Evaluación sísmica y rehabilitación de una edificación universitaria construida hace más de 40 años

1. Introducción

Ecuador cuenta con un gran historial de eventos sísmicos que han sucedido a lo largo de los años. Esto se debe a que el país se localiza en el Cinturón de Fuego del Océano Pacífico, zona donde se libera la mayor cantidad de energía sísmica a nivel mundial.

Así también, la capital, Quito, según la zonificación sísmica que se presenta en la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-15), cuenta con un valor de factor de zona Z igual a 0.40 veces la gravedad, es una zona sísmica denominada como V cuya caracterización de peligro sísmico es Alta (NEC-SE-DS, 2015). En estas zonas es imprescindible contar con estructuras sismo resistentes, de tal manera que se pueda evitar el colapso de la estructura salvaguardando la vida de sus ocupantes.

En este caso, el Departamento de Formación Básica (DFB) de la Escuela Politécnica Nacional al ser una estructura antigua, que data de los años 70, cuenta con un cierto grado de vulnerabilidad atribuido a que, en aquella época, los conocimientos existentes, la normativa vigente y los materiales utilizados para su construcción no eran los mismos que se tiene en la actualidad, por lo que resulta conveniente y necesario reducir dicha vulnerabilidad mediante el reforzamiento estructural de la edificación. El objetivo del presente trabajo de investigación es detallar un proceso de evaluación y rehabilitación para estructuras existentes ubicadas en el medio local, basándose en la normativa vigente.

Para realizar la evaluación del desempeño estructural de una edificación existente es necesario tomar en cuenta factores importantes como: patologías de diseño, la influencia de elementos no estructurales, el nivel de sismicidad de sitio, información de construcción y el nivel de desempeño estructural actual, una vez identificadas las vulnerabilidades de la estructura se procede a dar solución a los mismos mediante un reforzamiento estructural adecuado priorizando que se cumpla la relación costo-beneficio, y que el sistema de reforzamiento elegido sea efectivo y vaya acorde a los lineamientos presentados en la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC.

El reforzamiento por enchape de paredes es una técnica que permite reforzar con acero la pared de mampostería existente, cambiando así su función de división arquitectónica a un elemento con capacidad estructural, y de esta manera brindar mayor soporte a los pórticos ante cargas laterales y fortalecer la estructura. El enchape de paredes consiste en envolver la pared de mampostería con malla electrosoldada, que se ancla por medio de conectores al pórtico de hormigón armado, además de sujetarla con grapas la pared, posteriormente se debe recubrir ambas caras de la pared reforzada con mortero (Placencia, 2017).

En Ecuador se han llevado a cabo investigaciones referentes al enchape de paredes de mampostería, Fernández y Paredes (2010) evaluaron la efectividad de este sistema estructural en un modelo de dos pisos con bloques de hormigón hueco no estructural aplicando cargas laterales, los resultados mostraron que la resistencia del sistema superó el 100 % de su peso (Fernández y Paredes, 2010). En la investigación de Albuja y Pantoja (2017) aumenta la capacidad lateral al enchapar un vano ensayado a escala real hasta tres veces, pues la capacidad del pórtico reforzado aumentó en un 200 % con respecto a un simple panel de relleno (Albuja y Pantoja, 2017). Asimismo, se determina que el enchape de paredes de mampostería es efectivo, rigidiza a la estructura y actúa como un muro estructural, absorbiendo los esfuerzos generados, lo que representa una solución segura y económica a nivel estructural (Borja y Torres, 2015; Estrada y Vivanco, 2019; Cuasqui y Merizalde, 2019).

2. Metodología

Para el presente estudio se seleccionó el edificio del Departamento de Formación Básica (DFB) de la Escuela Politécnica Nacional (figura 1), que se encuentra ubicado en la ciudad de Quito, provincia de Pichincha y forma parte del campus José Rubén Orellana de la mencionada institución universitaria. El edificio tiene seis pisos y está compuesto por dos bloques: Bloque 1 (principal) y Bloque 2 (gradas), mismos que se encuentran separados por una junta constructiva.

