6.6  METODOS estudiados PARA EVALUAR LA VULNERABILIDAD SÍSMICA de viviendas existentes

 

 

Los métodos para el estudio de la vulnerabilidad física de viviendas existentes se divide en dos grandes grupos, los Métodos "exactos" o Analíticos y los Métodos "aproximados", Cualitativos o subjetivos [26].

 

6.6.1  METODOS ANALITICOS

 

La evaluación de la vulnerabilidad de edificios existentes por medio de métodos analíticos está fundamentada en los mismos principios utilizados para el diseño de construcciones sismo resistentes.  Es decir, se considera como una evaluación por medio de un método analítico a la arrojada por un modelo previamente calibrado, el cual tiene en cuenta un Análisis Dinámico Inelástico que permite conocer el proceso de plastificación paso a paso y el posterior colapso de la estructura, conocidos los ciclos de histéresis de sus componentes.

 

Cabe anotar, que estos métodos no son del todo analíticos, ya que la fase de calibración del modelo requiere de muchos ensayos de laboratorio, los cuales permiten conocer el estado de los materiales y predecir, con un poco más de exactitud, su respuesta ante solicitaciones sísmicas.

 

Es por esto que la aplicabilidad de estos métodos es discutible por varias razones:

 

§       La alta complejidad del modelo que sólo justifica su utilización en casos muy especiales como el de edificaciones esenciales, o para estructuras que después de ser evaluadas con un método cualitativo hayan mostrado tener serias falacias ante una solicitación sísmica.

 

§       La necesidad de realizar el análisis utilizando varios tipos de registros de sismos, para cubrir las diferentes posibilidades de acción sobre la estructura.

 

A continuación se describen los métodos analíticos estudiados en este trabajo para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica, transcribiendo para cada uno de ellos lo encontrado en la referencia [34].

 

6.6.1.1  Método NSR – 98

 

Debido a los cambios sustanciales que sufrió la ley Norma de Diseño y Construcción Sismo-Resistente Colombia (Ley 400 de 1997, Decreto 33 de 1998) respecto a la CCCSR-84, o al cambio de uso de una estructura, puede ser necesario evaluar sísmicamente una edificación.

Las NSR-98 [5] dedica especial atención a edificaciones construidas antes de la vigencia de dicho código.  Básicamente se presentan los criterios para revisar la vulnerabilidad sísmica estructural y se obtiene un nivel de seguridad que luego se compara con lo que dicha norma exigiría a una edificación nueva.

 

Como lo requiere cualquier otro código de diseño, para conocer la vulnerabilidad sísmica estructural, se deben primero identificar los parámetros de análisis en forma previa al análisis matemático.

 

Manejo de la Incertidumbre y Parámetros de Análisis

 

La norma NSR-98, mediante su Decreto 33 de 1998, establece la amenaza sísmica para las diferentes ciudades del país y los coeficientes para efectos de calcular las fuerzas sísmicas, como lo son el Aa, Ad, Grupo de Uso, Coeficiente de Importancia I, S, Ro, con los que se pueden calcular los espectros de diseño correspondientes [5].

 

Si existe un estudio de Microzonificación Sísmica para la zona de la edificación, éste se deberá tener en cuenta para llevar a cabo el análisis de la estructura.  Se debe revisar el sistema del entrepiso para clasificarlo como diafragma rígido o flexible, situación que se contempla en el análisis de los modelos estructurales.  La exploración y el estudio de suelos consiste en la ejecución de apiques manuales y debe contener además la clasificación de la zona dentro del estudio de microzonificación, si éste se aplica.

 

En cuanto al Coeficiente de Importancia I, éste se debe escoger para el nuevo uso de la estructura y como su nombre lo indica, el Coeficiente de Capacidad de Disipación de Energía, R', indica el grado de capacidad de disipación de energía que posee una estructura ante un eventual movimiento sísmico.  El valor del Coeficiente de Disipación de Energía corresponde al Coeficiente de Disipación de Energía Básico, Ro (definido a criterio del diseñador de acuerdo al sistema estructural de la edificación y a los detalles de diseño y construcción que se hayan seguido para la estructura original) multiplicado por los Coeficientes de Reducción de Capacidad de Disipación de Energía por irregularidades en altura y en planta fa y fp respectivamente (R' = Ro x fa x fp).

