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PROYECTO DE REFUERZO ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTEDEL EDIFICIO PALACIO ZORRILLA EN LA CIUDAD DE SALTA

(ARGENTINA)

Roberto A. Caro(1,a), Mario W. E. Toledo(1,b), Liz G. Nallim(1,c)

(1)Facultad de Ingeniera, Consejo de Investigacin, Universidad Nacional de Salta(a)Ingeniero, Prof. Titular,(b)Magster, Ingeniero, Prof. Adjunto,(c)Doctor, CONICET

Avda. Bolivia N 5150. (4400) Salta.

e-mail: [email protected]@unsa.edu.ar, [email protected]

ResumenEn este trabajo se presenta la segunda etapa del estudio sismorresistente, evaluacin

estructural y propuesta de refuerzo de un edificio de valor patrimonial. El edificio, conocido

como Palacio Zorrilla, est ubicado en el casco histrico de la ciudad de Salta, fue

originariamente sede del gobierno de la ciudad y posteriormente fue utilizado como sede

principal del rectorado de la Universidad Nacional de Salta. Como consecuencia de la

construccin de un edificio colindante (con tres subsuelos) uno de los muros medianeros

sufri un descenso generando un agrietamiento en varios sectores, lo cual disminuy la

capacidad sismorresistente original del edificio. La estructura est constituida por muros

portantes de mampostera de ladrillos macizos cuya construccin data de principios del siglo

pasado. A efectos de estudiar las patologas, la capacidad estructural residual y proponer un

sistema de refuerzo se desarrollaron dos etapas de anlisis. En la primera etapa se realizaron

estudios de campo y antecedentes grficos, ensayos de laboratorios, estudios de suelos y

relevamiento de fisuras, lo que permiti realizar un diagnstico de daos de los distintos

muros de la estructura. En esta etapa se llev a cabo, adems, una modelacin numrica

tridimensional con elementos finitos que permiti establecer el estado tensional resultantecomo consecuencia del descenso del muro comprometido. En la segunda etapa se realiz la

propuesta de un sistema de refuerzo que consisti en la incorporacin de nuevos elementos de

hormign armado y el refuerzo de los muros existentes con material compuesto consistente en

un tejido de fibra de vidrio saturado con epoxi (PRFV). Finalmente se verific el estado

tensional considerando las nuevas condiciones estructurales empleando el modelo numrico

de elementos finitos considerando el estado de cargas gravitatorias, sobrecargas de servicios

acorde al destino final del edificio y anlisis ssmico espectral.


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PROYECTO DE REFUERZO ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTEDEL EDIFICIO PALACIO ZORRILLA EN LA CIUDAD DE SALTA

(ARGENTINA)

INTRUDUCCINEl edificio Palacio Zorrilla ubicado sobre calle Buenos Aires a 150 metros de la plaza

principal de la ciudad de Salta, por sus caractersticas y diseo fue sede del gobierno de laciudad y del rectorado de la Universidad Nacional de Salta. El mismo presenta marcadas

patologas, puestas de manifiesto a travs del descenso de uno de los muros medianeros y

fisuras en sus muros.

Se realiz un estudio a fin de evaluar la capacidad estructural residual y proponer un sistema

de refuerzo adecuado. En este trabajo se presenta la 2da etapa del mismo, en la cual se

propone un sistema de refuerzo con material compuesto.

A continuacin se realizar un resumen de las tareas previas realizadas a fin de arribar al

diagnstico y as proponer el sistema de refuerzo adecuado.

DESCRIPCIN DEL SISTEMA ESTRUCTURALEl edificio consta de dos plantas y un pequeo subsuelo, presenta dos fachadas a callesBuenos Aires (Oeste) y Alvarado (Norte) (Fig. 1b). Se estudio nicamente la zona afectada

por la construccin de un edificio de cocheras vecino ubicado sobre la fachada Oeste (Fig.1a

y 1b).

a)

Fachada Norte

Planta Baja

Planta AltaFachadaOeste

Zona afectada por patologasFigura 1: a) Fachada Oeste y edificio en construccin vecino; b) Plano

de Arquitectura y zona afectada; c) Vista interior

b)

c)


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La tipologa estructural corresponde a muros portantes de mampostera de ladrillo macizo de

espesores variables. El entrepiso se apoya sobre un entramado de perfiles IPN de acero, sobre

el que descansan diferentes tipos de pisos: a) contrapiso y piso de mosaico grantico; b)

entablonado de madera; c) contrapiso de mayor espesor y cermico en zona de baos. La

cubierta es de chapas metlicas sobre tirantes de madera que apoyan sobre los muros

portantes, adems presenta un cielorraso de madera suspendido.

