Evaluación de vulnerabilidad sísmica, análisis estructural y diseño de reforzamiento de una vivienda en Quito–Ecuador

1. Introducción

Ecuador está ubicado en el denominado Cinturón de Fuego del Pacífico, formado por la interacción entre placas tectónicas y por procesos de subducción, aquí se generan los movimientos telúricos más grandes del planeta, lo que conduce a que en el país haya una acción sísmica muy alta, ejemplo de ello es el evento sísmico ocurrido en 1906, que alcanzó una magnitud de 8.8 (Mw). La Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC15 está en vigencia, sin embargo, pese a que Ecuador es un país con alto riesgo sísmico no existen medidas estrictas que hagan cumplir con los lineamientos sismorresistentes que otorga dicha normativa (Quinde Martínez & Reinoso Angulo, 2016).

El estudio del reforzamiento de estructuras se hace sumamente importante dentro del país, en procura de corregir todas las deficiencias estructurales que se presenten en viviendas y edificios a nivel nacional y darle un mejor comportamiento ante un evento sísmico. En igual sentido, que sea amigable con las condiciones actuales de la edificación y sin dejar de lado la parte económica; todo esto con el propósito de disminuir la vulnerabilidad sísmica.

2. Análisis estructural

2.1. Recolección de datos estructurales

Para empezar con el estudio es necesaria la recolección de datos in situ, mediante equipos especializados, acelerómetros, pachómetros y martillo Smith.

La cimentación está realizada a base de zapatas aisladas, a una profundidad de 1.2 m, con unas dimensiones de 1 m para ambas direcciones y con un grosor de 30 cm. En cuanto al armado, se utilizó una parrilla de acero de 6 Φ 12 mm en cada dirección.

Existen dos tipos de columnas, para el primero cuentan con unas dimensiones de 30 x 20 cm y poseen el siguiente armado: tienen seis varillas longitudinales de Φ 12 mm con estribos de Φ 10 mm @ 15 cm en la zona cerca al nudo y @ 20 cm en la zona central para el segundo piso en adelante, mientras que para la planta baja son estribos Φ 12 mm @ 15 cm en toda la longitud. Por otro lado, el segundo tipo de columnas poseen unas dimensiones de 20 x 20 cm y poseen el siguiente armado: seis varillas longitudinales de Φ 12 mm con estribos de Φ 10 mm @ 15 cm en toda su longitud.

Para los elementos horizontales se tienen vigas banda de 30 x 25 cm armada con seis varillas de Φ 12 mm con estribos de Φ 10 mm cada 20 cm en todo el vano.

2.2. Descripción del suelo

Se usa los resultados del ensayo triaxial UU no consolidado no drenado. Para el cálculo del esfuerzo admisible del suelo se usará la teoría de capacidad de carga según Terzaghi (Nij Patzán, 2009).

Para el cálculo del coeficiente de balasto se usó la ecuación de J. Bowles, en la cual se relaciona el factor de seguridad con el esfuerzo admisible del suelo y con un factor.

$\kappa = 40·\mathrm{F}S\mathit{·}{\sigma }_{\mathit{ADM}}$

3. Análisis de materiales

3.1. Hormigón

La resistencia del hormigón a compresión de la estructura fue conseguida gracias al ensayo de rebote que se realizó en campo, en el cual se hizo 10 disparos en cada punto. Utilizando un valor promedio de todas las lecturas, se tiene que la resistencia a compresión del hormigón es de f’c = 176 kg/cm² (Bungacho Pozo, 2022).

4. Evaluación estructural

Para la evaluación estructural se usó el método propuesto por la ASCE 41-17. El método consiste en dos formularios en los cuales se describe todas las características posibles de la edificación, con la finalidad de calcular, mediante una suma algebraica, un índice que represente la vulnerabilidad sísmica de la estructura (Benjamín & Lockhart, 2011), por lo que se dice que la estructura tiene una vulnerabilidad sísmica ALTA.

5. Modelación de la estructura

Para la correcta modelación se debe hacer un cálculo a mano de todas las cargas muertas posibles, incluyendo mampostería, ventanas, bloques de alivianamiento, masillado, pisos, entre otros, para cada piso dependiendo de su distribución arquitectónica. Para la carga viva se usó lo especificado en la Norma Ecuatoriana de la Construcción, al ser una estructura de uso residencial se tomó el valor de 0.2 T/m².

Para una mejor exactitud en los resultados, es importante modelar la mampostería, para este caso se empleó el método de Macro-modelado (Paredes, 2015). Para los paneles con aberturas, ya sea por puertas o ventanas, se siguieron las recomendaciones de la ASCE.

Para determinar el factor de reducción de resistencia sísmica se utilizan las tablas en el punto 6.3.4. de la norma NEC-SE-DS, en la cual se menciona que los pórticos resistentes a momento con vigas banda posee un R = 5, mientras que cuando hay secciones de dimensión menor a la especificada en la norma NEC-SE-HM se utiliza un R=3. La vivienda estudiada entra en estas dos categorías por lo que se decide tomar un valor intermedio entre las dos, es decir, un R = 4.