 

Para seleccionar la resistencia del concreto a usar en los modelos matemáticos de análisis, teniendo en cuenta las resistencias individuales de cada uno de los núcleos extraídos y ensayados y de las resistencias halladas por medio de un penetrómetro, se debe seguir el procedimiento establecido en las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo-Resistente NSR-98 [5].

 

Metodología

 

Se realiza una visita al sitio y de lo obtenido al adelantar un levantamiento y exploración de toda la construcción que se proyecta rehabilitar, se establece el sistema estructural con que fue construida originalmente la edificación y su cimentación, así como las propiedades de los materiales allí utilizados.

 

Para las estructuras existentes, el estudio de vulnerabilidad se refiere a la comprobación del comportamiento de la estructura para analizar si es satisfactorio a la luz de las normas sísmicas vigentes.  Se trata de seguir un procedimiento con el fin de evaluar las estructuras existentes, para hallar los puntos débiles y posibles zonas de las estructuras que puedan causar pérdidas de vidas ante los eventos sísmicos.

 

Se tratará entonces de determinar cuales son las zonas más vulnerables que puedan precipitar el colapso de la estructura o de algunos de sus componentes.

 

Con toda la información obtenida en los levantamientos y exploraciones adelantadas, se elabora entonces un modelo para la estructura actual, el cual se analiza para las fuerzas sísmicas Fs, que el sismo de diseño imponga en combinación con las fuerzas de gravedad mayoradas de acuerdo con las combinaciones de carga.

 

Para estos análisis generalmente se lleva a cabo un análisis matricial tridimensional, por medio del cual se realiza un análisis elástico dinámico de la estructura.  Ocasionalmente se utilizan programas de análisis no - lineal o inelástico.

 

Con la información de las secciones originales de los elementos y sus refuerzos, se determinan sus capacidades últimas tanto para los esfuerzos de corte como para los de flexión y flexo-compresión.  Estas resistencias existentes deben a su vez ser afectadas por los valores jc y je los cuales dependen de la calidad del diseño y construcción y del estado actual de la estructura.

Con los resultados de las demandas obtenidas de los análisis de los modelos y las capacidades actuales calculadas en los elementos, se calculan los índices de sobre-esfuerzo de los elementos y de las estructuras con el fin de determinar los puntos o zonas vulnerables a tener en cuenta en el reforzamiento final.  Adicionalmente se determinan los índices de flexibilidad de los pisos y por ende de las estructuras.  Se define como Vulnerabilidad a los inversos de los índices de sobre-esfuerzo y flexibilidad.

 

Una vez conocidos los puntos o zonas vulnerables de la estructura, se procederá a estudiar, analizar y diseñar el reforzamiento final con el que se elaborarán planos de construcción que contengan todos los detalles estructurales que garanticen la seguridad estructural y la adecuada ejecución del proceso de rehabilitación.

 

Si se desea o requiere hacer un análisis inelástico de la estructura, se puede llevar a cabo un análisis no lineal de la estructura mediante la aplicación de las condiciones de equilibrio y compatibilidad de deformaciones usando las relaciones de esfuerzo-deformación en el rango inelástico, tanto para el concreto, como para el acero de refuerzo.

 

Un programa de uso común en investigaciones es el "IDARC-2D", "Análisis Inelástico del Deterioro del Concreto Reforzado", el cual muestra la respuesta contra el tiempo de estructuras de concreto sujetas a fuerzas laterales.  Para llevar a cabo el análisis, se utilizan modelos histeréticos propios del concreto reforzado.

 

Este análisis inelástico permite estudiar la degradación de la rigidez y el deterioro de la resistencia de los diferentes elementos estructurales e incluye una evaluación de la respuesta inelástica a través de un análisis de daños de los miembros estructurales y de la estructura como un conjunto.  Dicho análisis dará a conocer mejor el comportamiento real de la estructura y se obtendrá un mejor estimativo de las derivas de los pisos y de las solicitaciones inelásticas producidas en la estructura por el sismo de diseño.

 

6.6.1.2  Método ATC-21

 

Rapis Visual Screening of Buildings For Potential Seismic Hazards.  El método ACT-21, Método de Revisión por Filtro de Peligros Sísmicos Potenciales en edificaciones existentes, también tomado de la referencia [34], es un método analítico muy sencillo que se basa simplemente en darle una calificación inicial a una edificación y a medida que se avanza en la revisión, se van filtrando las características estructurales de la edificación y así mismo se le van restando o sumando puntos a la calificación inicial.

