MSC. ING. Ricardo Oviedo Sarmiento INGENIERO ESTRUCTURAL

 

 

 

 

ANÁLISIS SÍSMICO COMPARATIVO DE EDIFICACIONES EDUCATIVAS DEL DISTRITO DE ICA

 

IIng. Ricardo Oviedo Sarmiento

 

RESUMEN

 

El presente trabajo de investigación se realizó debido a la preocupación que existe sobre la seguridad que ofrecen las edificaciones educativas para resistir eventos sísmicos, y debido a la probabilidad de que se produzca un evento sísmico de gran intensidad en la zona de estudio.  Estas edificaciones son importantes debido a que tienen la categoría "A" de edificaciones esenciales según la actual norma E.030-97 de las Normas Peruanas de Estructuras. (Ref. 01)

Los análisis sísmicos realizados a algunas edificaciones educativas en el distrito de Ica, tienen como objetivo conocer su posible comportamiento dinámico y realizar la comparación entre ellas y los parámetros establecidos por la actual Norma E.030-97.

Para la realización de los análisis sísmicos se utilizaron los programas de computo (AMETRI, AMISIS y G-AMISIS), para análisis sísmicos de edificaciones actualizados con la actual Norma de Diseño Sismorresistente, del Consejo Nacional del Colegio de Ingenieros del Perú. (Ref. 02)

Para la realización del presente trabajo se recopiló la información disponible en la zona de estudio, la cual brinda información sobre geología, historia sísmica, tipos de suelos predominantes en la zona, características de las edificaciones, etc.

Se presenta en el presente estudio los resultados de los análisis sísmicos de cada una de las edificaciones educativas analizadas teniendo en cuenta su grado de resistencia sísmica determinado por su sistema estructural y material de construcción empleado.

Se presenta la conclusión a la cual se ha llegado, de acuerdo a los resultados de los análisis sísmicos de cada una de las edificaciones educativas analizadas.

 

1. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de investigación se realizo debido a que en el distrito de Ica se tiene una cantidad considerable de edificaciones educativas con un riesgo sísmico alto y debido a la probabilidad de que se produzca un evento sísmico con una intensidad importante en la zona de estudio. (Ref. 03)

El objetivo del presente análisis es conocer el comportamiento dinámico de las estructuras, realizar una comparación entre ellas y verificar si cumplen con la actual norma E.030-97. En los análisis sísmicos realizados se han considerado varias edificaciones educativas de concreto armado considerando muros de albañilería y de concreto armado.

Algunas edificaciones educativas presentan un adecuado comportamiento frente a cargas de gravedad y un inadecuado comportamiento frente a esfuerzos sísmicos. Esto se debe a que no se toma en cuenta en algunas edificaciones el efecto de los tabiques para el comportamiento dinámico de la estructura.

Como se sabe los muros de ladrillo tienen un comportamiento estructural, debido a que al estar unidos a la estructura, influyen en el desplazamiento lateral relativo entre un entrepiso superior y uno inferior, influyendo de esta manera en el comportamiento dinámico de la estructura en su conjunto. (Ref. 04)

Se ha observado en varias estructuras de concreto armado que las columnas son peraltadas en el sentido corto de la estructura. Esto trae como consecuencia que en el sentido largo de la estructura las columnas tienen una menor dimensión con relación al otro sentido. Con  lo  cual se obtiene un comportamiento dinámico de la estructura diferente en ambos sentidos.

Existen edificaciones educativas con varias características similares en el aspecto arquitectónico y estructural. Algunas edificaciones educativas poseen pabellones de aulas de uno y dos niveles, las cuales cuentan con un pasadizo a uno de sus lados, y en uno de sus extremos o en el centro se ubica la escalera. Generalmente tienen forma rectangular, tanto en planta como en elevación. Estas edificaciones educativas en el muro que divide al pasadizo lateral con las aulas, tienen ventanas altas, y ventanas bajas en el lado opuesto.

La presente ponencia brindará una fuente de información importante sobre las características de las edificaciones educativas, la cual servirá para la prevención y mitigación de desastres naturales en el distrito de Ica. Esta información es parte de un trabajo de investigación realizado por el autor, en el cual se estiman los daños, estimación de un sismo probable, brindan alternativas de solución para la mitigación de la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones educativas, las cuales son de carácter constructivo y de análisis sísmico.