2.1. Descripción estructural

El sistema estructural del edificio consiste en pórticos de hormigón armado con paredes de relleno formado por mampostería de bloque de concreto no reforzado y losas planas con vigas banda.

Para determinar varias características estructurales de la edificación fue necesario realizar un levantamiento de información, mediante el cual se determinó las dimensiones de las secciones de los elementos estructurales, el armado de los mismos y, a través de una inspección visual interna y externa, se evidenció la existencia de patologías estructurales representativas tales como: columna corta (Bloque 1) e irregularidad en planta (Bloque 2).

Así también se determinó que las secciones y armado de vigas y columnas no cumplen con los requisitos mínimos estipulados en la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-SE-DS, 2015).

2.2. Ensayos realizados

Para conocer las propiedades mecánicas de los diferentes materiales con los cuales fue construido el edificio del Departamento de Formación Básica (DFB) fue necesario realizar ensayos destructivos y no destructivos con el objetivo de obtener resultados consistentes con las características reales de la estructura.

La tabla 1 presenta el tipo de suelo, resistencia de compresión obtenidos de los ensayos de extracción de núcleos y esclerómetro para el hormigón, el módulo de elasticidad del hormigón, esfuerzo de compresión y módulo de elasticidad de la mampostería.

2.3. Evaluación de la edificación en su estado actual

Para evaluar el estado actual de los Bloques 1 y 2 que conforman el edificio del Departamento de Formación Básica (DFB) se desarrollaron tres tipos de análisis para cada bloque, siendo un análisis estático lineal, análisis modal-espectral y finalmente un análisis estático no lineal por el método Pushover, mediante un software especializado en cálculo estructural basado en elementos finitos, el cual permite simular la geometría de la estructura, propiedades y secciones de los materiales que lo conforman.

En el caso de vigas y columnas se trabajó con elementos tipo frame, las losas fueron representadas mediante elementos tipo Shell-Thin y para la representación de la mampostería se hizo uso de la técnica del macro-modelado, en la cual se emplean diagonales que trabajan como puntales de compresión para representar la acción de las paredes de mampostería en un pórtico de hormigón armado, usando el método del puntal equivalente para el análisis lineal y resortes como elementos tipo link-gap para el análisis no lineal. La carga muerta ingresada en el software fue establecida mediante un análisis de cargas, mientras que la carga viva fue determinada de acuerdo al uso del edificio según lo establecido en la NEC, correspondiente al capítulo de cargas no sísmicas (NEC-SE-CG,2015), dando como resultado: Carga muerta para el Bloque 1 y Bloque 2 de 662.78 kg/m2 y 925.52 kg/m2, respectivamente, y Carga viva de 300 kg/cm2 y 400 kg/ cm2 en todos los pisos. La tabla 2 muestra la geometría de la estructura, se pueden observar las propiedades y secciones de materiales.

El cortante basal fue determinado de acuerdo con (NEC-SE-DS, 2015). Ecuación 1. Los valores escogidos se presentan en la tabla 3.

$V=\frac{I*S_a\left(T\right)*w}{R*\varphi p*{\varphi }_E}=cv*w$ (1)

Para la obtención de los desplazamientos inelásticos relativos se consideró la rigidez que aportan los paneles de mampostería mediante el método del puntal equivalente. El ancho del puntal equivalente, a, depende de la relación de rigidez a flexión del relleno y las columnas del pórtico de confinamiento (λ1). Esta rigidez relativa debe ser evaluada usando la Ecuación 2 propuesta por FEMA (356).

