail.com 
 https://orcid.org/0000-0002-3070-8734
 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

 

*Recibido: 29 de marzo del 2022 *Aceptado: 18 de abril de 2022 * Publicado: 16 de mayo de 2022

 

       I.            Estudiante de la Maestra en Ingeniera Civil con Mencin en Estructuras Sismo Resistentes, Unidad Acadmica de Posgrados, Universidad Catlica de Cuenca, Azuay, Ecuador.

    II.            Profesor de la Maestra en Ingeniera Civil con Mencin en Estructuras Sismo Resistentes, Unidad Acadmica de Posgrados, Universidad Catlica de Cuenca, Azuay, Ecuador.

 

 

 

 

Resumen

En la presente investigacin se evala la vulnerabilidad ssmica de una edificacin de hormign armado, misma que se elabor en el ao de 1983 y se encuentra ubicada prxima a una falla geolgica. La metodologa aplicada para esta evaluacin, obedece a un proceso inicial de recopilacin de informacin; tal como: detalles de la estructura o planos estructurales, resistencia de los materiales, cargas de servicio, etc. Seguidamente se establece un modelo estructural, lo ms cercano a la realidad del edificio, en el que se establecen los parmetros ssmicos que van asociados a la ubicacin de la estructura y consecuentemente a la falla geolgica. El mtodo empleado es el anlisis esttico no lineal o anlisis pushover, cuyo objetivo es determinar el desempeo de la estructura frente a los diferentes niveles de amenaza ssmica. Finalmente, se obtienen los resultados de la evaluacin de la vulnerabilidad ssmica, en donde se identifican las deficiencias de la estructura que impiden lograr el punto de desempeo esperado y se plantean propuestas para mejorar el comportamiento de la estructura frente a eventos ssmicos.

Palabras clave: Vulnerabilidad; Ductilidad; Niveles de amenaza; Niveles de desempeo.

 

Abstract

In the present investigation, the seismic vulnerability of a reinforced concrete building is evaluated, which was elaborated in the year 1983 and is located next to a geological fault. The methodology applied for this evaluation follows an initial information gathering process; such as: details of the structure or structural plans, strength of materials, service loads, etc. the location of the structure and consequently to the geological fault. The method used is the nonlinear static analysis or pushover analysis, whose objective is to determine the performance of the structure against the different levels of seismic hazard. Finally, the results of the seismic vulnerability evaluation were obtained, where the deficiencies of the structure that prevent achieving the expected performance point were identified and proposals were made to improve the structure's behavior against seismic events.

Keywords: Vulnerability; Ductility; Threat levels; Performance levels.

 

Resumo

Na presente investigao avalia-se a vulnerabilidade ssmica de um edifcio de beto armado, construdo em 1983 e localizado junto a uma falha geolgica. A metodologia aplicada para esta avaliao segue um processo inicial de coleta de informaes; tais como: detalhes da estrutura ou plantas estruturais, resistncia dos materiais, cargas de servio, etc. Em seguida, estabelecido um modelo estrutural, o mais prximo da realidade do edifcio, no qual so estabelecidos os parmetros ssmicos que esto associados localizao da estrutura e consequentemente falha geolgica. O mtodo utilizado a anlise esttica no linear ou anlise pushover, cujo objetivo determinar o desempenho da estrutura frente aos diferentes nveis de risco ssmico. Por fim, so obtidos os resultados da avaliao da vulnerabilidade ssmica, onde so identificadas as deficincias da estrutura que impedem atingir o ponto de desempenho esperado e so feitas propostas para melhorar o comportamento da estrutura frente a eventos ssmicos.

Palavras chave: Vulnerabilidade; Ductilidade; Nveis de Ameaa; Nveis de Desempenho.

 

Introduccin

El anlisis de la vulnerabilidad de las estructuras ha resultado ser indispensable en estudios de riesgo y mitigacin de desastres originados por los sismos, estos se producen por el acomodamiento de las placas tectnicas, de tal forma que el suelo sufre da a da una transformacin, es por ello que gran parte de las estructuras existentes, han estado propensas a experimentar daos estructurales y consecuentemente provocar perjuicios en sus usuarios.

Se estima que anualmente se perciben unos 500000 movimientos de la tierra, de los cuales 100000 se sienten, pero alrededor de 100 ocasionan dao, esto indica el reporte (Como los terremotos han sacudido la tierra los ltimos 15 aos, 2016). Del mismo modo, en los ltimos aos el mundo ha sufrido una secuencia de eventos ssmicos con secuelas catastrficas, las cuales han funcionado como indicadores de las deficiencias que presentan las estructuras en nuestro pas y en el mundo.

