Captulo 6

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CAPTULO 6

DESEMPEO SSMICO DE EDIFICACIONES ESENCIALES 6.1. INTRODUCCIN

La experiencia de sismos recientes ha puesto en evidencia una importante limitacin

del enfoque implcito en los cdigos de diseo ssmico hasta ahora empleados; el desempeo de una edificacin durante un sismo no est dado de manera explcita en estos cdigos y los enfoques empleados no conducen a un eficiente control de los daos ni a una plena satisfaccin de la filosofa de diseo sismorresistente (Bertero, 1992). De hecho, la mayora de las metodologas de evaluacin y previsiones para el diseo ssmico, slo consideran un nivel de movimiento del terreno para el cual, la edificacin no debera colapsar. Estas previsiones raramente reconocen que pueden ocurrir daos sustanciales y grandes prdidas asociados a sismos de naturaleza ms frecuente. En tal sentido, es importante reconocer que la seguridad ante el colapso debido a grandes sismos no implica necesariamente un comportamiento aceptable de la edificacin durante sismos de pequea o moderada intensidad, por lo que se requiere definir mltiples niveles de desempeo como una estrategia para disponer de nuevas alternativas aceptables de evaluacin.

En este sentido, se han impulsado una serie de propuestas para la evaluacin y diseo de edificaciones basadas en los conceptos de desempeo ssmico, donde la aceptacin de los diferentes niveles de daos se determina basado en la frecuencia con los cuales estos daos ocurren y en las consecuencias que tienen sobre los usuarios y la comunidad. Dentro de esta concepcin, identificada o definida como un diseo basado en el desempeo ssmico, se engloban aquellas metodologas segn las cuales los criterios estructurales se expresan en trminos de determinados niveles de desempeo esperados. Entre las principales propuestas que impulsan el desarrollo de estos conceptos destacan las recomendaciones del Comit VISION 2000 (SEAOC, 1995) y las propuestas del ATC-40 (1996). Aunque ambas propuestas difieren en detalles, se fundamentan en los mismos conceptos desarrollados a continuacin.

El presente captulo desarrolla los conceptos asociados al desempeo ssmico de las edificaciones segn las propuestas del comit VISION 2000 (SEAOC, 1995) y del ATC-40 (1996). El objetivo principal de este captulo es sentar las bases y los criterios de calificacin de la respuesta ssmica de las edificaciones esenciales que permitan la toma de decisiones respecto de su comportamiento esperado durante un sismo, fundamentada en los conceptos de desempeo ssmico, desde el punto de vista estructural y no estructural, para diferentes niveles de movimiento del terreno. Asimismo, se describen cualitativamente las diferentes acciones o intervenciones destinadas a reducir la vulnerabilidad ssmica de estas instalaciones. 6.2. DISEO BASADO EN EL DESEMPEO SSMICO De manera general, el diseo basado en el desempeo ssmico consiste en la seleccin de apropiados esquemas de evaluacin que permitan el dimensionado y detallado de los componentes estructurales, no estructurales y del contenido, de manera que para un nivel de movimiento especificado y con diferentes niveles de confiabilidad, la estructura no

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debera ser daada ms all de ciertos estados lmites (Bertero, en SEAOC, 1995). Tiene por objeto el desarrollo de mtodos que permitan concebir, disear, construir y mantener edificaciones que sean capaces de exhibir un desempeo predecible, cuando son afectadas por sismos. El desempeo se cuantifica en trminos de la cantidad de dao sufrido por un edificio afectado por un movimiento ssmico y el impacto que tienen estos daos en las actividades posteriores al evento ssmico. Este concepto no es slo aplicable a edificios, sino que puede ser extendido a todo tipo de estructuras e incluso a sus componentes no estructurales y contenido (Hamburger, 1997; Porter et al., 1993).

La definicin del comportamiento esperado de una edificacin durante movimientos ssmicos de diferentes intensidades debe ser establecida de manera cualitativa, en una primera fase conceptual, antes de emprender las sucesivas fases del proceso, entre las que destacan la fase numrica, orientadas al diseo propiamente dicho, y finalmente la fase de implementacin, donde la calidad del diseo debe ser garantizado por un adecuado control de calidad durante la ejecucin y mantenimiento de las obras (Teran, 1997). Durante esta primera fase conceptual, el desempeo ssmico de las edificaciones se establece sobre la base de tres conceptos fundamentales: el nivel de desempeo, el nivel de amenaza y el desempeo esperado de la edificacin. 6.2.1. Nivel de desempeo

El nivel de desempeo describe un estado lmite de dao. Representa una condicin

lmite o tolerable establecida en funcin de los posibles daos fsicos sobre la edificacin, la amenaza sobre la seguridad de los ocupantes de la edificacin inducidos por estos daos y la funcionalidad de la edificacin posterior al terremoto (ATC-40, 1996). Es una expresin de la mxima extensin del dao, donde se considera tanto la condicin de los elementos estructurales como de los elementos no estructurales y su contenido, relacionado con la funcin de la edificacin. Los niveles de desempeo suelen expresarse en trminos cualitativos de significacin pblica (impacto en ocupantes, usuarios, etc.) y en trminos tcnicos ingenieriles para el diseo o evaluacin de edificaciones existentes (extensin del deterioro, degradacin de elementos estructurales o no estructurales, etc.) (SEAOC, 1995). 6.2.1.1. Propuesta VISION 2000

La Propuesta del Comit VISION 2000 (SEAOC, 1995) define cuatro niveles de desempeo identificados a travs de los siguientes calificadores: A - Totalmente Operacional. Nivel de desempeo en el cual no ocurren daos. Las consecuencias sobre los usuarios de las instalaciones son despreciables. La edificacin permanece totalmente segura para sus ocupantes. Todo el contenido y los servicios de la edificacin permanecen funcionales y disponibles para su uso. En general no se requieren reparaciones. B Operacional. Nivel de desempeo en el cual ocurren daos moderados en elementos no estructurales y en el contenido de la edificacin, e incluso algunos daos ligeros en elementos estructurales. El dao es limitado y no compromete la seguridad de la edificacin que debera permanecer disponible para cumplir con sus funciones normales inmediatamente despus del sismo, aunque los daos en elementos no estructurales y contenido, puede interrumpir parcialmente algunas funciones. En general, se requieren algunas reparaciones menores.

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C - Seguridad. Nivel de desempeo en el cual ocurren daos moderados en elementos estructurales, no estructurales y en el contenido de la edificacin. Degradacin de la rigidez lateral y la capacidad resistente del sistema. Interrupcin de servicios elctricos, mecnicos y perturbacin de las vas de escape de la edificacin. Las instalaciones quedan fuera de servicio y el edificio probablemente requerir reparaciones importantes. D Pre-Colapso. Nivel de desempeo en el cual la degradacin de la rigidez lateral y la capacidad resistente del sistema compromete la estabilidad de la estructura aproximndose al colapso estructural. Interrupcin de servicios y vas de escape. La edificacin es completamente insegura para sus ocupantes y la extensin de las reparaciones pueden resultar no factible tcnica o econmicamente. En la mencionada referencia, se incluye una amplia descripcin de los niveles permisibles o tolerables de dao asociados a los cuatros niveles de desempeo indicados, para los diferentes sistemas y sub-sistemas del edificio, los componentes del sistema resistente a cargas verticales y laterales, as como los componentes secundarios y no estructurales (arquitectnicos, elctricos, mecnicos, etc.). La Tabla 6.1., resume algunas de las principales caractersticas asociadas a estos niveles de desempeo y su relacin con los estados de daos. Tabla 6.1. Estados de dao y niveles de desempeo (SEAOC, 1995)

Estado de dao

Nivel de Desempeo

Caractersticas principales

Despreciable Totalmente Operacional

Dao estructural y no estructural despreciable o nulo. Las instalaciones continan prestando sus servicios y funciones despus del sismo.