${\lambda }_1=\left[\frac{E_{me}*t_{inf}*sen2\theta }{4*E_{fe}*I_{col}*h_{inf}}\right]$ (2)

Donde:

E_me: Módulo de elasticidad de la mampostería

t_inf: Espesor del muro

θ: Ángulo de inclinación del puntal

E_fe: Módulo de elasticidad de las columnas de confinamiento

I_col: Momento de inercia de la columna

h_inf: Altura de relleno.

Usando la Ecuación 3, propuesta por Mainstone en 1971, se determina el ancho del puntal equivalente, considerando la flexibilidad relativa del pórtico respecto al relleno. La figura 3 muestra el modelo computacional para este caso.

$\alpha = 0.175 \bullet ({\lambda }_1 \bullet h_{col}) -0.4 \bullet r_{inf}$ (3)

Donde:

r_inf es la longitud diagonal del relleno y h_col es la altura del pórtico de confinamiento

2.3.2. Análisis Dinámico Lineal

El espectro de diseño fue definido con base en las condiciones geológicas, tectónicas, sismológicas y del tipo de suelo asociadas con el sitio de localización de la estructura (NEC-SE-DS, 2015). Para el edificio del Departamento de Formación Básica (DFB) de ocupación especial, se definió un espectro elástico de diseño para un periodo de retorno (Tr) de 475 años. La tabla 4 muestra los parámetros usados para la obtención del espectro de respuesta.

2.3.3. Análisis Estático No Lineal

El análisis estático no lineal sirve para evaluar la ductilidad y el desempeño de la edificación mediante la curva de capacidad de la estructura. El método se basa en la aplicación de un patrón de cargas laterales que se van incrementado hasta formar rótulas plásticas en su estado límite, es decir, lleva a la estructura al colapso (FEMA 356).

2.3.3.1. Nivel de desempeño

El criterio para establecer los niveles de desempeño proviene de los cuerpos normativos FEMA 273, FEMA 356 y ATC 40 y son los siguientes:

IO: (Ocupación inmediata): el sistema resiste perfectamente las cargas de diseño verticales y horizontales, existen daños estructurales mínimos.

LS: (Seguridad de vida): presenta daños estructurales significativos y su reparación se asume costosa, aunque los elementos estructurales todavía no colapsan.

CP: (Prevención al colapso): daño severo, pero se evita el colapso. Los elementos no-estructurales pueden caer o fallar. Deformaciones remanentes apreciables.

2.3.3.2. Objetivos de rehabilitación

De acuerdo con NEC en el capítulo de riesgo sísmico (NEC-SE-RE, 2015), un objetivo de rehabilitación consiste en la selección de uno o más pares de amenaza sísmica y los correspondientes niveles de desempeño estructural y no estructural que debe alcanzar una edificación al momento de ser impactada por sismos de distinta probabilidad de excedencia o periodo de retorno. El edificio del Departamento de Formación Básica (DFB), al ser una estructura de ocupación especial, debe ser readecuada para los objetivos g y l, que representan el Nivel se seguridad de vida y Nivel de prevención al colapso ante sismos con periodos de retorno de 225 y 475 años respectivamente (NEC-SE-RE, 2015).

2.4. Modelación no lineal de la estructura

Para simular el pórtico de hormigón armado formado por vigas y columnas se utilizaron elementos tipo Frame para miembros estructurales y en el caso de la mampostería se emplea el Método de Pívot propuesto por Cavaleri y Trapany (2014), el cual representa una técnica de macro modelado basado en resortes como elementos tipo link colocados en ambas direcciones del marco para representar la respuesta histerética de cargas cíclicas del panel de relleno. El cálculo de las propiedades de los elementos tipo link se determinó considerando la geometría de los pórticos de relleno con mampostería, basado en su distribución arquitectónica, con el objetivo de poder determinar una rigidez secante por medio de la Ecuación 4 descrita por Cavaleri y Trapany (2014). Además, se utilizaron las curvas de fragilidad obtenidas de Grijalva y Narváez (2018), para evaluar los daños que pueden darse en la mampostería ante fuerzas sísmicas. Se consideró un 80 % de confiabilidad debido a la importancia de la edificación en estudio, para la curva de fragilidad en función de la deriva, y para la fuerza.