El Ecuador, al formar parte de los pases que pertenecen al cinturn de fuego del pacfico, ha sufrido importantes eventos ssmicos, como fue el sismo ocurrido en Pedernales el 16 de abril del ao 2016, el cual tuvo una magnitud de 7.8 Mw, este se percibi en varias provincias del Ecuador, incluyendo sectores de Colombia y Per; ocasionando como resultado 670 personas fallecidas aproximadamente, 6274 personas heridas y varias estructuras colapsadas, generando prdidas econmicas cerca de los tres mil millones de dlares. (Secretara de Gestin de Riesgos, 2016).

La zona austral del pas, tiene un potencial riesgo ssmico, esto indica el proyecto P-BID 400 Amenaza ssmica en el Austro, vulnerabilidad y riesgo ssmico en la ciudad de Cuenca, dicho proyecto fue llevado a cabo por la Red Ssmica del Austro, mismo que determin como fuente ssmica crtica a la falla geolgica de Girn para la ciudad de Cuenca y los cantones aledaos.

Se atribuye a la falla de Girn, el sismo de 1913 con una magnitud de 6.7 grados en la escala de Richter, causando muchos daos materiales y prdida de vidas humanas en la zona. Se indica de otro movimiento telrico ocurrido en 1856 de similar magnitud, sin embargo, no se tiene informacin tcnica registrada. De igual manera en los aos 1904 y 1907 se generaron sismos de 7 y 6.5 grados respectivamente en la zona Austral, donde la falla de Girn tiene influencia en zonas pobladas como Cuenca, Loja y Macas. (Jimnez, 2016)

La edificacin al estar ubicada en una de las zonas anteriormente expuestas, a dado paso a la pregunta Cun preparada est la estructura para experimentar un evento ssmico?

 

Antecedentes

La edificacin en estudio; se encuentra ubicada en el centro cantonal de Santa Isabel, provincia del Azuay; en las coordenadas: X= 689789321.514, Y= 9636955365.809; a 5 km de la falla geolgica de Girn. Esta edificacin fue construida en el ao 1983 y presenta las caractersticas que se indican a continuacin:

 

Tabla 1: Caractersticas generales de la edificacin.

Propiedad

Especificacin

Nmero de niveles

3

rea de edificacin

533.22 m2

Materiales

Hormign Armado

Losas

Nervada

Servicio

Oficinas

Fuente: Autor

 

 

Metodologa

Situacin actual:

En la recopilacin de informacin; mediante inspecciones de sitio y datos obtenidos a partir de estudios, se evidenci que la edificacin presenta fisuras en la mampostera y deflexiones en vigas. La metodologa aplicada a este estudio, se realiza mediante un mtodo analtico detallado a partir de un modelo computacional, el cual inicia a partir de los siguientes datos:

 

                    Materiales:

 

Tabla 2: Propiedades de los materiales de la edificacin.

Material

Valor

Resistencia a la compresin del hormign

fc = 190 kg/cm2

Mdulo de elasticidad del hormign

Ec = 218819.789 kg/cm2

Resistencia a la fluencia del acero de refuerzo

fy = 4200 kg/cm2

Mdulo de elasticidad del acero

Es = 2000000 kg/cm2

Fuente: Autor

 

 

                    Geometra:

Figura 1: Vista en planta, elevacin frontal, elevacin lateral y vistas isomtricas de la edificacin.

Fuente: Autor

 

 

 

 

 

 

 

 

                    Cargas de diseo

 

Tabla 3: Cargas de diseo. (Carga muerta y carga viva)

Descripcin

Nomenclatura

Carga

Peso propio de losa

PH

292.8 kg/m2

Carga Muerta

CM = 672.7 kg/m2

Peso malla electrosoldada (R-84)

PME

1.32 kg/m2

Peso de piso y rasante

PPR

80 kg/m2

Peso de cielo raso

PCR

20 kg/m2

Peso de instalaciones

PI

10 kg/m2

Peso de mampostera

PM

268.58 kg/m2

Carga de servicio (Oficinas)

CV

240 kg/m2

Carga Viva

Carga de cubierta

CVC

70 kg/m2

Fuente: Autor

 

 

Mtodo de clculo

El objetivo de este anlisis es determinar el desempeo de la edificacin, para los diferentes niveles de amenaza ssmica. En esta se debe considerar, la ubicacin de la estructura con respecto a las fallas geolgicas y las caractersticas del suelo, puesto que; el dao que producen dichas amenazas, depende de la magnitud del sismo, direccin de la ruptura de falla y distancia a la fuente.