Ligero Operacional Daos ligeros. Las instalaciones esenciales continan en servicio y las no esenciales pueden sufrir interrupciones de inmediata recuperacin.

Moderado Seguridad Daos moderados. La estructura sufre daos pero permanece estable. Seguridad de ocupantes. Algunos elementos no estructurales pueden daarse

Severo Pre-Colapso Dao estructural severo, en la proximidad del colapso estructural. Falla de elementos no estructurales. Seguridad de ocupantes comprometida.

Completo Colapso Colapso estructural 6.2.1.2. Propuesta ATC-40 La propuesta del ATC-40 (1996) especifica separadamente el nivel de desempeo para la estructura y el nivel de desempeo para los componentes no estructurales de manera que su combinacin conduce a la definicin del nivel de desempeo de la edificacin. - Nivel de desempeo para la estructura

Describen los posibles estados de dao sobre la estructura. Para tal fin, se definen tres estados de dao discretos o lmites: inmediata ocupacin, seguridad y estabilidad

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estructural, y dos rangos intermedios: dao controlado y seguridad limitada, los cuales se designan con la abreviacin SP-n, (Structural Performance, donde n es un nmero). SP-1. Inmediata ocupacin; el sistema resistente a cargas verticales y laterales permanece prcticamente inalterado, puede haber ocurrido dao estructural muy limitado, el peligro a la vida es despreciable y la edificacin se mantiene funcionando en su totalidad. SP-2. Dao controlado; corresponde a un estado de dao que vara entre las condiciones lmite de inmediata ocupacin y seguridad. La vida de los ocupantes no est en peligro aunque es posible que sean afectados. SP-3. Seguridad; pueden haber ocurrido dao significativo en la estructura, sin embargo, la mayora de los elementos estructurales se mantienen. Amenaza a la vida de los ocupantes interiores y exteriores e incluso, puede haber afectados. Costos elevados asociados a las reparaciones estructurales. SP-4. Seguridad limitada; corresponde a un estado de dao que vara entre las condiciones lmite de seguridad y estabilidad estructural, con alto peligro para los ocupantes. SP-5. Estabilidad estructural; corresponde a un estado de dao en el cual el sistema estructural est en el lmite de experimentar un colapso parcial o total. Han sucedido daos sustanciales, con una significativa degradacin de rigidez y resistencia del sistema resistente a cargas laterales, an cuando los componentes del sistema resistente a cargas verticales mantengan la capacidad suficiente para evitar el colapso. Existe un elevado peligro para ocupantes y transentes, as como un peligro elevado en caso de rplicas. Estas edificaciones requieren reparaciones estructurales significativas. SP-6. No considerado; no corresponde con un nivel de desempeo de la estructura, sino con una condicin en la cual slo se incluye una evaluacin ssmica de los componentes no estructurales. Se limita a considerar el desempeo de los elementos no estructurales. - Nivel de desempeo para los componentes no estructurales

Describen los posibles estados de dao de los componentes no estructurales. Para tal fin, se definen cuatro estados de dao: operacional, inmediata ocupacin, seguridad y amenaza, los cuales se designan con la abreviacin NP-n (Nonstructural Performance, donde n designa una letra).

NP-A. Operacional; despus del sismo, los sistemas, componentes y elementos no estructurales permanecen sin dao y funcionando. Todos los equipos y maquinarias deben permanecer operativos aunque algunos servicios externos no estn del todo disponibles. NP-B. Inmediata ocupacin; los sistemas, componentes y elementos no estructurales permanecen en su sitio, con pequeas interrupciones que no comprometen o limitan su funcionamiento. Se mantiene un estado de seguridad para los ocupantes. NP-C. Seguridad; contempla considerable dao en sistemas, componentes y elementos no estructurales, pero sin colapso o interrupcin de los mismos que pueda atentar seriamente contra los ocupantes. No debera haber fallo en los componentes peligrosos, sin embargo, el

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equipamiento y las maquinarias pueden quedar fuera de servicio. Puede haber algunos afectados, el peligro a la vida por los daos en componentes no estructurales es bajo. NP-D. Amenaza; incluye importante dao en los sistemas, componentes y elementos no estructurales, pero sin colapso de los grandes y pesados elementos que pongan en peligro a grupos de personas. El peligro a la vida por los daos en componentes no estructurales es alto. NP-E. No considerado; no corresponde con un nivel de desempeo de los componentes no estructurales, sino con una condicin en la cual slo se incluye una evaluacin ssmica de los componentes estructurales. Se limita a considerar el desempeo de los elementos estructurales. - Nivel de desempeo de la edificacin Describen los posibles estados de dao para la edificacin. Estos niveles de desempeo se obtienen de la apropiada combinacin de los niveles de desempeo de la estructura y de los componentes no estructurales. La Tabla 6.2., muestra las posibles combinaciones donde se han destacado e identificado los cuatro niveles de desempeo de edificaciones ms comnmente referenciados; operacional (1-A), inmediata ocupacin (1-B), seguridad (3-C) y estabilidad estructural (5-E), as como otros niveles de desempeo posibles (2-A, 2-B, etc.). La designacin NR corresponde a niveles de desempeo No Recomendables en el sentido que no deben ser considerados en la evaluacin.

Tabla 6.2. Niveles de desempeo de la edificacin (ATC-40, 1996) SP-1

Inmediata Ocupacin

SP-2 Dao

Controlado (rango)

SP-3 Seguridad

SP-4 Seguridad limitada (rango)

SP-5 Estabilidad Estructural

SP-6 No

considerado

NP-A Operacional

1-A Operacional

2-A

NR

NR

NR

NR

NP-B Inmediata Ocupacin

1-B Inmediata Ocupacin

2-B

3-B

NR

NR

NR

NP-C Seguridad

1-C

2-C

3-C Seguridad

4-C

5-C

6-C

NP-D Amenaza

NR

2-D

3-D

4-D

5-D

6-D

NP-E No

Considerado

NR

NR

3-E

4-E

5-E Estabilidad Estructural

No Aplicable

Estos niveles de desempeo estn asociados a la siguiente descripcin: 1-A. Operacional: se relaciona bsicamente con la funcionalidad. Los daos en componentes estructurales son limitados. Los sistemas y elementos no estructurales permanecen funcionando. Cualquier reparacin requerida no perturba ninguna funcin. Se