$km=\frac{E_m*w*t}{d_m}*{\left(\cos \theta \right)}^2$ (4)

Donde:

E_m: Módulo de elasticidad de la mampostería

t: Espesor de la pared

w: Ancho del puntal equivalente

d_m: Longitud diagonal del panel de mampostería

θ: Ángulo de inclinación del puntal.

Existe un total de ocho tipos de paneles de relleno. La tabla 5 y la figura 4 muestran las propiedades y la curva Pivot de los elementos tipo link para un panel de relleno tipo. La figura 5, por su parte, muestra el modelo computacional para este caso.

Se obtiene la curva de capacidad graficando los valores del cortante basal y el desplazamiento en el último piso, la curva de capacidad ofrece una aproximación del comportamiento de las estructuras luego de sobrepasar su límite elástico (Mora, 2021).

Posteriormente, se procede a encontrar el punto de desempeño de la estructura mediante el Método del Espectro de capacidad, definido por la ATC-40, para lo cual se convierte la Curva de Capacidad a un Espectro de Capacidad, que es una representación de la Curva de Capacidad en un formato de Espectro de Respuesta Aceleración-desplazamiento (ADRS), seguidamente se construye el espectro de demanda del mismo, que también deberá estar en coordenadas (ADRS), para lo cual se transforman los periodos en desplazamientos; finalmente, se superponen ambos gráficos y se encuentra el denominado punto de desempeño (Mora, 2021).

Las figuras 6 y 7 presentan la curva de capacidad y el punto de desempeño para el Bloque 1 y Bloque 2.

De acuerdo con los resultados de las figuras 6, 7 y 8 para un nivel de amenaza para un sismo de 475 años, se observa que tanto para el Bloque 1 como para el Bloque 2 el espectro de demanda con el espectro de capacidad no logra encontrarse, por ende, no se obtiene el punto de desempeño, lo que evidencia que ambos bloques llegan a un nivel de colapso, de acuerdo con los niveles de desempeño descritos en la sección 2.4.2.2., por lo tanto, se concluye que es necesaria la intervención de la estructura por medio de un reforzamiento estructural que le permita aumentar su capacidad de respuesta sísmica.

2.5. Evaluación estructural

Con base en la información recopilada y la modelación computacional realizada utilizando varios tipos de análisis, se determinó que la estructura compuesta por los Bloques 1 y 2 no cumple con ciertos requisitos mínimos estipulados en la norma NEC-15, además, la estructura es altamente vulnerable ante acciones sísmicas, por ende, la estructura requiere de un reforzamiento estructural que brinde solución a los problemas identificados con el fin de alcanzar los objetivos de rehabilitación requeridos.

2.6. Reforzamiento Estructural

El reforzamiento estructural para el edificio del Departamento de Formación Básica (DFB) se realiza a través de enchape de paredes de mampostería, estas paredes portantes deben cumplir la función de resistir los esfuerzos de flexión, corte y axial, de tal manera que el requerimiento de las columnas se reduzca y brinde así suficiente rigidez y estabilidad a las estructuras de los Bloques 1 y 2, corrigiendo los problemas estructurales existentes, para el caso del Bloque 1 se busca eliminar el problema de columna corta y para el Bloque 2 eliminar la torsión en planta.

2.6.1. Mampostería a ser reforzada

Para la ubicación de las paredes a enchapar se consideraron los criterios sugeridos por Fernández y Paredes (2010), los cuales se presentan a continuación:

La mampostería a ser reforzada debe ser simétrica en planta y elevación con el objetivo de evitar efectos de torsión.

Para que la estructura sea lo más rígida posible se deben reforzar las paredes que se encuentren dentro de un pórtico.

Verificar que las paredes de mampostería tengan continuidad en altura.