ESTUDIOS PREVIOSLos estudios realizados en la primera etapa (R. Caro et. al, 2010) para la evaluacin

estructural fueron los siguientes:

1. Estudio de antecedentes grficos en la Municipalidad de la Ciudad de Salta que

permitieron diferenciar la construccin original de las posteriores ampliaciones.

2. Plano de relevamiento arquitectnico con mediciones detalladas de espesores de

muros, aberturas y alturas de cielorrasos y cubiertas.

3. Inspeccin visual y sondeos a fin de determinar: tipologas de materiales, ubicacin de

elementos resistentes tales como cimientos bajo muros, muros portantes,

caractersticas del techo del stano, entrepiso y cubierta. A partir de estos datos se

realiz el anlisis de cargas correspondiente.4. Plano de relevamiento de daos (Fig. 2): se incluy los patrones de fisuracin y otras

patologas (humedad, hundimientos, deformaciones, entre otros). El patrn de fisuras

se resumen en lo siguiente: a) fisuras inclinadas a 45 (muros fachada, contrafachada

Fig. 3a y 3d, muro paralelo al muro medianero en planta alta Fig. 4d); b) Fisura

horizontal en cielorraso planta baja (Fig. 3a) y en muros perpendiculares al muro

medianero en planta alta (Fig.4a y 4b); c) Fisuras verticales en correspondencia con

aberturas (Fig. 4b y 4c) y en los encuentros de muros (Fig. 3c y 3e).

Figura 2: Plano de relevamiento de daos

N

Descenso de apoyo: muro medianero

x=0

y=0

x=0

y=0

N


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5. Ensayos en obra: a) Ensayos de Esclerometra (Gea S., 2010) a efectos de determinar

en forma indirecta las caractersticas mecnicas de la mampostera. Los valores

obtenidos en obra se compararon con los obtenidos previamente en el Laboratorio de

Estructura de la UNSa y con resultados de la bibliografa pertinente (J.C. Scrivener,

a) PB: FV ingreso b) PB: FV2

Figura 3: Fisuras planta baja (PB): a) Vista interior ingreso; b) Hall central; c) Sala

museo histrico Prof. Ashur; d) Vista exterior de acceso vehicular; e) Sala Jos L.

d) PB: FV7c) PB: FV5 e) PB: FV9

a) PA: FV1 Y VH1 b) PA: FV7

c) PA: FV8 d) PA: FV9

Figura 4: Fisuras planta alta (PA): a) Muro interior bao; b) Muro perpendicular al

muro medianero; c) Vista interior direccin de ceremonial; d) Unidad auditoria


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1992, y Reglamento INPRES CIRSOC 103, Parte III). Como resultado de este estudio

se adoptaron valores de resistencia para la mampostera de mo= 3 MPa y para el

mdulo de elasticidad dinmico E = 2400 MPa. b) Pachometra (Fig. 5): a fin de

determinar la distribucin y orientacin de los perfiles metlicas en techo de subsuelo

y entrepiso. Estos estudios se confirmaron con los sondeos en contrapisos y

cielorrasos.

6.

Estudio de Suelo: se efectuaron tres calicatas (Castro V. E., 2010) y se obtuvieron laspropiedades fsicas y mecnicas del suelo. Con los resultados obtenidos se elaboraron

esquemas de los perfiles estratigrficos y se determin la capacidad de carga

recomendada para la verificacin resistente de la cimentacin (ver Tabla 1).

Tabla 1: Capacidad de carga obtenida del estudio de suelos

Capacidad decarga admisible

[MPa]

Tensin lmitede rotura

[MPa]

Observacin

0,135 0,406

Para cargas permanentes, considerando

sobrecargas de larga duracin (servicio)

0,167 0,503Para cargas considerando sobrecargas de

corta duracin (sismo)

EVALUACIN Y DIAGNSTICO

En base a los estudios realizados se lleg a la conclusin de que las fallas que presenta el

edificio se produjeron en los ltimos meses y las caractersticas de los daos son tpicas de las

ocasionadas por asentamientos diferenciales de la fundacin. La principal causa es,

probablemente, la falta de confinamiento lateral del suelo producido durante las excavacionespracticadas en el terreno vecino para la ejecucin de los subsuelos del edificio colindante (Fig.