 

 

2.      CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS

2.1  GEOTECNIA

A continuación se presenta la distribución de suelos de Ica (Ref. 05):

Zona I: Esta conformada superficialmente por terrenos de cultivo (limos), en estado semicompacto y poco húmedo. Subyaciendo al suelo anterior se presentan suelos limosos, con presencia de óxidos y suelos arcillosos. Esta zona lo conforma el oeste y sur-oeste de la ciudad. Suelo predominante: ML. Carga Admisible: 1.5-2.0 Kg/cm². NF>20m. Periodo: 0.3-0.4 sg.

Zona II: Esta conformada por depósitos de arenas pobremente graduadas de grano fino a medio y redondeado, con mediano a poco contenido de finos no plásticos, baja humedad. Esta zona esta conformada por el cercado de Ica y algunas partes de urbanizaciones cercanas. Suelo predominante: SM. Carga Admisible: 1.0-1.5 Kg/cm². NF>18m. Periodo del suelo: 0.2-0.3 sg.

Zona III: Esta constituida por arenas pobremente graduadas de color beige amarillento, tamaño fino, ligera humedad, estado poco denso a suelto. Estos suelos son de origen eólico. El área involucrada es el norte y el extremo oeste de la ciudad de Ica. El suelo predominante: SP. Carga Admisible: 0.5-1.0 Kg/cm². NF>15 m. Periodo de Vibración: 0.4-0.5 sg.

 

3.      PELIGRO SÍSMICO

El Perú se encuentra en la zona sísmica más activa del mundo ("Cinturón de Fuego del Pacífico"). La placa de Nazca se mueve contra la placa continental que se mueve en sentido contrario, lo cual genera una gran acumulación de energía, que se libera en forma de actividad sísmica. (Ref. 06)

Se han realizado algunos estudios de grandes sismos y de zonas de laguna sísmica (áreas donde no han ocurrido sismos en un periodo del orden del periodo de retorno de sismos grandes), indican que la zona comprendida entre cañete e Ica aproximadamente, no ocurre un gran evento sísmico desde 1780 aproximadamente. Esto nos da una idea de la cantidad de energía acumulada, y la posibilidad de un evento sísmico importante en la zona de  estudio, pero sin conocer la fecha exacta. Esto ha sido considerado en función de la distribución espacial de los sismos. Además se conoce que para  Ica se esperan aceleración de 0.35 a 0.40 gals, las cuales son aceleraciones máximas con el 10% de probabilidad de excedencia en 50 años. (Ref. 07)

 

4.      DESCRIPCIÓN DE LAS EDIFICACIONES EDUCATIVAS

 

A continuación se brinda una breve descripción de las características más importantes de las edificaciones educativas analizadas en el presente trabajo:

 

4.1 UBICACIÓN DE LAS EDIFICACIONES

Las edificaciones educativas (01, 02 y 03), se encuentran sobre suelo limo arenoso (centro de la ciudad y hacia la parte sur). El centro y sur de la ciudad (zona I y II), poseen lentes arcillosos y bolsones de arena formando estratigrafía errática. Se consideró tomar los parámetros de suelo para suelos intermedios, tanto para la zona I como para la zona II, por presentar suelos con características similares.

 

4.2 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS  DE LOS ELEMENTOS

Se ha considerado a los elementos de las edificaciones como homogéneos. La resistencia a la compresión del concreto de las columnas, vigas y placas es de f'c=210 kg/cm². Con un módulo de elasticidad del concreto de 2.2 x106 Tn/. Además, se consideró un peso unitario del concreto de 2400 kg/. Las losas son aligeradas de 20 cm de espesor. El esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo es de 4200 kg/cm². Se considero una resistencia de la mampostería de f'm=64 kg/cm² con un f'b=100 kg/cm², que es la resistencia equivalente de muros con ladrillo industrial. (Ref. 08)

 

4.3 DESCRIPCIÓN DE LAS EDIFICACIONES

EDIFICACIÓN 01

 

La edificación 01 tuvo como criterio considerar los pórticos de concreto armado y considerar los muros de ladrillo en la dirección Y-Y. Se ha despreciado a los tabiques de ladrillo en la dirección X-X en el análisis sísmico.