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mantiene la seguridad de los ocupantes. Se mantienen las funciones de los servicios de la edificacin, incluso cuando los externos a la misma no estn disponibles. 1-B. Inmediata ocupacin; corresponde al criterio ms usado para edificaciones esenciales. Los espacios de la edificacin, los sistemas y los equipamientos permanecen utilizables. Se mantienen en funcionamiento los servicios primarios. Quizs algunos servicios secundarios presenten pequeas interrupciones de fcil e inmediata reparacin. Se mantiene la seguridad de los ocupantes. 3-C. Seguridad vital; corresponde a un estado de daos que presenta una baja probabilidad de atentar contra la vida. Constituye el nivel de desempeo de la edificacin que se espera alcanzar con la aplicacin de los actuales cdigos ssmicos; es decir, que se corresponde a un desempeo equivalente al que se obtendra con la aplicacin sistemtica de los cdigos actuales de diseo ssmico. Se caracteriza por presentar daos limitados en los componentes estructurales y el eventual fallo o volcamiento de los componentes no estructurales, con posibilidad inclusive de fallo en algn elemento peligrosos y en alguno de los elementos primarios (servicios de agua, electricidad, etc.) y secundarios (acabados, fachadas, etc.), siempre que no atente contra la vida de los usuarios. 5-E. Estabilidad estructural; para este estado de dao prcticamente no queda reserva alguna del sistema resistente a carga lateral que permita soportar una rplica, slo se mantiene cierta capacidad del sistema resistente a cargas verticales para mantener la estabilidad de la estructura, de manera que el peligro para la vida es muy alto. El nivel de dao estructural implica que no se requiere la revisin de los componentes no estructurales. El peligro de los ocupantes y transentes por el colapso o falla de componente no estructurales exige el desalojo de la edificacin. 6.2.2. Desempeo esperado de la edificacin El desempeo esperado de la edificacin describe un comportamiento ssmico que pueden considerarse satisfactorio para una edificacin sometida a movimientos ssmicos de diferentes intensidades (ATC-40, 1996). Es una expresin del comportamiento deseado o del desempeo objetivo que debe ser capaz de alcanzar un edificio sujeto a un determinado nivel de movimiento ssmico. Pueden definirse mltiples niveles de desempeo esperado, seleccionando diferentes niveles de desempeo de la edificacin para cada uno de los niveles de movimientos especificados. Su seleccin debe estar basada en las caractersticas de ocupacin de la edificacin, la importancia de la funcin de sus instalaciones, las consideraciones econmicas relacionadas con los costos de reparacin de dao y de interrupcin de servicios, la importancia de la edificacin en el mbito histrico y cultural (SEAOC, 1995). El desempeo esperado est ntimamente ligado a la definicin de los niveles de amenaza ssmica que puede ser expresado en forma probabilstica o determinstica. En los enfoques probabilistas, especificando un nivel de movimiento asociado con una probabilidad de ocurrencia, mientras que en los enfoques deterministas, en trminos del movimiento mximo esperado para un evento, con una magnitud dada y asociado a una fuente especfica. Convencionalmente estos movimientos se especifican en trminos de parmetros ingenieriles para fines de diseo como por ejemplo, la intensidad macrossmica, aceleraciones pico, los espectros de respuesta, etc., relacionados con el perodo medio de retorno o bien, con la probabilidad de excedencia. El perodo medio de retorno es una

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expresin del perodo de tiempo medio, en aos, entre la ocurrencia de sismos que producen efectos del mismo orden de severidad. La probabilidad de excedencia es una representacin estadstica de la posibilidad que las consecuencias de un sismo excedan un nivel de efectos determinados en un tiempo especfico de exposicin, en aos (SEAOC, 1995). El perodo medio de retorno y la probabilidad de excedencia pueden relacionarse directamente como;

( )ptT

=

1ln (6.1)

T ... Periodo medio de retorno, en aos.

p ... Probabilidad de excedencia. t ... Tiempo de exposicin, en aos 6.2.2.1. Propuesta VISION 2000

La propuesta del Comit VISION 2000 (SEAOC, 1985) define cuatro niveles de amenaza ssmica. La Tabla 6.3., reproduce los correspondientes cuatro niveles de movimiento ssmico que se designan con los siguientes calificadores;

Tabla 6.3. Niveles de movimiento ssmico (SEAOC, 1995) Nivel del movimiento

ssmico Perodo medio de retorno

T (aos) Probabilidad de excedencia

(p,t) Frecuente 43 aos 50% en 30 aos Ocasional 72 aos 50% en 50 aos

Raro 475 aos 10% en 50 aos Muy Raro 970 aos 10 % en 100 aos

El desempeo esperado de las edificaciones establece los requerimientos mnimos sobre el desempeo ssmico ante los diferentes niveles de amenaza. La Tabla 6.4., reproduce los niveles recomendados de desempeos esperados para edificaciones, conforme a su clasificacin de acuerdo al uso y ocupacin en instalaciones de seguridad crtica, instalaciones esenciales/riesgosas e instalaciones bsicas.

Tabla 6.4. Niveles recomendados de desempeos esperados (SEAOC, 1995)

Nivel de Desempeo Ssmico 1 ..Instalaciones Bsicas 2 ..Instalaciones Esenciales/Riesgosas 3.. Instalaciones de Seguridad Crtica 0...Desempeo inaceptable

Totalmente Operacional

Operacional Seguridad Colapso

Frecuente (T=43 aos)

1 0 0 0

Ocasional (T=72 aos)

2 1 0 0

Raro (T=475 aos)

3 2 1 0

Niv

el d

el

Mov

imie

nto

Ssm

ico

Muy Raro (T=970 aos)

- 3 2 1

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6.2.2.2. Propuesta del ATC-40

De acuerdo a la propuesta del ATC-40 (1996) se definen tres niveles de amenaza correspondiente a movimientos ssmicos identificados como: Sismo de Servicio (SS); correspondiente a movimientos de baja a moderada intensidad, de ocurrencia frecuente, generalmente asociados con un 50% de probabilidad de ser excedido en un perodo de 50 aos, con un perodo medio de retorno de aproximadamente 72 aos, de manera que puede llegar a ocurrir varias veces durante la vida til de una edificacin. En base a los resultados de peligrosidad tpicos de un emplazamiento determinado, este movimiento representa aproximadamente la mitad del nivel de movimiento asociado al sismo de diseo tradicionalmente especificado en los cdigos, por tratarse de sismos ms frecuentes y de menor severidad. Sismo de Diseo (SD); correspondiente a movimientos de moderada a severa intensidad, de ocurrencia poco frecuente, generalmente asociados con un 10% de probabilidad de ser excedido en un perodo de 50 aos, con un perodo medio de retorno de aproximadamente 475 aos. Se corresponde con el nivel de movimiento tradicionalmente especificado por la mayora de los cdigos de diseo para edificaciones convencionales y se espera que ocurra al menos una vez en la vida til de una edificacin. Sismo Mximo (SM); correspondiente a movimientos de intensidad entre severos o muy severos, de muy rara ocurrencia, generalmente asociados con un 5% de probabilidad de ser excedido en un perodo de 50 aos, con un perodo medio de retorno de aproximadamente 975 aos. Se corresponde con el nivel de movimiento tradicionalmente especificado por los cdigos de diseo para edificaciones esenciales y representa cerca de 1.25 a 1.5 veces el nivel de movimiento asociado al sismo de diseo tradicionalmente especificados en los cdigos, de all que la mayora asocian esta relacin al factor de importancia de las edificaciones esenciales, por tratarse de sismos menos frecuentes de mayor severidad.

El nivel de desempeo esperado de la edificacin, se establece una vez identificados los lmite de daos tolerables en una edificacin y los niveles de movimientos del terreno debido a sismos. Para el ATC-40 (1996), la decisin sobre el nivel de desempeo esperado para una edificacin depende bsicamente de consideraciones funcionales, polticas, econmicas (de costos), de preservacin. Existe una amplia variedad de combinaciones, atendiendo a las caractersticas particulares de uso, funcin e importancia de cada edificacin. Como muestra de ello, la Tabla 6.5., presenta a ttulo de ejemplo, un nivel dual de desempeo esperado, asociado al llamado criterio de seguridad bsica, generalmente empleado en edificaciones convencionales, donde se espera que la edificacin presente un nivel de desempeo de seguridad vital (3-C) para un sismo de diseo (SD) y un nivel de desempeo de estabilidad estructural (5-E) para un sismo mximo (SM).

