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II CONGRESO NACIONAL DE ESTRUCTURAS Y CONSTRUCCIÓN
ACI - PERÚ. LIMA - 2000
Organizado por: American
Concrete Institute - Peruvian Chapter.
PONENCIA
ANÁLISIS
SÍSMICO COMPARATIVO DE EDIFICACIONES EDUCATIVAS
DEL
DISTRITO DE ICA
Ing. 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/m².
Además, se consideró un peso unitario del concreto de 2400 kg/m³. 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 m² 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.
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