 

Se presenta la planta de forma rectangular de arquitectura de la estructura de la edificación educativa que se analizará. La edificación educativa es un pabellón de 3 aulas y dos niveles, con una elevación 3.20 m por nivel, y con un pasadizo lateral.

Se utilizaron columnas rectangulares de 25 x 45 cm y vigas de 25 x 45 cm para los ejes 1, 3, 5 y 7 y columnas rectangulares de 30 x 45 cm y vigas de 30 x 70 cm para los ejes 2, 4 y 6. Las vigas analizadas de los ejes A y B fueron de 25 x 45 cm. Las luces a cubrir eran del orden de los 7.0 m. El techo es una losa aligerada de 20 cm de espesor armada en una dirección.

 

Los muros de ladrillo divisorios de las aulas fueron considerados en el análisis como tabiques de 25 cm, tomando en consideración su peso. Además, se consideraron en el análisis sísmico como elementos resistentes. También se consideró las dimensiones y pesos de las vigas, columnas  y losas aligeradas.

En la dirección larga de la edificación sólo se tenían muros de ladrillo de arcilla cocida de 15 cm de espesor con una altura de 2.05 m con ventanas altas en el lado del pasadizo y muros de ladrillo de arcilla cocida de 15 cm de espesor de 1.30 m con ventanas bajas en el lado opuesto.

 

 

 

EDIFICACIÓN 02

 

Se presenta la planta de forma rectangular de arquitectura de la estructura de la edificación educativa que se analizará. La edificación educativa es un pabellón de 3 aulas y dos niveles, con una elevación de 3.35 m por nivel, y, además, cuenta con un pasadizo lateral en uno de sus lados.

Se utilizaron columnas rectangulares de 25 x 45, columnas de 25 x 90 cm y columnas en forma de "T" de 0.285 de área, así como también vigas de 25 x 55 cm para los ejes 1, 3, 5 y 7 y vigas de 30 x 60 cm para los ejes 2, 4 y 6. Las vigas de los ejes A y B fueron de 25 x 55 cm. Las luces a cubrir eran de 7.0 m. El techo era una losa aligerada de 20 cm de espesor armada en una dirección.

 

Los muros de ladrillo divisorios de las aulas fueron considerados en el análisis como tabiques de 25 cm, tomando en consideración su peso. Además, se consideraron en el análisis sísmico como elementos resistentes. También se consideró las dimensiones y pesos de las vigas, columnas  y losas aligeradas.

 

En la dirección longitudinal de la edificación sólo se tenían muros de ladrillo de arcilla cocida de 15 cm de espesor con una altura de 1.63 m con ventanas altas en el lado del pasadizo. Además, la edificación tenia muros de ladrillo de arcilla cocida de 15 cm de espesor de 1.25 m con ventanas bajas, ubicadas en el lado opuesto del pasadizo.

 

 

EDIFICACIÓN 03

 

Esta edificación educativa es la edificación 01, a la que se ha adicionado muros de concreto armado en la dirección longitudinal en el presente estudio. Se realizo esta modificación debido a la falta de rigidez en ese sentido. Con esta adición se desea lograr un adecuado comportamiento dinámico de la estructura, sin modificación importante de la misma.

La estructuración corresponde al criterio de considerar sólo los pórticos de concreto armado y considerar los muros de ladrillo en la dirección Y-Y. Se ha despreciado a los tabiques de ladrillo de 15 cm de espesor  en la dirección X-X en el análisis sísmico realizado a la edificación.

 

Además, se adicionaron 4 placas de 0.25 x 1.00 m c/u. en el sentido X-X y en ambos niveles de la edificación educativa.

 

Se presenta la planta de forma rectangular de arquitectura de la estructura de la edificación educativa que se analizará. La edificación educativa es un pabellón de 3 aulas y dos niveles, con una elevación 3.20 m por nivel, y con un pasadizo lateral.