Tabla 6.5. Nivel de desempeo esperado: criterio de seguridad bsica (ATC-40, 1996) Nivel de desempeo de la edificacin Nivel del

movimiento del terreno

Operacional Inmediata Ocupacin

Seguridad Vital

Estabilidad Estructural

Servicio (SS) Diseo (SD) X

Mximo (SM) X

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6.3. CONSIDERACIONES PARA EDIFICACIONES ESENCIALES El enfoque o estrategia presentado bajo el concepto de diseo basado en el desempeo ssmico puede ser adaptado al diseo y/o evaluacin de prcticamente cualquier tipo de edificacin. En el caso particular de edificaciones esenciales, el problema est en definir razonables niveles de desempeo esperado de la edificacin, compatible con los niveles de respuesta deseados y que se espera que estas instalaciones alcancen ante movimientos ssmicos de diferentes intensidades, lo cual por lo general es una decisin difcil y delicada, con serias implicaciones sociales, econmicas y polticas. Es evidente que en las edificaciones esenciales es fundamental el mantenimiento de sus funciones antes, durante y despus de un terremoto. Esta condicin exige ampliar los conceptos de desempeo estructural tradicionalmente considerados en edificaciones convencionales con los conceptos de desempeo no estructural y funcional. Sobre el diseo basado en el desempeo estructural se ha avanzado mucho y, por lo tanto, si se dispone de toda la informacin de sus caractersticas constructiva se puede evaluar el desempeo estructural de las edificaciones existente. Sin embargo, los estudios sobre el desempeo no estructural y funcional son ms limitados y en algunos casos rebasan el campo de la ingeniera estructural y ssmica, involucrando seguramente otras disciplinas y especialidades. En este sentido, es importante examinar las diferentes propuestas que se han desarrollado y que abordan la evaluacin de las edificaciones esenciales sobre la base de conceptos del desempeo ssmico desde un punto de vista estructural, no estructural y funcional.

Utilizando como base el formato contenido en la propuesta del ATC-40 (1996), la Tabla 6.6., presenta una equivalencia de los niveles de desempeo esperados para edificaciones esenciales, establecidos por las principales guas de diseo de este tipo de instalaciones. En particular se hace referencia a las recomendaciones contenidas en:

- Propuesta del Comit VISION 2000 (SEAOC, 1995) para instalaciones esenciales. - Propuesta de los cdigos de diseo ssmico del llamado Triservices (DOD, 1986). - Ttulo 24 Hospitales, de la Comisin de Edificaciones del Estado de California

(CBSC, 1995). - Disposiciones particulares para el diseo ssmico de los Veterans Administration

Hospital (VA, 1986).

Tabla 6.6. Niveles de desempeo esperado para edificaciones esenciales Recomendaciones de diseo. Nivel del

movimiento Del terreno

Vision 2000 Triservices Essential

California Hosp/Essent.

VA Hospital

Servicio (SS) 1A 1B Diseo (SD) 1B 1B Mximo(SM) 3C 3C 5E 1A

(Vase tambin Tabla 6.2.) Se aprecia una importante discrepancia en las recomendaciones del nivel de

desempeo esperado propuestos por las guas de diseo de edificaciones esenciales ms reconocidas de E.E.U.U., lo cual pone de manifiesto la falta de consenso y la necesidad de clarificar los objetivos que se pretenden alcanzar para lograr un nivel de seguridad razonable en este tipo de edificaciones.

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Es importante destacar el hecho de que hoy se dispone de metodologas, herramientas y tecnologa para lograr que una edificacin se disee y se construya de forma que cumpla los requerimientos de desempeo ms restrictivos y exigentes, por lo que resulta impostergable la necesidad de definir en las edificaciones esenciales, los objetivos de diseo o los niveles de desempeo esperado de la edificacin compatibles con los niveles de importancia de estas instalaciones y que el diseo basado en el desempeo ssmico constituye el camino apropiado para su implementacin. 6.4. EVALUACIN DEL COMPORTAMIENTO SSMICO DE LAS EDIFICACIONES ESENCIALES Una vez completada la fase conceptual y establecidos los niveles de daos tolerables en la edificacin para cada nivel de amenaza, la evaluacin ssmica de una edificacin requiere establecer su capacidad de satisfacer el nivel de desempeo esperado, de acuerdo con la sismicidad local, propia o caracterstica de su emplazamiento. De manera que las limitantes implcitas en el nivel de desempeo esperado de las edificaciones esenciales, representan en s, los criterios de aceptacin que servirn de base para la toma de las decisiones relativas a la necesidad de implementar una adecuacin o intervencin de la edificacin. Esta decisin es compleja ya que involucra diversos factores que incluyen consideraciones tcnicas, econmicas, sociales y polticas, que desde un punto de vista formal, exigen la concurrencia de diversos elementos, entre los que destaca en primer lugar, una descripcin de las diferentes decisiones que pueden adoptarse de conformidad con los niveles de desempeo de la edificacin durante un sismo y presupone la existencia de un tomador de la decisin, que puede ser una persona, una institucin, una entidad o el estado, el cual generalmente tiene unas preferencias subjetivas (Egozcue et al., 1997). Desde el punto de vista operativo, la evaluacin ssmica de una edificacin exige como siguiente paso, la evaluacin de las prdidas potenciales o daos probables inducidos por los diferentes niveles de movimiento ssmico, de manera que, una edificacin se considera ssmicamente inadecuada si las prdidas potenciales estimadas durante la evaluacin superan el nivel de dao tolerable y por ende, los niveles de exigencias ssmicas superan las previsiones sismorresistentes. Su desarrollo forma parte de la segunda fase del proceso de diseo basado en el desempeo ssmico; la fase numrica, que comprende tanto el diseo preliminar como el diseo final o diseo propiamente dicho y que involucra el dimensionado y detallado de los diversos componentes estructurales y no estructurales de la edificacin, basado en alguna estrategias o procedimientos de evaluacin que sea transparente, flexible, simple y concisa, capaz de responder a los requerimientos impuestos en la fase conceptual (Teran, 1997). En este sentido, es importante tener presente que la evaluacin de las prdidas potenciales o daos probables inducidos por un movimientos ssmico en una edificacin, involucra una gran cantidad de factores que van desde la apropiada definicin de la excitacin, la definicin realista de un modelo estructural representativo de la edificacin, una caracterizacin apropiada de materiales, una definicin coherente de los estados de cargas y estn limitados por la informacin disponible de la edificacin y las limitaciones implcita en los modelos de anlisis y de la respuesta, sobre todo los de naturaleza no lineal.

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Existen una gran variedad de procedimientos analticos para la evaluacin ssmica de edificaciones existentes (SEAOC, 1995), algunos basados en comportamiento elstico-lineal y otros en un comportamiento inelstico, no lineal. En los primeros, se definen estados de fuerzas laterales estticas o dinmicas y procedimientos elsticos para determinar la relacin demanda-capacidad de los elementos; proporcionan una buena aproximacin de la capacidad elstica y la primera cedencia, pero no pueden predecir mecanismos de falla, ni tomar en cuenta la redistribucin de fuerzas durante el progreso de la cedencia. En los mtodos inelsticos, es posible aproximarse a lo que realmente sucede en la edificacin, identificar modos de falla y el potencial de un colapso progresivo. La primera y ms intuitiva estrategia, consiste en estimar la sobre-resistencia local y global de una edificacin existente. Es sabido que la respuesta inelstica y la demanda de ductilidad de desplazamiento de una edificacin depende en gran medida de su resistencia actual, la cual normalmente es mayor y en algunos casos mucho mayor que la considerada en el diseo. La relacin entre la resistencia actual y la supuesta en el cdigo de diseo define la sobre-resistencia estructural, de manera que un factor mayor que la unidad implica seguridad y viceversa, un factor menor que la unidad implica dao, fallo o colapso (Miranda, 1991). Entre los principales factores responsables de esta sobre-resistencia estructural destacan; los factores de magnificacin o mayoracin de las cargas, los factores de reduccin o minoracin de resistencia, el uso de esfuerzos admisibles en el diseo, las diferencias entre las resistencias reales y nominales de los materiales, el endurecimiento por deformacin, los diseos gobernados por otros estados de cargas diferentes al ssmico o controlados por los desplazamientos, los requerimientos torsionales, los efectos tridimensionales no considerados, la contribucin de elementos no estructurales, la uniformidad de la construccin, la contribucin de los entrepisos. En fin, estos factores varan de edificio a edificio y su estimacin es realmente dificultosa, adems su presencia puede sobre todo a nivel local, modificar los mecanismos resistentes de la edificacin, alterando de manera impredecible el patrn de respuesta esperado (Miranda, 1991). Una aplicacin de este tipo de metodologa (Freemen et al., 1984), considera un procedimiento de anlisis elstico para calcular la fuerza en los elementos estructurales (demanda), la cual se compara con la capacidad cedente, a travs de una llamada relacin de demanda inelstica, de manera que, si dicha relacin permanece dentro de un rango tolerable para todos los elementos, se puede considerar que la estructura satisface las previsiones ssmicas. Otra estrategia para la evaluacin de las prdidas potenciales en edificaciones existentes consiste en comparar las previsiones estructurales con las demandas ssmicas que pueden ocurrir a lo largo de la vida til de la edificacin. Las previsiones estructurales, se refieren a parmetros o caractersticas estructurales tales como la resistencia cedente, la resistencia mxima, la capacidad de disipacin de energa, la ductilidad, las deformaciones cedentes y mximas, etc., mientras que las demandas ssmicas, se refieren a parmetros de la respuesta de la edificacin sujeta a movimientos ssmicos, entre los que destacan la demanda de resistencia elstica e inelstica, la demanda de desplazamientos, la demanda de ductilidad local y global, la demanda de energa histertica, etc. De manera que, tanto a nivel local como a nivel global, las previsiones estructurales deben ser mayores que las demandas ssmicas. Si bien la implementacin puede ser dificultosa, fundamentalmente por las fuentes de incertidumbres asociadas, existen diferentes opciones disponibles en trminos probabilsticos y sobre todo determinsticos que permiten la comparacin de estos parmetros con resultados aceptables (Miranda, 1991).