 

El procedimiento comienza por identificar el sistema estructural que resiste las fuerzas sísmicas así como los materiales de los que está compuesto.  El puntaje se le irá sumando o restando a la calificación inicial dependiendo de factores tales como:

 

§       Si es de gran altura.

§       Si está deteriorado.

§       Si tiene irregularidades geométricas.

§       Si existen pisos flexibles dentro de la edificación.

§       Si existe torsión en planta.

 

La escala en este método va desde 0 (mal comportamiento sísmico), hasta 6 (muy buen comportamiento).  Si un edificio resulta con una calificación inferior o igual a 2, se requiere que se lleve a cabo una evaluación más detallada tal como la del NSR -98 y la del FEMA-273.  Del resultado de la evaluación preliminar los edificios que resulten deficientes deben ser estudiados y analizados por ingenieros estructurales especialistas en diseño sismorresistente.  La Figura 6.7 muestra el proceso general del ATC-21.

Figura 6.7:

Proceso General del ATC-21.

 

6.6.1.3  Método FEMA-273

 

Este "segundo tipo" de evaluación, método FEMA-273, está diseñado para identificar más en detalle los miembros estructurales (columnas y vigas) que se encuentran deficientes en cuanto a su capacidad o resistencia que el detalle al que llega el FEMA-178 que se comentará más adelante.  Este método adicionalmente nos ofrece una metodología para desarrollar las estrategias de rehabilitación o reforzamiento y fue copiado de la referencia [34].

 

En el FEMA-273, a diferencia de los métodos descritos anteriormente, se definen diferentes métodos y criterios de diseño para alcanzar diferentes niveles de desempeño sísmico de la edificación.  Dentro de los niveles de desempeño sísmico se encuentran:  Nivel Operacional, Nivel de Ocupación Inmediata, Nivel de Protección de la Vida y Nivel de Prevención de Colapso.  La escogencia de estos niveles depende del desempeño esperado de la edificación durante y después de un terremoto, de cuánto daño se va permitir que ocurra en la edificación, cuánta pérdida económica se permita y del traumatismo o interrupción que cause en las actividades de los ocupantes de la edificación.

 

El procedimiento del FEMA-273 permite tanto una Rehabilitación Simplificada como una Rehabilitación Sistemática.  La rehabilitación sísmica simplificada se permite usar para edificaciones bajas, de configuración geométrica sencilla, generalmente en zonas de amenaza sísmica intermedia y baja.  Para este tipo de rehabilitación se requiere mucho menos análisis y diseño que para la sistemática.  El método de rehabilitación sistemática es más completo y consta de un proceso parecido al del diseño de una edificación nueva, en el que se modifica el pre-diseño o diseño preliminar hasta que los resultados del análisis son verificados o aceptados revisando miembro por miembro.

 

La rehabilitación sistemática generalmente se basa en el comportamiento no-lineal de la respuesta de la estructura y usa procedimientos que no son comunes en los códigos de diseño corrientes.  En este tipo de rehabilitación se revisa detalladamente cada miembro estructural, se diseñan nuevos elementos y se verifica la interacción aceptable de los desplazamientos esperados y de las fuerzas internas en los elementos estructurales.

 

Utilizando el método FEMA-273, se calculan los cortantes en la base, modificados por torsión accidental, se calculan los cortantes por piso y las cargas gravitacionales.  Esta información se utiliza para definir los parámetros de aprobación o de aceptación con los que se trabaja, así:

 

                                                 Ecuación 6.2

ó

                                                      Ecuación 6.3

 

m:        es un factor de modificación que depende de las cargas axiales y las cortantes y de las propiedades de los materiales de los diferentes elementos.

k:         es un factor que depende de qué tanto se conozca de la estructura.

Qce:      es la resistencia calculada de un miembro en particular que se está estudiando (axial, corte, flexión o flexo-compresión) teniendo en cuenta sus estado actual.

Qud:     es un conjunto de demandas o exigencias controladas por las deformaciones impuestas en la estructura debido a las diferentes cargas (muerta, viva, sismo, etc).

Qcl:      es la resistencia mínima de un elemento en el nivel de deformación que se está considerando.

Quf:      es el conjunto de demandas o exigencias controladas por fuerzas impuestas a la estructura por las deformaciones (rigidez) o por una gobernada por las fuerzas (resistencia).

 

El último paso del procedimiento consiste en revisar o verificar la estrategia de rehabilitación definida desde un comienzo de la estructura reforzada bajo los criterios de flexión, corte, carga axial y de derivas.