Se utilizaron columnas rectangulares de 25 x 45 cm y vigas de 25 x 45 cm para los ejes 1, 3, 5 y 7 y columnas rectangulares de 30 x 45 cm y vigas de 30 x 70 cm para los ejes 2, 4 y 6. Las vigas de los ejes A y B fueron de 25 x 45 cm. Las luces a cubrir eran de 7.0 m. El techo era una losa aligerada de 20 cm de espesor armada en una sola dirección

Los muros de ladrillo divisorios de las aulas fueron considerados en el análisis como tabiques de 25 cm, tomando en consideración su peso. Además, se consideraron a los muros en el análisis sísmico como elementos resistentes. También se consideró las dimensiones y pesos de las vigas, columnas  y losas aligeradas.

 

En la dirección longitudinal de la edificación sólo se tenían muros de ladrillo de arcilla cocida de 15 cm de espesor con una altura de 2.05 m con ventanas altas en el lado del pasadizo y muros de ladrillo de arcilla cocida de 15 cm de espesor de 1.30 m con ventanas bajas en el lado opuesto.

 

 

5. MÉTODO DEL ANÁLISIS

 

La edificación educativa se idealizó como un ensamblaje de pórticos verticales y sistemas de muros de corte interconectados por diafragmas horizontales de piso, los cuales son rígidos en su propio plano.

 

La integración de las fuerzas internas del elemento finito en cuanto a fuerzas y momentos, está completamente automatizado, de tal manera que produce el equilibrio completo para las fuerzas aplicadas a las estructuras.

Las formulaciones de columnas, vigas y muros, incluyen efectos de flexión, carga axial y deformaciones por corte. El comportamiento torsional de los pisos y compatibilidad de entrepiso son con precisión reflejada en los resultados de los análisis realizados.

Las formas de modo y frecuencias, factores de participación modal y porcentajes de participación de masas son evaluados por el programa. Se consideró una distribución espacial de masas y rigideces adecuada para el comportamiento dinámico de la estructura analizada.

Se utilizó en las estructuras analizadas un modelo de masas concentradas considerando 3 grados de libertad por nivel. La cual evalúa 2 componentes ortogonales de traslación horizontal y una componente de rotación. (Ref. 02)

 

6. RESULTADOS

FUERZAS CORTANTES DE ENTREPISO PARA AMBOS SISMOS

Y  PARA AMBAS DIRECCIONES "X" e "Y" (Tn)

 

Dirección X-X

Dirección Y-Y

Nivel

Corte X

Corte Y

Corte X

Corte Y

1 (Edif. 01)

69.462

2.652

5.287

84.800

2 (Edif. 01)

32.688

1.409

9.270

46.683

1 (Edif. 02)

65.186

1.253

1.123

88.882

2 (Edif. 02)

33.159

0.714

0.670

48.463

1 (Edif. 03)

84.999

2.039

1.850

89.152

2 (Edif. 03)

48.570

1.126

1.000

48.883

 

DESPLAZAMIENTO RELATIVO DE ENTREPISO DEL ANÁLISIS

LIMITE DADO POR LA NORMA (cm)

 

 

Dirección X-X

Distorsión

Nivel

h(cm)

Desp.

D. Rel.

Dist.

N.030-97

1 (01)

320

9.5770

9.5770

0.0299

0.0070

2 (01)

320

15.110

5.7690

0.0180

0.0070

1 (02)

335

1.0500

1.0500

0.0031

0.0070

2 (02)

335

1.9010

0.8861

0.0026

0.0070

1 (03)

320

0.9112

0.9112

0.0028

0.0070

2 (03)

320

2.2777

1.4032

0.0043

0.0070

 

DESPLAZAMIENTO RELATIVO DE ENTREPISO DEL ANÁLISIS

LIMITE DADO POR LA NORMA (cm

 

 

Dirección Y-Y

Distorsión

Nivel

h(cm)

Desp.

D.Rel

Dist.

N.030-97

1 (01)

320

1.1677

1.1677

0.0036

0.0050

2 (01)

320

2.5350

1.4160

0.0044

0.0050

1 (02)

335

1.2817

1.2817

0.0038

0.0050

2 (02)

335

2.7172

1.4865

0.0044

0.0050

1 (03)

320

1.1542

1.1542

0.0036

0.0050

2 (03)

320

2.4892

1.3807

0.0043

0.0050

 

GIROS EN LAS EDIFICACIONES PARA AMBAS DIRECCIONES (cm)

 

Sentido

Nivel

Edif. 1

Edif. 2

Edif. 3

Longit.