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Entre los mtodos inelsticos destacan los basados en el anlisis completo de la respuesta no lineal para una seal de entrada o historia de carga en el tiempo. Estos mtodos tienden a ser procedimientos complejos y poco prcticos para uso general, por lo que se han desarrollado mtodos de anlisis no lineales simplificados, tambin llamados mtodos de anlisis esttico no lineal, que constituyen una alternativa eficiente con mucho auge a los que se le ha dedicado especial atencin en los ltimos aos (ATC-40, 1996).

6.4.1. Mtodos simplificados de anlisis esttico no lineal

Cuando se somete una edificacin a movimientos del terreno debido a sismos, experimenta desplazamientos laterales y consecuentemente deformaciones en sus elementos. Para respuestas de pequea amplitud, las deformaciones en los elementos permanecen en el rango elstico y prcticamente no ocurren daos, mientras que para respuestas de mayor amplitud, las deformaciones de los elementos exceden su capacidad elstica y la edificacin experimenta daos. En este caso, la mejor estimacin de la respuesta global de la estructura y de la demanda en sus componentes individuales, se obtiene recurriendo a sofisticados procedimientos de anlisis no lineal en el tiempo, cuyos resultados tienden a ser altamente sensibles a pequeos cambios del comportamiento de sus componentes y a las caractersticas del movimiento empleado. De hecho, un anlisis dinmico no lineal conduce a diferentes estimaciones del desplazamiento mximo, para diferentes registros cubiertos por un mismo espectro de respuesta. Esta situacin, ha propiciado el desarrollo de procedimientos simples, pero robustos, que permiten estimar los valores medios de la fuerza y el desplazamiento, los cuales se conocen como mtodos simplificados de anlisis esttico no lineal (Tsopelas et al., 1997). Existen diversos mtodos de anlisis esttico no lineal para evaluar edificaciones existentes que permiten comparar la capacidad de la edificacin con la demanda ssmica a la cual ser expuesta. Entre los principales mtodos simplificados de anlisis esttico no lineal destacan;

- El mtodo del espectro capacidad-demanda; permite estimar grficamente el

desempeo ssmico de una edificacin a travs de la interseccin del espectro de capacidad con el espectro de demanda (Freeman et al., 1984; ATC-40, 1996).

- El mtodo del coeficiente del desplazamiento; procedimiento numrico para

estimar la demanda de desplazamiento de una estructura usando una representacin bilineal de la curva de capacidad y coeficientes de correccin. (ATC-40, 1996).

- El mtodo de la secante; procedimiento numrico que sustituye la estructura por

otra con rigidez secante o efectiva. (ATC-40, 1996).

A continuacin se presenta una descripcin detallada del mtodo del espectro capacidad-demanda ya que el mismo permite hacer una representacin grfica muy clara y comparar directamente, el espectro de capacidad global (fuerza-desplazamiento) de la estructura con el espectro de respuesta representativo de la demanda ssmica, facilitando una rpida interpretacin de la respuesta ante un movimiento del terreno.

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6.4.2. Mtodo del Espectro Capacidad-Demanda. 6.4.2.1. Fundamentos del mtodo

El mtodo se fundamenta en una representacin aproximada de las caractersticas globales no lineales de la estructura, obtenida mediante el reemplazo del sistema no lineal por un sistema lineal equivalente usando como base procedimientos del anlisis modal (ATC-40, 1996; FEMA, 1996). Si bien, estos procedimientos son vlidos solamente para estructuras de comportamiento lineal, su uso en estructuras de comportamiento no lineal representa una aproximacin que permite la representacin del sistema a travs de sus propiedades lineales efectivas. De manera que este mtodo se diferencia de los mtodos convencionales de anlisis lineal, en que estos ltimos utilizan directamente las propiedades elsticas de la estructura, mientras que los anteriores, usan propiedades efectivas o secantes de la misma, para calcular los desplazamientos. El uso de este mtodo involucra varias aproximaciones, de manera que su implementacin requiere adems de conocimiento del comportamiento y la dinmica de estructuras, la aplicacin de un sensato juicio ingenieril.

En trminos generales, el mtodo consiste en comparar el espectro de capacidad de

la estructura con el espectro de la demanda ssmica para identificar el desplazamiento mximo punto de desempeo, donde la capacidad y la demanda se igualan, permitiendo estimar la respuesta mxima de la edificacin, la cual servir de base para compararla con el nivel de desempeo esperado.

Es importante destacar que la capacidad de una edificacin particular y la demanda

impuesta por un sismo dado no son independientes. De hecho, cuando se incrementa la demanda, la estructura eventualmente entra en cedencia, la rigidez disminuye y los perodos de vibracin se alargan, lo cual se evidencia en el mismo espectro de capacidad. Adicionalmente, aumenta la energa disipada por ciclo, debido a la degradacin de resistencia y rigidez, sobre todo cuando la edificacin est en capacidad de experimentar ciclos histerticos grandes y estables, incidiendo directamente en el amortiguamiento efectivo. De manera que, la determinacin del desplazamiento donde la capacidad y la demanda se igualan, exige un proceso iterativo en el cual, inicialmente se compara el espectro de capacidad con el espectro de demanda, descrito a travs del espectro de respuesta elstico usando 5% de amortiguamiento, que ser sucesivamente ajustado por un factor de reduccin, que tome en cuenta de manera compatible, la disipacin histertica de energa o amortiguamiento efectivo asociado al punto de desplazamiento obtenido en cada fase. Una vez identificado el punto de desempeo asociado a la respuesta ssmica mxima que experimentar la edificacin durante el movimiento ssmico especificado, se podr decidir en funcin del nivel de desempeo esperado, la aceptabilidad o necesidad de intervencin en una edificacin existente. 6.4.2.2. Espectro de Capacidad

A travs de un anlisis esttico no lineal incremental de un modelo representativo de la estructura se obtiene una curva de capacidad (Fig. 6.1.), la cual generalmente se representa como el corte basal (Vo), obtenido para varios incrementos del estado de carga lateral, respecto al desplazamiento lateral del ltimo nivel de la edificacin (n). Esta curva consiste en una serie de segmentos de rectas de pendiente decreciente, asociados a la progresiva degradacin de la rigidez, la cedencia en elementos y en general, al dao. A este tipo de evaluacin se conoce como un anlisis pushover y su resultado est fuertemente

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influenciado por el esquema de distribucin de carga lateral supuesto; sin embargo, existen recomendaciones sobre como establecerlos de manera racional, por ejemplo, que la misma sea consistente con la distribucin de fuerzas inerciales o con la forma de vibracin del modo considerado. Adems, la pendiente de la lnea trazada desde el origen de coordenadas hasta un punto de la curva definido por un desplazamiento (d) representa la rigidez efectiva o secante de la estructura asociada a dicho desplazamiento.