 

Tabla 4: Niveles de amenaza ssmica.

Nivel de sismo

Sismo

Probabilidad de excedencia en 50 aos

Periodo de retorno Tr (aos)

Tasa anual de excedencia (1/Tr)

1

Frecuente

50%

72

0.1389

2

Ocasional

20%

225

0.00444

3

Raro

10%

475

0.00211

4

Muy Raro

2%

2475

0.00040

Fuente: NEC-SE-DS; 2015

 

 

Los sismos se clasifican en funcin de los periodos de retorno y los niveles de peligro, es decir; se establece un espectro de aceleraciones, para cada nivel de amenaza. Como se indic, se debe establecer una relacin entre la edificacin y los efectos que causa la falla geolgica de Girn que se encuentra cercana a la misma.

La falla de Girn est relacionada con la reactivacin de fallas que formaron la cuenca intramontana Negena de Santa Isabel. Esta se forma de escarpas pronunciadas orientadas al noroeste que tiene deslizamientos a sus lados. Otras caractersticas relacionadas con las fallas incluyen tres conjuntos continuos de facetas triangulares, convexidad del escarpe de la cuenca, sistemas de drenaje perturbados y pliegues de arrastre. (Winter et al., 1990).

 

Figura 2: Mapa de Fallas y Pliegues Cuaternarias del Ecuador y Regiones Ocenicas Adyacentes.

Fuente: Eguez et al., 2003

 

 

Segn los mapas de fallas y pliegues cuaternarios del Ecuador, la falla se subdivide en dos secciones: EC 81A (Seccin NE) y EC 81B (Seccin SW). Debido a que la edificacin a analizarse se encuentra ubicada en el centro cantonal de Santa Isabel, se considera la EC 81A (Seccin NE), esta es una falla de tipo Normal y tiene una longitud de 23.7 km y una tasa de deslizamientos de 0.2 1.0 mm/ao. (Eguez et al., 2003).

Las fallas geolgicas normales; son aquellas que se originan debido a fuerzas de traccin, formando planos a lo largo de los cuales, el bloque de techo se desliza hacia abajo en relacin al otro. Este tipo de fallas tienden a inclinaciones de 60 aproximadamente, que a medida que se profundiza; estas tienden a disminuir, aunque existen fallas normales que pueden tener inclinaciones considerablemente menores, que se aproximan a la horizontal.

Los espectros de aceleraciones, tanto el de diseo como los espectros de demanda, se establecen en funcin de las curvas de peligro ssmico obtenidas para el cantn Santa Isabel. Estas curvas se obtuvieron a partir de un anlisis probabilista en el que se toma en cuenta las diferentes incertidumbres y factores antes indicados.

 

Figura 3: Curvas de peligro ssmico para el Cantn Santa Isabel, Provincia del Azuay.

Fuente: Beauval et al., 2018.

 

 

Tomando en cuenta, que el suelo de la edificacin es de tipo D, se establecen los espectros de demanda con las aceleraciones que se indican en la tabla 5.

 

Tabla 5: Aceleraciones para los niveles de amenaza ssmica.

Frecuente

Ocasional

Raro

Muy Raro

T(s)

Sa(g)

T(s)

Sa(g)

T(s)

Sa(g)

T(s)

Sa(g)

0.0000

0.06548

0.0000

0.0918

0.0000

0.1165

0.0000

0.2007

0.1033

0.16178

0.1033

0.2436

0.1033

0.3140

0.1033

0.5602

0.5680

0.16178

0.5680

0.2436

0.5680

0.3140

0.5680

0.5602

0.6000

0.16077

0.6000

0.2198

0.6000

0.3108

0.6000

0.5344

0.7000

0.13781

0.7000

0.1923

0.7000

0.2719

0.7000

0.4750

0.8000

0.12058

0.8000

0.1710

0.8000

0.2417

0.8000

0.4275

0.9000

0.10718

0.9000

0.1539

0.9000

0.2176

0.9000

0.3887

1.1000

0.08770

1.1000

0.1282

1.1000

0.1813

1.1000

0.3289

1.3000

0.07420

1.3000

0.1099

1.3000

0.1554

1.3000

0.2850

1.5000

0.06431

1.5000

0.0962

1.5000

0.1360

1.5000

0.2515

1.7000

0.05674

1.7000

0.0855

1.7000

0.1209

1.7000

0.2250

1.9000

0.05077

1.9000

0.0769

1.9000

0.1088

1.9000

0.2036

2.1000

0.04594

2.1000

0.0699

2.1000

0.0989

2.1000

0.1859

Fuente: Autor

Los espectros de demanda, son los que experimentar la estructura y consecuentemente nos permitirn evaluar los daos para cada uno de ellos, con la finalidad de verificar la capacidad de la estructura y obtener los niveles de desempeo, tales como: operacional, ocupacin inmediata, seguridad de vida y prevencin al colapso.