1a). En la Figura 6 se observa el sector de pisos hundidos ubicado en el acceso vehicular

como consecuencia de un asentamiento de aproximadamente 30 mm de la fundacin del muro

Figura 5: Detalle de la distribucin de perfiles metlicos. a) Entrepiso nivel

subsuelo; b) Entrepiso nivel PB; c) Ensayo de Pachometra

a) b) c)N


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medianero Norte. Esto ocasion fisuras tpicas a 45 en los muros perpendiculares al

medianero en planta baja (fachada y contrafachada, Fig. 3a y 3b) y en los muros del segundo

nivel (Fig. 4a y 4b). Se observ un nivel de fisuras moderado en los muros ms alejados del

sector especfico donde se produjo el asentamiento diferencial (Fig. 4d) y que luego se

confirm con la modelacin numrica la necesidad de refuerzo de los mismos. Adems, el

suelo utilizado como apoyo de la fundacin presenta un grado de compacidad baja. Se

observ evidencia de humedad en cielorrasos de planta baja como consecuencia de falenciasen la aislacin hidrfuga.

MODELACIN TRIDIMENSIONAL CON ELEMENTOS FINITOSA fin de corroborar el diagnstico y analizar la capacidad portante residual de los muros

daados se realiz una modelacin 3D de la estructura. Se trabajo con un enfoque

macromecnico (Oller S. et. al, 1998; Loureno P.B.), es decir considerando a la mampostera

como un material compuesto homogneo. Se empleo el programa comercial de elementos

finitos SAP 2000 (Linear and Nonlinear static and Dinamic Anlisis, SAP 2000, 2009). Para

modelar los muros y entrepisos se emplearon elementos tipo lmina (shell) de cuatro nodos,

mientras que para los perfiles metlicos se usaron elementos tipos barra (frame). Ambos tipos

de elementos estn disponibles en la biblioteca del programa, el modelo completo (Figura 7)

est formado por 1573 elementos barra y 5955 elementos lmina.

Figura 6: Descenso de apoyo muro medianero Norte

a) b)

Figura 7: Modelo de elementos finitos: a) vista frente y lateral; b) vista posterior


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Se consideraron las siguientes aspectos: a) se model solo la zona afectada por patologas del

edificio considerando el efecto del resto de la construccin mediante restricciones en los

nodos de los muros posteriores (Fig. 7b) y condiciones de continuidad y simetra; b) los nodos

a nivel de fundacin se consideraron empotrados; c) la cubierta y el cielorraso del segundo

nivel no fueron modelados, pero su participacin se consider a travs de su efecto mediante

cargas distribuidas por unidad de longitud sobre los muros portantes; d) para los materiales se

adoptaron las propiedades mecnicas que se resumen en la Tabla 2; e) de los estudios previosse obtuvieron los datos necesarios para el anlisis de cargas y sobrecargas que se realiz

teniendo en cuenta el CIRSOC 101 (Reglamento CIRSOC 101, 2005).

Tabla 2: Propiedades de los materiales

Propiedad Mampostera AceroMdulo de Elasticidad 2,4e9 Pa 2e11Pa

Mdulo de Poissn 0,20 0,30

Densidad 1.700 kg/m3 7.849 kg/m3

Resistencia a la compresin 3 MPa 400 MPaResistencia a traccin 0,21 MPa 400 MPa

En la primera etapa, se aplicaron desplazamientos impuestos para simular el asentamiento

diferencial del muro medianero. Estos desplazamientos se aplicaron en forma creciente y

escalonada a efectos de analizar la evolucin de las tensiones en los distintos elementos

estructurales y detectar los puntos materiales que han alcanzado la tensin lmite. En cada

paso de desplazamiento se realiz un anlisis cuali-cuantitativo, comparando el nivel de dao

observado con los niveles de tensiones obtenidos del modelo. En la Figura 8 se puede apreciar

como varan las tensiones principales mximas con el progreso de los desplazamientosaplicados, se observa que se alcanzan niveles importantes de tensiones principales de traccin

(Fig. 8d) en los muros de fachada y muros paralelos (planos x-z, cotas y= 0; y=8 m., y=12,6

m.). Tambin se confirm un nivel de tensiones importantes en muros paralelos al muro

medianero (planos y-z, cotas x=0; x=3,52m. y x=7,61 m).

Se analizaron especialmente los muros con daos importantes, para lo cual se realiz una

discretizacin ms fina de la malla de elementos finitos a efectos de estudiar tanto el estado

tensional como las direcciones principales y hacer una comparacin cualitativa con la

direccin de las fisuras. En la Figura 9a) se observa la parte superior izquierda del muro

fachada con fisuras inclinadas aproximadamente a 45, lo cual es coherente con los resultados

obtenidos a travs de la modelacin, donde se verifica la coincidencia con las direccionesprincipales (Fig. 9b). En la Figura 10 se pueden observar los niveles tensionales alcanzados en

cada una de las etapas de asentamientos diferenciales utilizando el modelo con malla refinada

del muro fachada. Para tener en cuenta el efecto de las fisuras, de manera aproximada, se

desconectaron secuencialmente los nodos correspondientes a elementos que superaron los

niveles de tensiones lmites (Oller S. et al, 2003).