Usando propiedades modales asociadas al modo fundamental de vibracin, es

posible transformar la curva de capacidad a un nuevo formato ADRS (Acceleration-Displacement Response Spectra) donde se representa la aceleracin espectral (Sa), respecto al desplazamiento espectral (Sd), denominado espectro de capacidad. Para esta conversin, cada punto (Voi , ni) de la curva de capacidad, corresponde a un punto (Sai , Sdi) del espectro de capacidad, segn:

( )ni

inSd

1,1

= 1

=

i

iVoSa (6.2)

1 ... masa modal asociada al modo fundamental o primer modo de vibracin.

1 ... factor de participacin asociado al modo fundamental. 1,n ... amplitud en el nivel n, de la forma de vibracin del modo fundamental.

"PUSHOVER"ANALISIS

SOMETIDO A ESTADO DEMODELO ESTRUCTURAL

Vo =j

Fj

n

F1

Fj

FnAL DESPLAZAMIENTO d.RIGIDEZ EFECTIVA ASOCIADA

i,

Vo

Vo(

d

n i)

n

)i

Sa

SdSa( ,i

Sd

PERIODO EFECTIVO T'

"ADRS"CONVERSION

CARGA LATERAL INCREMENTAL

CURVA DE CAPACIDAD

ESPECTRO DE CAPACIDAD

Fig. 6.1. Espectro de capacidad

En esta representacin, cada lnea trazada desde el punto origen hasta la curva, tiene

una pendiente ()2, donde es la frecuencia circular asociada a la respuesta efectiva de la estructura cuando la misma es deformada hasta dicho desplazamiento espectral. De manera que el perodo efectivo de la estructura (T) asociado a dicho desplazamiento espectral puede determinarse como T=2/.

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6.4.2.3. Espectro de demanda

La demanda ssmica inicialmente se caracteriza usando el espectro de respuesta elstico de aceleracin tpicamente definido para un amortiguamiento del 5% (Fig. 6.2.), el cual debe ser transformado a un formato ADRS, es decir, de aceleracin espectral (Sa como una fraccin de la aceleracin de gravedad g) respecto el desplazamiento espectral (Sd). Para dicha conversin cada punto (Sai , Ti) del espectro de respuesta donde Ti es el perodo en segundos, corresponde a un punto (Sai , Sdi) del espectro de demanda, segn:

gSaTSd iii = 22

4 (6.3)

De manera que el espectro de demanda es una representacin grfica de la

aceleracin mxima de respuesta respecto el correspondiente desplazamiento mximo, para un perodo y nivel de amortiguamiento dado. Estos valores mximos se corresponden con los valores pseudoespectrales siempre que se trate de pequeos valores del amortiguamiento.

Este espectro de respuesta elstico debe ser sucesivamente ajustado para un factor

de amortiguamiento compatible con el nivel de deformaciones esperado. De hecho, para altos niveles de deformacin se esperan importantes incrementos en la capacidad de disipar energa, ms an, si la estructura cuenta con dispositivos de disipacin, en cuyo caso, la demanda ssmica inicial debe ser reducida en proporcin al incremento del amortiguamiento efectivo. Para tal fin, diversas recomendaciones proponen valores de amortiguamiento caracterstico para diferentes sistemas estructurales (Tabla 6.7.) y factores de modificacin de la respuesta elstica dependientes del amortiguamiento (Tabla 6.8.), los cuales deben aplicarse de manera consistente para cada nivel de movimiento del terreno especificado.

ESPECTRO CON ALTOAMORTIGUAMIENTO

ESPECTRO ELASTICO INICIAL.

Ao

SaESPECTRO INICIAL CON5% AMORTIGUAMIENTO

Ta

(c /T)/B1

(aAo)/Bs

aAo

c /T

T

,DEMANDA

SISMICA

Ta Ti

REDUCCION

Sa(Sai

T

T )i

Ta

Sd

ESPECTRO DE DEMANDA.

Sa

Sa( i,

Ti

Sd

i)

CONVERSION"ADRS"

Fig. 6.2. Espectro de demanda ssmica

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Tabla 6.7. Amortiguamiento para sistemas estructurales (Freeman et al., 1984) Sistema Estructural

Principal Elstico-lineal

(bajo nivel de deformacin) Posterior a la cedencia (alto nivel de deformacin)

Estructura metlica 3% 7% Concreto reforzado 5% 10%

Mampostera 7% 12% Madera 10% 15%

Sistema dual (1) (2) Notas: (1) Usar un promedio ponderado en proporcin a la participacin relativa de cada sistema.

(2) Puede usarse el valor del sistema con mayor amortiguamiento.

Tabla 6.8. Factor de modificacin de la respuesta elstica (FEMA, 1996) Factor de amortiguamiento Factor Bs

(Rango de cortos periodos) Factor B1

(Rango de largos periodos) 2% 0.8 0.8 5% 1.0 1.0 10% 1.3 1.2 20% 1.8 1.5 30% 2.3 1.7 40% 2.7 1.9 50% 3.0 2.0

6.4.2.4. Estimacin de la respuesta ssmica mxima

Superponiendo el espectro de capacidad con el espectro de la demanda ssmica es posible identificar la interseccin de las curvas, definiendo as el punto de desempeo (A,d), donde se igualan la demanda y la capacidad. Este punto representa la respuesta estructural correspondiente al modo fundamental de vibracin en trminos de pseudo-aceleracin y pseudo-desplazamiento espectral asociado al mximo desplazamiento, que permiten la determinacin del desplazamiento n y corte basal Vo, usando procedimientos de anlisis modal, de manera que:

1= AVo ndn 1,1 = (6.4)

Si el desplazamiento n est asociado a un nivel de deformaciones que no es

compatible con el nivel de amortiguamiento implcito en la reduccin de la demanda ssmica supuesta, es necesario repetir el proceso hasta lograr compatibilizar estos parmetros. De manera similar, utilizando los parmetros modales asociados a los modos superiores de vibracin puede obtenerse la respuesta estructural para otros modos de vibracin.

La Fig. 6.3., describe grficamente el citado procedimiento. En la misma se observa

como el espectro de demanda ssmica inicial debe ser apropiadamente reducido tomando en consideracin un factor de amortiguamiento compatible con la capacidad de disipacin de energa del sistema, el cual est asociado con el nivel de deformaciones esperado y determinado por el punto de desempeo sobre el espectro de capacidad. Asociando en el eje de las abscisas los correspondientes valores espectrales de desplazamientos que determinan los diferentes rangos del desempeo estructural, es posible calificar de manera directa el desempeo de la estructura para los diferentes niveles de la amenaza ssmica considerados.

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SP-4SEGURIDAD LIMITADA

(CAPACIDAD = DEMANDA)

PUNTO DEDESEMPEO

DEMANDA SISMICAREDUCIDA

SP-2DAO CONTROLADO

ESPECTRO DECAPACIDAD

SIN DAO

SP-1

INM

EDIA

TA

OC

UPA

CIO

N

SP-3

d

Sa

A

ToDEMANDA SISMICAINICIAL

Td

SP-5

ESTA

BIL

IDA

DES

TRU

CTU

RA

L

COLAPSO

Sd

SEG

UR

IDA

D

Fig. 6.3. Espectro de Capacidad-Demanda (ATC-40, 1996).