 

Figura 4: Espectros de demanda para los niveles de amenaza ssmica.

Fuente: Autor

 

 

El anlisis esttico no lineal se efecta para la obtencin del nivel de desempeo, este se aplica incorporando las caractersticas no lineales de la relacin fuerza deformacin de los elementos, lo cual indica una ventaja con respecto al mtodo de anlisis esttico lineal. Para el desarrollo del mismo, se aplican las rtulas plsticas en las vigas y en columnas, estas son mecanismos que cumplen la funcin de disipadores de energa.

 

Figura 5: Rtulas plsticas aplicadas para el anlisis pushover. (Planta, elevacin, vista isomtrica).

Fuente: Autor

Resultados

Uno de los primeros parmetros obtenidos, es el periodo de vibracin de la estructura, el cual indica la Norma Ecuatoriana de la Construccin, que este no debe superar el 30% del valor del periodo fundamental.

 

Figura 6: Verificacin del periodo fundamental de la estructura.

Fuente: Autor

 

 

La participacin modal de masas se determin mediante la aplicacin de un total de 9 modos de vibracin, es decir; 3 por cada nivel, de tal forma que se cumpla la condicin; de que todos los modos de vibrar involucren la participacin de una masa modal acumulada de al menos el 90% de la masa total de la estructura.

 

Tabla 6: Coeficientes de participacin modal.

Case

Modo

Periodo

UX

UY

RZ

SumUX

SumUY

SumRZ

Modal

1

0.396

0.6882

0.0533

0.0829

0.6882

0.0533

0.0829

Modal

2

0.378

0.079

0.6781

0.0304

0.7673

0.7314

0.1133

Modal

3

0.312

0.0262

0.0649

0.6712

0.7934

0.7963

0.7845

Modal

4

0.111

0.0146

0.1256

0.016

0.808

0.922

0.8005

Modal

5

0.111

0.1331

0.011

0.002

0.9412

0.933

0.8025

Modal

6

0.094

0.0018

0.0122

0.14

0.943

0.9452

0.9425

Modal

7

0.066

0.0002

0.0508

0.0045

0.9431

0.9961

0.947

Modal

8

0.065

0.056

0.0006

0.0006

0.9992

0.9967

0.9476

Modal

9

0.056

0.0007

0.0032

0.0523

0.9999

0.9999

0.9998

Fuente: Autor

Las derivas de piso se muestran mayores en la direccin Y, puesto que; la geometra de la edificacin presenta menor inercia en esta direccin, sin embargo; estas derivas son menores a las mximas admisibles de 0.02 para estructuras de hormign armado, por lo que se determina que la edificacin cumple satisfactoriamente a este requerimiento.

 

Figura 7: Deriva de piso en sentido X y sentido Y de la estructura.

Fuente: Autor

 

 

Las vigas que conforman el sistema estructural, presentan las caractersticas que se muestran en la figura 8, cubriendo luces de hasta 8.2 metros, estas son de gran importancia, puesto que; en estas se deben formar las rtulas plsticas para disipar la energa de un evento ssmico.

 

Figura 8: Distribucin de acero de refuerzo en vigas de hormign armado.

Fuente: Autor

En el anlisis de las vigas, se determin que estas presentan varias deficiencias en los estados lmites de resistencia y condiciones de servicio. La revisin ejecutada a estas vigas, es a flexin y corte, en la cual se determin que la seccin transversal de la viga resulta insuficiente para el momento que experimenta.

 

Tabla 7: Verificacin a flexin de vigas de hormign armado.

Parmetro

Unidad

Real

Requerido

Referencia

Peralte de la viga (hv)

cm

45.00

55.00

(ACI 318S-19; Tabla 9.3.1.1)

No Cumple

Ancho de la viga (b)

cm

35.00

35.00

(ACI 318S-19; Tabla 9.3.1.1)

No Cumple

Recubrimiento del concreto al acero de refuerzo (rv)

cm

2.10

2.10

(ACI 318S-19; Tabla 20.5.1.3.1)

Cumple

rea de acero de refuerzo superior a momento (As sup)

cm2

15.27

14.67

(ACI 318S-19; 9.6.1.2)

Cumple

rea de acero de refuerzo inferior a momento (As inf)

cm2

7.63

7.33

(ACI 318S-19; 9.6.1.2)

Cumple

Espaciamiento mnimo de acero superior a momento (S sup)

cm

3.60

3.60

(ACI 318S-19; 25.2.1)

Cumple

Espaciamiento mnimo de acero inferior a momento (S inf)

cm

11.70

11.70

(ACI 318S-19; 25.2.1)

Cumple

Momento resistente de la viga (Mr)

tn-m

20.70

26.47

(ACI 318S-19; 9.5.1.1)

No Cumple

Fuente: Autor

 

 

Tabla 8: Verificacin a corte de vigas de hormign armado.