Una vez modelada la estructura, se hace un análisis estático, de acuerdo con los parámetros de la NEC15 de peligro sísmico, además, se hace un análisis dinámico, por lo que se ingresa el espectro de respuesta, que se determina a partir de parámetros establecidos en la misma norma. Asimismo, se hará un ensayo de vibraciones ambientales, el cual ayudará a calibrar el modelo computacional.

6. Análisis lineal

Para realizar un análisis de una estructura existente, se deben usar las combinaciones escritas en el punto 4.4 de la Norma Ecuatoriana de la Construcción en su capítulo de rehabilitación y evaluación de estructuras (NEC-SE-RE).

6.1. Derivas

Las derivas máximas según NEC15 en edificaciones sin reforzar son del 2 %, mientras que, reforzado, no pueden ser superiores al 1 %, tanto en el análisis estático como en el dinámico en X y en Y, al rigidizar la estructura.

6.2. Modos de vibración

El modelo fue calibrado para que los resultados sean lo más parecido posible a los resultados del ensayo de vibraciones ambientales. Es necesario realizar el reforzamiento con el objetivo de tener movimiento traslacional en los dos primeros modos y movimiento torsional en tercer modo de vibración.

7. Análisis no lineal

Para el análisis no lineal se hará uso de los parámetros recomendados en ASCE 41-17.

Para un sismo de 225 años de período de retorno el nivel de desempeño no puede superar la seguridad de vida, mientras para un sismo de 975 años de período de retorno no puede superar la prevención al colapso, pero, como se evidencia, en ninguno de los dos casos la estructura ha cumplido, por tanto, son necesarios la intervención y el diseño de un reforzamiento estructural para aumentar la capacidad de la vivienda ante un evento sísmico.

8. Reforzamiento

Se procederá a emplear dos métodos de reforzamiento: enchapes de mampostería y encamisado de columnas.

8.1. Enchapado de mampostería

El enchapado consiste en dar cualidades de un muro estructural a un panel de relleno de mampostería. La configuración en planta que se brinde a los enchapes es de suma importancia, para no causar patologías estructurales adicionales como torsión en planta en el primer modo de vibración.

Una vez escogida la ubicación correcta para los enchapes, se hace una verificación manual por corte.

También se hace una verificación de flexocompresión. Es importante que el control por corte (Vu<ΦVn) sea menor al 90 %. Para esta verificación se debe ingresar las combinaciones de carga correspondientes, al ser un reforzamiento no se pueden usar las combinaciones descritas en la NEC de diseño sismorresistente, sino se debe usar las combinaciones escritas en el punto 4.4. de la Norma Ecuatoriana de la Construcción en su capítulo de rehabilitación (NEC-SE-RE). 

8.1.1. Derivas

Se observa que en el modelo reforzado las derivas están por debajo del límite permitido por la normativa.

8.1.2. Modos de vibración

8.2. Encamisado de elementos estructurales

Para esta opción se usará específicamente el encamisado de columnas, que consiste en el aumento de la sección de los elementos originales.

La cuantía del nuevo elemento será la suficiente para cumplir con lo establecido por la norma NEC15 en su apartado de hormigón armado (NEC-SE-HM) en el punto 4.3.3.

8.2.1. Derivas

8.2.2. Modos de vibración

Para la revisión de flexocompresión se verifican los radios de capacidad, de los cuales se puede observar que todas las columnas están por debajo de uno, es decir, la sección es suficiente para soportar las demandas de la estructura.

9. Análisis de factibilidad de reforzamiento y selección de la opción óptima

Para la elección de la mejor alternativa de reforzamiento se comparan los resultados expuestos. En cuanto a las derivas, se puede observar que el reforzamiento por enchapado de mampostería logra una estructura mucho más rígida con menos desplazamiento en relación con el reforzamiento de encamisado. A continuación, se muestra las derivas máximas para cada caso.

El comportamiento modal de la estructura para ambas situaciones se mantiene con un movimiento de traslación en los modos de vibración uno y dos, mientras que tiene un movimiento de rotación en el tercero, cabe mencionar que el comportamiento es mejor en el encamisado de columnas.

10. Conclusiones

Con base en los parámetros establecidos por la FEMA (Federal Emergency Management Agency) de Estados Unidos para la evaluación de estructuras, se concluye que la vivienda estudiada tiene una vulnerabilidad sísmica alta.

Asimismo, dado los resultados lineales y no lineales también se concluye que la vivienda posee varios problemas en su comportamiento estructural, lo cual puede significar un peligro a la integridad de sus ocupantes, por lo que es necesario un reforzamiento que mejore su respuesta sísmica.

De acuerdo con la ASCE 41-17 para el análisis no lineal de una estructura existente, es necesario hacerla con un sismo de 225 y 975 años de período de retorno, mas no con el sismo establecido por la NEC; para este caso, en un evento con un período de retorno de 975 años, la estructura no se tiene un punto de desempeño, por lo que se corrobora que es necesario una intervención para mejorar su respuesta sísmica a través de un reforzamiento.

Basado en un análisis técnico, se puede afirmar que la opción mejor posicionada de reforzamiento es la mampostería enchapada, ya que es una alternativa económica que mejora de gran manera el comportamiento modal y de derivas, además de que no afecta la cimentación, debido a que el esfuerzo en el suelo se reparte a través de las cadenas, y hasta cierto punto no es necesario realizar un reforzamiento a la cimentación.