As pues, el espectro capacidad-demanda, constituye una herramienta grfica bastante prctica que permite determinar entre otras cosas;

- La respuesta estructural mxima del sistema. - Calificar el desempeo ssmico que experimentar la edificacin durante un

movimiento ssmico especfico, lo cual requiere la definicin de los rangos de desplazamiento espectral asociado a cada nivel de desempeo estructural.

- La modificacin del perodo de vibracin efectivo durante el sismo respecto al obtenido en rgimen elstico para bajos niveles de deformacin.

- Evaluar la eficiencia de un esquema de intervencin estructural propuesto. Finalmente, es importante destacar que la metodologa descrita representa un

enfoque aproximado para determinar la respuesta no lineal de una edificacin sometida a un movimiento ssmico y que en ningn caso, debe ser considerado como una solucin exacta. Sin embargo, estudios comparativos entre los resultados de un anlisis no lineal en el tiempo, con los mtodos de anlisis esttico no lineal simplificado (Tsopelas et al., 1997), demuestran que el mtodo del espectro capacidad-demanda, permite en general obtener buenos estimados de la respuesta estructural en trminos del desplazamiento mximo promedio y de la aceleracin total, sobre todo si se incorpora apropiadamente la reduccin de la demanda ssmica debido a la modificacin del amortiguamiento del sistema. En especial, se obtienen resultados satisfactorios para estructuras cuya respuesta ssmica est gobernada por el modo fundamental de vibracin.

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6.5. NECESIDAD DE INTERVENCIN DE LA EDIFICACIN El resultado de la evaluacin ssmica debe servir de base para la toma de decisiones referente a la necesidad de intervencin de una edificacin. Esta decisin puede dirigirse hacia diferentes posiciones que van desde no tomar ninguna accin, hasta hacer mnimas reparaciones y/o modificaciones, adecuar, reajustar la edificacin inclusive la demolicin.

Cada una de estas acciones debe estar dirigida a reducir la vulnerabilidad funcional, no estructural o estructural de la edificacin, dependiendo de los requerimientos asociados al nivel de desempeo esperado y a los resultados de la misma evaluacin. En este sentido, lo importante es entender que la intervencin de la vulnerabilidad de los elementos expuestos debe hacerse antes de la ocurrencia del evento ssmico para lograr una efectiva mitigacin del dao causado por el mismo y que permita reducir o prevenir los daos y consecuencias que puede inducir un evento ssmico sobre una regin o poblacin. De manera que, la pronta adopcin de medidas preventivas es la mejor manera de mitigar los efectos producidos por estos desastres y que la mitigacin no tiene precio, a largo plazo se paga, no slo con dinero real sino con vidas salvadas (OPS, 1993). 6.5.1. La intervencin estructural

Desde un punto de vista estructural, la adecuacin o reajuste de una edificacin, comnmente referida como reforzamiento estructural, consiste en una modificacin sensata de las caractersticas estructurales (resistencia, rigidez, masa, deformabilidad, capacidad de disipacin de energa, etc.) que permita proporcionar a la misma un desempeo ssmico aceptable. Ello implica necesariamente la identificacin de las deficiencias ssmicas de la edificacin y la seleccin de una apropiada estrategia de adecuacin que permita reducir la vulnerabilidad a un nivel aceptable, conforme con las caractersticas particulares de cada edificacin.

Las estrategias de adecuacin o reforzamiento estructural persiguen reducir la

susceptibilidad de la edificacin de sufrir daos debidos a un sismo. Teniendo en cuenta que dichos daos generalmente dependen del nivel de deformaciones (mxima deformacin), as como de la historia de deformaciones (nmero, magnitud, secuencia de incursiones inelsticas, etc.), es importante reconocer que el control de daos implica en cierta manera el control de las deformaciones relativas.

La intervencin estructural consiste en la implementacin de todas aquellas medidas estructurales necesarias para garantizar un nivel de desempeo estructural adecuado ante un sismo. En trminos generales, las estrategias de reforzamiento y adecuacin estructural pueden englobarse desde el punto de vista cualitativo en tres grupos (ATC-40, 1996); las tcnicas de rigidizacin y/o reforzamiento, tcnicas para elevar la capacidad de deformacin y tcnicas para reducir la demanda ssmica. En la prctica, estas tcnicas suelen implementarse a travs de la insercin de elementos adicionales como muros de corte (tanto exteriores como interiores a la edificacin), contrafuertes, prticos, prticos arriostrados, arriostramiento de prticos, muros de relleno en prticos, reforzamiento de diafragmas, reforzamiento de columnas y vigas, incorporacin de elementos de confinamiento, incorporacin de elementos de aislamiento de base, utilizacin de unidades de disipacin de energa, modificacin de la rigidez local de elementos, incorporacin de soportes adicionales, reduccin de masa por remocin o sustitucin de componentes pesados o inconvenientemente situados.

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- Reforzamiento y rigidizacin del sistema; representan las estrategias ms comnmente empleadas para intervenir edificaciones con un inadecuado sistema resistente a cargas laterales. Pueden estar orientadas a incrementar la capacidad resistente o incrementar la rigidez lateral. Ambas estrategias estn muy relacionadas pero son diferentes. Las Figuras 6.4.a. y 6.4.b., esquematizan el efecto de este tipo de intervencin que en trminos prcticos se implementan con la introduccin de muros prticos adicionales en la estructura a travs de la intervencin de los existentes.

- Mejoramiento de la capacidad de deformacin; el incremento de la capacidad de deformacin del sistema se logra mejorando la capacidad de deformacin de los elementos que la componen, de manera que las acciones generalmente estn orientadas a mejorar el confinamiento en elementos poco dctiles, incrementar la resistencia, reducir la rigidez localmente o agregar soportes adicionales. La Fig. 6.4.c., esquematiza el efecto de esta intervencin. - Reduccin de la demanda ssmica; implica modificaciones en la respuesta estructural para reducir las demandas de fuerzas y deformaciones en el sistema. Existen diferentes estrategias tales como el aislamiento de la base, el incremento de la capacidad de disipacin de energa empleando dispositivos disipadores (Fig. 6.4.d.) y finalmente, la reduccin de masas innecesarias, que redundar en reduccin de las fuerzas ssmicas.

Fig. 6.4.c. Efecto del incremento de la

Fig. 6.4.a. Efecto del reforzamiento

CAPACIDADESTRUCTURA ORIGINAL

Sa

d1

Sa

Fig. 6.4.d. Efecto del incremento de la

Fig. 6.4.b. Efecto de la rigidizacion

DEMANDA REDUCIDACON DISPOSITIVOS DISIPADORES

DEMANDA REDUCIDA

CAPACIDADESTRUCTURA

DEMANDA REDUCIDA

CAPACIDADESTRUCTURA RIGIDIZADA

CAPACIDADESTRUCTURA INTERVENIDA

d1

DEMANDA REDUCIDA

d2 d1

CAPACIDADESTRUCTURA ORIGINAL

DEMANDA REDUCIDAESTRUCTURA ORIGINAL

DEMANDA ELASTICA

d2

CAPACIDADESTRUCTURA REFORZADA

DEMANDA REDUCIDAESTRUCTURA REFORZADA

DEMANDA ELASTICA

d2

Sa

d1

DEMANDA ELASTICA

Sa DEMANDA ELASTICA

CAPACIDADESTRUCTURA ORIGINAL

Sd

Sd

Sd

Sd

capacidad de disipacion de energiacapacidad de deformacion

Si bien estas medidas pretenden reducir la vulnerabilidad estructural, en la mayora de los casos, no son suficientes para reducir la vulnerabilidad no estructural y mucho menos la funcional. De manera que cuando se decide la intervencin de una edificacin, debe hacerse con una visin suficientemente amplia para cubrir los diferentes aspectos involucrados. En este sentido, es importante diferenciar una intervencin estructural de una intervencin no estructural y funcional (OPS, 1993).