1

0.01797

0.05195

0.01864

 

2

0.03362

0.10580

0.03717

Transv.

1

0.01826

0.00648

0.00509

 

2

0.03720

0.01360

0.01138

 

 

 

MODOS Y PERIODOS EN LAS EDIFICACIONES

 

Modos

Edif. 01

Edif. 02

Edif. 03

1

0.5170

0.2123

0.2030

2

0.2074

0.1856

0.1946

3

0.2059

0.1662

0.1552

4

0.1764

0.0716

0.0673

5

0.0688

0.0672

0.0570

6

0.0591

0.0564

0.0486

 

 

7. CONCLUSIONES

 

-          Las distorsiones de la edificación 01 en el sentido X-X, no se encuentran dentro de los límites dados por la Norma E.030-97. Los desplazamientos relativos obtenidos son muy elevados. Las distorsiones de la edificación 01 en el sentido Y-Y, si se encuentran dentro de los límites permitidos por la Norma.

-          Se obtuvo un adecuado comportamiento sísmico en ambos sentidos en la edificación 02 analizada con columnas en forma de “T”, tal como se puede apreciar en los resultados.

-          En la edificación 03 se observa un desplazamiento controlado en la dirección Y-Y, producto de la rigidez los muros de concreto armado que se le adiciono en el análisis sísmico. Las distorsiones obtenidas en ambas direcciones de la edificación 03, cumplen con las distorsiones establecidas por la actual Norma E.030-97 de diseño sismorresistente.

-          Los giros de las edificaciones analizadas en ambas direcciones son pequeños y no sobrepasaran el valor máximo que especifica la Norma E.030-97 de Diseño Sismorresistente.

-          Los periodos de las edificaciones varían de acuerdo a la rigidez de las mismas. Obteniéndose mayores periodos en el sentido X-X de la edificación 01, debido a la ausencia de muros en ese sentido de la edificación.

-          Se puede observar en los resultados obtenidos de los análisis que los muros absorben más cortante acorde con su rigidez. Con la presencia de muros de corte se obtiene un adecuado control de los desplazamientos en las edificaciones.

-          Se recomienda la rigidización de edificaciones educativas con poca rigidez lateral, similares a la edificación 03. Se recomienda períodos cortos en las edificaciones educativas, utilizando elementos que rigidizen a la estructura.

-          Se recomienda atribuir más importancia a los vidrios,  sistemas de sujeción y elementos no estructurales, de las edificaciones, debido a que sufren daños importantes cuando se produce un evento sísmico moderado.

-          Se recomienda la elaboración del plano tectónico regional de Ica, y conocer la situación real de las fallas principales y sus sistemas, debido a que no se conoce con exactitud las fallas activas en la zona.

REFERENCIAS

1. NORMAS PERUANAS DE ESTRUCTURAS. "Norma Técnica E-030 de Diseño Sismorresistente". ACI Capitulo Peruano.

2. MUÑOZ PELÁEZ, ALEJANDRO. "Análisis Sísmico de Edificios". Colegio de Ingenieros del Perú, 1999.

3. OVIEDO SARMIENTO, RICARDO. "Riesgo sísmico en Edificaciones Educativas del Distrito de Ica". XII CONIC. Huanuco, 1999.

4. SAN BARTOLOMÉ RAMOS, ANGEL. "Interacción Tabique-Pórtico". XII CONIC. Huánuco, 1999.

5. ALVA HURTADO, JORGE. "Microzonificación Sísmica de la Ciudad de Ica”. X CONIC. Lima, 1994.

6. TAVERA H., HERNANDO. "La Tierra, Tectónica y Sismicidad". Instituto Geofísico del Perú. Lima, 1993.

7. CERESIS. “Pagina Web del Centro Regional de Sismología para América del Sur”. http://www.dgf.uchile.cl/salsa/ceresis/ceresis_info.htm. Perú, 1999

8. SAN BARTOLOMÉ RAMOS, ÁNGEL. "Albañilería Confinada". Colegio de Ingenieros del Perú, Lima, 1991.