Parmetro

Unidad

Real

Referencia

rea de acero a cortante (Av)

cm2

1.57

(ACI 318S-19; Tabla 9.3.1.1)

Cumple

Separacin de estribos (S estr)

cm

10.00

(ACI 318S-19; Tabla 9.3.1.1)

Cumple

Fuente: Autor

 

 

En el caso de las columnas, estas presentan una seccin transversal de 55x55 cm y un dimetro de acero de refuerzo como se indica en la figura 9. Estas cumplen con todos los requerimientos de diseo, por ende; resultan ser adecuadas para la edificacin.

Figura 9: Seccin transversal y diagrama de interaccin de la columna de hormign armado.

Fuente: Autor

 

 

En la evaluacin de las columnas se obtuvo el punto de desempeo y se determin que estas son de alta ductilidad; como se muestra en la figura 10. Adems; se verific los nudos de tal forma que se cumpla el criterio nudo fuerte - viga dbil; puesto que, este es el parmetro mas importante de la estructura y se comprueba que este cumple satisfactoriamente y no se existe nudo dbil.

 

Figura 10: Diagrama momento rotacin de columnas de hormign armado.

Fuente: Autor

 

 

El resultado de este anlisis es la curva de capacidad o curva pushover, que representa la relacin existente entre el cortante basal y el desplazamiento en el nivel superior de la estructura. A partir de la evaluacin, se determina que la estructura es deficiente frente a los diferentes niveles de amenaza ssmica, de tal forma que la estructura frente a un sismo raro, llega al colapso.

 

Figura 11: Curva Pushover o curva de capacidad de la estructura de hormign armado.

Fuente: Autor

 

 

Figura 12: Punto de desempeo para los niveles de amenaza ssmica.

Fuente: Autor

 

 

 

Conclusiones

           La edificacin se encuentra vulnerable, puesto que; se ha demostrado que la edificacin presenta los siguientes niveles de desempeo: para un Sismo Frecuente est en ocupacin inmediata (IO), para un Sismo Ocasional est en Seguridad de Vida (LS) y para un Sismo Raro la estructura est propensa al colapso.

           Al ocurrir un evento ssmico ocasional, la estructura experimenta daos considerables y no ser habitable, sin embargo; este es mucho menor al sismo de diseo.

           El diseo de la edificacin, no considera parmetros sismorresistentes ni las caractersticas propias del sitio, esto se a demostrado con esta evaluacin y la FEMA 154 lo confirma, puesto que esta indica que toda estructura construida antes de 1985 no es sismorresistente.

           Las patologas que ms afectan a una edificacin son tales como: piso blando, piso flexible, torsin, exceso de derivas, martilleo, nudo dbil, columna dbil viga fuerte, entre otros; sin embargo, estas no se evidencian en la estructura a excepcin de la deficiencia en vigas y se concluye que es posible un reforzamiento estructural.

           Las vigas de hormign armado resultan ser flexibles e incumplen con los limites de resistencia y condiciones de servicio, llegando a experimentar deflexiones considerables bajo cargas de gravedad y al colapso al experimentar un evento ssmico. El acero de refuerzo en las vigas es satisfactorio, sin embargo; el peralte es menor al mnimo requerido.

 

Recomendaciones

           Ejecutar un reforzamiento estructural en las vigas, con ngulos de acero estructural con la finalidad de no aumentar considerablemente el peralte y as evitar que se incumpla el criterio columna fuerte viga dbil.

           Mantener las cargas de servicio de la estructura y evitar aumentar la carga muerta generada por los contenidos.

           Reforzar la estructura hasta cumplir con los objetivos del diseo por desempeo, de tal forma que la estructura resulte rgida, estable y resistente.

           Modelar la estructura considerando parmetros propios del sitio, tales como: tipo de suelo, zona ssmica, entre otros y no con los propuestos en las normas establecidas para cada regin, siempre y cuando estas resulten ser desfavorables.

Referencias

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