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6.5.2. La intervencin no estructural

La intervencin no estructural consiste en la implementacin de todas aquellas medidas sobre el sistema, los elementos y los componentes no estructurales, necesarias para garantizar su adecuado desempeo ante un sismo. Si bien, la intervencin estructural repercute sobre algunos componentes no estructurales (sobre todo los arquitectnicos, como paredes y tabiques), es evidente que ciertos elementos, equipamiento y/o contenido expuestos, merecen la adopcin de medidas apropiadas para reducir o eliminar su vulnerabilidad, evitando que sufran dao o que su fallo pueda atentar contra la seguridad de los ocupantes, los bienes y/o la funcionalidad de la instalacin. En general, entre estas medidas de mitigacin destacan la remocin y/o reubicacin de elementos peligrosos, la restriccin de la movilizacin de ciertos objetos, el uso apropiado de anclajes, de acoples flexibles y de soportes, la sustitucin o modificacin de objetos que representen peligro, el aislamiento de objetos, la fijacin sobre todo de estanteras y otros elementos altos, el refuerzo de elementos, la redundancia de materiales esenciales, la rpida respuesta y reparacin.

6.5.3. La intervencin funcional

Se entiende por intervencin funcional todas aquellas medidas necesarias para garantizar el mantenimiento de las condiciones apropiadas de funcionalidad al momento de la actuacin ante una crisis ssmica. Teniendo en mente los importantes incrementos en la demanda de servicios caractersticos de las edificaciones esenciales, la intervencin funcional debe estar orientada a identificar las deficiencias funcionales de la instalacin en casos de emergencia y hacer las adecuaciones necesarias, que en algunos casos, pueden implicar variaciones en los diseos y distribuciones de reas, de manera que permitan mitigar y prevenir colapsos funcionales. Ello en cierta manera escapa del alcance del tcnico estructural y exige la intervencin de todo un equipo multidisciplinario en el que participe personal especializado, ingenieros, arquitectos, planificadores, etc., con el fin de lograr una adecuacin eficiente de la planta fsica, usos, servicios, accesos y reas exteriores. Desde el punto de vista funcional, entre las medidas ms importantes destacan la sealizacin de servicios, rutas de evacuacin y escape, de equipos de emergencia, tanto en el interior de la edificacin como en el exterior y los alrededores, la existencia de un plan de emergencia efectivo y probado, la permanente disponibilidad de las salidas de emergencia, la prctica de simulacros de actuacin en caso de sismos, informacin sobre las acciones a tomar, equipamiento bsico para atencin de primeros auxilios y de comunicacin, sistemas de alarma, redundancia en equipos y servicios vitales, entre otros. 6.6. RESUMEN Y DISCUSIN Para solventar las limitaciones en el enfoque tradicionalmente implcito en los cdigos de diseo ssmico hasta ahora empleados y promover una nueva generacin de cdigos que permitan concebir, disear, construir y mantener edificaciones que sean capaces de exhibir un desempeo predecible cuando son afectadas por sismo, se han impulsado una serie de propuestas basadas en los conceptos de desempeo ssmico implementadas dentro de la concepcin del llamado diseo basado en el desempeo ssmico.

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El desarrollo de este enfoque comprende tres fases; una fase conceptual, una fase numrica y una fase de implementacin. La fase conceptual, constituye la mdula espinal de este nuevo marco a travs de la definicin de los niveles de desempeo, los niveles de amenaza y el desempeo esperado de la edificacin. Se han destacado dos propuestas que impulsan el desarrollo de este marco conceptual; el Comit VISION 2000 (SEAOC, 1995) y el ATC-40 (1996). Ambas propuestas difieren en detalles pero se fundamentan en los mismos conceptos, siendo aplicables no solo a edificios sino que pueden ser extendidos a otros tipos de estructuras. Su aplicacin al caso de las edificaciones esenciales parte de la definicin de razonables objetivos de desempeo, compatibles con los niveles de respuesta que se esperan que estas instalaciones alcancen durante movimientos ssmicos de diferentes intensidades. En este sentido, reconocidos cdigos y guas de diseo han propuesto los niveles de desempeo esperado para edificaciones esenciales de cuya comparacin se desprende una importante discrepancia que pone de manifiesto la falta de consenso existente y la necesidad de clarificar los objetivos deseados para lograr un nivel de seguridad razonable y acorde con la importancia de este tipo de instalaciones.

Para la evaluacin del comportamiento ssmico de las edificaciones, existen una gran cantidad de metodologas, algunas basadas en el comportamiento elstico-lineal y otras en el comportamiento inelstico-no lineal. De hecho, existen una variedad de procedimiento destinados a cuantificar la capacidad de la edificacin que reconocen el carcter no lineal de la respuesta ssmica de la estructura y que permiten estimar los niveles de daos en funcin de la demanda ssmica. Los mtodos convencionales de anlisis no lineal de estructuras, basados en la respuesta dinmica en el tiempo, son generalmente complejos y poco prcticos para su uso general, lo que ha propiciado el desarrollo de mtodos alternativos y simplificados, que aunque limitados en precisin, son robustos, poco sensibles a las particularidades de la seal y que permiten una implementacin prctica. Entre estos mtodos, uno de los que ha adquirido mayor fuerza en los ltimos aos, es el llamado mtodo del espectro capacidad-demanda (ATC-40, 1996). Este mtodo es un procedimiento simplificado de anlisis esttico no lineal que permite a travs de una representacin grfica estimar el desempeo ssmico de una estructura. Consiste en comparar el espectro de capacidad de la estructura con el espectro de demanda ssmica para identificar el llamado punto de desempeo ssmico, donde la capacidad y la demanda se igualan, permitiendo estimar la respuesta mxima de la edificacin, que servir de base para identificar el nivel de desempeo ssmico y justificar la toma de las decisiones. Un aspecto atractivo de este mtodo es su implementacin grfica, sin embargo ha sido objeto de importantes acotaciones y evaluaciones (Chopra y Goel, 1999, 2000), ya que en algunos casos no es capaz de proporcionar un buen estimado de la deformacin inelstica del sistema. De manera que, es importante recordar que estos mtodos representan un enfoque aproximado para determinar la respuesta no lineal de una estructura sometida a un movimiento ssmico y que en ningn caso, debe ser considerada como una solucin exacta, ya que involucra importantes aproximaciones que requieren adems del conocimiento del comportamiento y la dinmica de estructuras, la aplicacin de un sensato juicio ingenieril.

El resultado de la evaluacin del comportamiento ssmico de la edificacin debe servir de base para la toma de decisiones referentes a la necesidad de intervencin de una edificacin, cuyas acciones deben estar dirigidas a reducir la vulnerabilidad funcional, no estructural o estructural de la edificacin. Dentro de las estrategias de intervencin estructural destacan las tcnicas de reforzamiento y rigidizacin del sistema, el

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mejoramiento de su capacidad de deformacin y aquellas dirigidas a reducir los niveles de la demanda ssmica. La efectividad de cada una de estas estrategia debe ser evaluada segn el caso, sin dejar de recordar la necesidad de complementarlas con intervenciones no estructurales y funcionales.

A veces intervenciones oportunas, sencillas y econmicas, utilizar un poco de creatividad e imaginacin, tomar medidas de precaucin de fcil implementacin, bastan para lograr importantes reducciones en los niveles de vulnerabilidad existentes como una contribucin en la prevencin y mitigacin de los desastres ssmicos. Otras veces, sern necesarias intervenciones ms profundas y por supuesto ms costosas, sin embargo, cuando se trata de edificaciones esenciales, es poco cuanto se haga. Se debe recordar que, la falta de preparacin es una de las condiciones necesarias para que un sismo pase de ser un fenmeno natural a una catstrofe.