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b) Descenso 1 cm.

c) Descenso 2 cm. d Descenso 3 cm.

Figura 8: Tensiones principales mximas para desplazamientos impuestos

[MPa]1.7

a) Descenso 0,5 cm.

x

y

z

Figura 9: Vista fachada 1er nivel: a) Fotografa; b) Detalle de direcciones principales

a)

b)


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REFUERZO ESTRUCTURAL

De acuerdo a los daos relevados y a las conclusiones obtenidas del anlisis de elementos

finitos, se plantearon dos etapas dentro del proceso de refuerzo:

Primera Etapa: el objetivo es restaurar la capacidad original de los muros ante cargas

gravitatorias y sobrecargas de servicio;

Segunda Etapa: consolidacin de la estructura para que la misma tenga un

comportamiento sismorresistente adecuado.

PRIMERA ETAPAA efectos de devolver a los muros su integridad y capacidad de carga original, se propone unrefuerzo en ambas caras (salvo en el muro de fachada que se colocar solo en la cara interna)

consistente en un tejido de fibra de vidrio que se satura con una resina epoxdica (lo cual

conforma lo que se conoce como Polmero Reforzado con Fibras (PRF)). Adems se propone

la ejecucin de tres columnas de hormign armado en el muro medianero afectado por el

descenso para lograr un confinamiento adecuado.

A fin de decidir cules muros sern reforzados y evaluar su capacidad de carga se procedi a

realizar un nuevo anlisis utilizando el modelo numrico descrito en la seccin anterior, para

un estado de cargas gravitatorio y se verific que ningn muro sobrepase los valores de

tensiones lmites. Para esta verificacin de analizaron las tensiones 11, 22y 12en cada uno

de los elementos lminas discretizados en el modelo y utilizando las tensiones de rotura de la

mampostera se aplic un criterio de falla orttropo (Oller S. et al, 2003). Como resultado de

este anlisis, en la Figura 11, 12 y 13 se muestran los planos de refuerzo estructural propuesto,

los muros a reforzar y las columnas de hormign armado.

d Descenso 3 cm.c Descenso 2 cm.

b Descenso 1 cm.a Descenso 0 5 cm.

Figura 10: Tensiones principales mximas plano fachada, para distintos niveles de

descensos

[MPa]1.7


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Figura 11: Plano de refuerzo estructural 1: muros a reforzar

Figura 12: Plano de refuerzo estructural 2: Refuerzo de muros con material compuesto


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SEGUNDA ETAPA

En esta etapa se realiz un anlisis de la construccin a efectos de lograr un comportamiento

sismorresistente acorde a las exigencias de los actuales reglamentos INPRES CIRSOC 103,

proponiendo una serie de refuerzos. A tal fin se propuso un proyecto de demolicin de muros,

entrepisos y techos que se muestra en la Figura 14, realizando un trabajo interdisciplinario con

profesionales de la Comisin de Preservacin Arquitectnico y Urbanstico de la Provincia de

Salta (Co.P.A.U.P.S). Con esta propuesta se construy un nuevo modelo 3D utilizando SAP

2000. Las columnas y vigas de hormign armado y perfiles metlicos fueron modeladas

usando elementos tipo frame en tanto que para los muros y entrepisos se emplearon elementos

tipo lmina de cuatro nodos, el modelo completo se muestra en la Figura 15.

Se realiz un anlisis modal espectral considerando dos alternativas: a) Espectro elstico

(Ductilidad =1) para acciones horizontales (Cap. 7, INPRES 103 Parte I) correspondiente aZona ssmica 3, suelo tipo II; b) Espectro considerando reduccin por disipacin de energa

(Ductilidad =2) por deformaciones inelsticas de la estructura (Cap. 8, INPRES 103 Parte I).

Se considero un factor de riesgo d=1,3. Adems, se tuvo en cuenta la sobrecarga por cambio

de destino a museo. A fin de evaluar el estado gravitatorio para la determinacin de las

acciones ssmicas se adopt un factor de simultaneidad y presencia de sobrecargas =0,50 y

los estados de cargas previstos en el Captulo 10, INPRES 103 Parte I. La excitacin ssmica

se supone actuando independientemente en las direcciones x-x e y-y. Para obtener el efecto

total en una direccin de anlisis, se tomo la raz cuadrada de la suma de los cuadrados de los

efectos modales.

Figura 13: Plano de refuerzo estructural 3: Refuerzo de muros con material compuesto


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Para el anlisis y diseo sismorresistente se consideraron la combinacin ms desfavorableentre las siguientes alternativas: 1,3EG ESismo; 0,85 EG ESismo; Estado 1,75 * (PPropio +

Sobrecarga).

Figura 15: Vistas generales del modelo 2da Etapa

Demolicin entrepiso de

madera existente sobre cocina

Muros a demoler

Reemplazo de piso mosaico

por piso de madera

Muros a demoler y

ejecucin baranda h= 1 m.Ejecucin Muros

medianero h=2 m.

Figura 14: Plano de demolicin


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Las caractersticas mecnicas de los materiales, restricciones y condiciones de apoyo se

adoptaron de acuerdo a las hiptesis mencionadas anteriormente.

En la Figura 16 se muestran los perodos y formas modales de los tres primeros modos

correspondiente al anlisis modal realizado y en la Figura 17 se presentan los contornos de

tensiones en la direccin vertical 22en muros considerando los estados de carga: 1,3EG+Esx-x

y 1,3EG+Esy-y.

Con los resultados obtenidos se realizaron las verificaciones y ajustes necesarios al proyecto

de refuerzo de la 2da ETAPA, los cuales se resumen en:

1. Con el objeto de incrementar el grado de compactacin del suelo de fundacin y

mejorar la tensin del terreno en el sector oeste del edifico se propone (Castro V. E.,

2010) el clavado de pilotines de madera (Figura 18).

2.

Proyecto de demolicin de muros, entrepisos y techos (Figura 14).

3.

Reemplazo de pisos de mosaico en 1er piso por piso de madera (Fig. 14).

4. Proyecto de ejecucin de columnas de hormign armado las cuales se anclarn en

dados de hormign a nivel de los cimientos existentes (Fig.19).

5.

Colocacin de Perfiles metlicos en 1er piso en correspondencia a los muros que se

demuelen (Fig. 19).

6. Colocacin de tensores de acero en los muros de 1er piso a nivel de cielorraso

Figura 17: Contorno de tensiones 22en muros: a) Estado de Carga: 1,3EG+Esx-x;

b) Estado de Carga: 1,3EG+Esy-y

a) b)

[MPa]1.7

Figura 16: Perodos y formas modales: a) 1er Modo: Perodo fundamental T=0,199 seg.;b) 2do Modo: Perodo T=0,1556 seg.; c) 3er Modo: Perodo T=0,1361 seg.

a) b) c)


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anclados en placas metlicas.(Fig. 20)

7. Ejecucin de vigas de hormign armado en algunos muros a nivel superior (sobre el

nivel de techos) (Fig. 21)

8. Refuerzo puntual del parapeto del muro de fachada para su consolidacin. (Figs. 21 y

22).

CONCLUSIONESEn este trabajo se presenta la segunda etapa del estudio sismorresistente, evaluacin

estructural y proyecto de refuerzo del edificio Palacio Zorrilla.

Los estudios previos de campo, los ensayos de laboratorios, el estudio de suelo y el

relevamiento de daos permitieron establecer las causas de las patologas observadas y

realizar un diagnstico de la estructura. La modelacin numrica y el anlisis de los estados

tensionales resultantes del descenso del muro medianero confirmaron las hiptesis del

diagnstico planteado.

El proyecto de refuerzo se plante en dos etapas: como primer objetivo se propone restaurar la

capacidad original de los muros ante cargas gravitatorias y sobrecargas de servicio. En la

segunda etapa se modific el proyecto a efectos de adecuarlo a su nuevo destino y adems seanaliz la construccin para que la misma tenga un comportamiento sismorresistente

adecuado. La modelacin numrica utilizando un anlisis modal espectral permiti establecer

los estados tensionales y disear los elementos resistentes del sistema de refuerzo y

consolidacin definitiva de la estructura.

Figura 18: Propuesta de mejora del suelo de fundacin.


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Figura 19: Proyecto de refuerzo de muros con columnas de H A y vigas metlicas


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Figura 20: Proyecto de refuerzo de muros 1er Piso con tensores y placas metlicas

Figura 21: Proyecto de refuerzo parapeto muro fachada (corte)


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AGRADECIMIENTOAgradecemos la valiosa colaboracin para llevar adelante este trabajo al alumno Ivn Vargas.

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Figura 22: Proyecto de refuerzo parapeto muro fachada

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