propuesta de mejoramiento estructural en centros
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PROPUESTA DE MEJORAMIENTO ESTRUCTURAL EN CENTROS EDUCATIVOS EN PERÚ
CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRESFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Dr. Ing. Carlos ZavalaDirector General - CISMID-FIC-UNI
ANTECEDENTES
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ANTECEDENTES
Fermin del Castillo School at Nazca after 1996 earthquake.
El Terremoto de Nazca de 1996 produjo daños en muchos colegios, que fueron afectados principalmente por el efecto de columna corta.
El tipo de colegio que más fue afectado, fueron aquellos basado en el módulo 780 (“PRE”), diseñados con la norma de 1977.
Diseño típico basados principalmente en el tipo de suelo. Módulo de dos niveles, tres aulas por nivele; longitudinalmente conformado por pórticos de C.A. y tabiquería sin una adecuada junta de separación; y transversalmente por muros de albañilería y pórticos.
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ANTECEDENTESEste diseño fue aplicado sin una debida “supervisión”, en algunos casos “adaptado” por personas no calificadas que construyeron de manera no ingenieril.
Este diseño fue mejorado, módulo 780 “POST”, con mejor comportamiento sismorresistente. Sin embargo, existen un gran número de este tipo de colegios (módulos 780-PRE) en todo el país.
A la fecha el 44% del alumnado, en la zona sísmica cuatro (Z4), se encuentra estudiando en edificios construidos antes de 1977 y el número de edificios escolares del tipo 780-PRE es elevado, alrededor de 15 mil edificaciones.
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ANTECEDENTES
Proyecto SATREPS
M8.6 – M8.9. PGA de 1G.
Riesgo Muy alto.
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ANTECEDENTES
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Laboratory DATA from Studies
ANTECEDENTES
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Material Description Number of buildings Percentage
apafa apafa/self-construction 77267 41.18%
Gob.Reg/Local regional/local government 57885 30.85%
Gob.Nac. national government/special project 41046 21.88%
Ent.Coop. cooperating entities/ngo 7328 3.91%
Privado private companies 3820 2.04%
NR Not recognized 285 0.15%
Survey with BM-database
MÓDULO 780-PRE
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Características del Módulo 780-PRE
Vista en plantaVista en elevación
Módulo 780 - PRE
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PROPUESTA DE REFORZAMIENTO
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Propuesta de Reforzamiento
Se estudiaron diferentes técnicas de reforzamiento incluyendo sistemas de control de la respuesta.
Después de un análisis de factibilidad de implementación por parte de profesionales relacionados con infraestructura educativa, se seleccionaron tres técnicas de reforzamiento.
1. Marco y arriostres concéntricos de acero, P780-ACMAC
2. Muro de albañilería reforzada con malla, P780-MARM
3. Incorporación de muros acoplados de concreto armado, P780-IMACA.
Con la versatilidad para poder adaptarse a los criterios de reforzamiento incremental.
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Reforzamiento Incremental
Ref.: Incremental Seismic Rehabilitation of School Buildings - FEMA395 12
Marco y arriostres concéntricos de aceroP780-ACMAC
Inserción del marco metálico de secciones W8x18 (A-36) con arriostres concéntricos HSS2.5x2.5x3/16 (A-36), unidos a vigas y columnas con pernos de 5/8” (A-325). En el caso de la cimentación se utilizo un “Kit de reforzamiento” (viga de cimentación).
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Marco y arriostres concéntricos de aceroP780-ACMAC
VISTA EN PLANTA 1° nivel
VISTA EN PLANTA 2° nivel
Fase 1
Inserción cuatro marcos metálicos en el
segundo nivel.
Fase 2
Inserción dos marcos metálicos en el segundo nivel.
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Marco y arriostres concéntricos de aceroP780-ACMAC
Fase 1
Inserción cuatro marcos metálicos en el
segundo nivel.
Fase 2
Inserción dos marcos metálicos en el segundo nivel.
ELEVACIÓN EJE B
ELEVACIÓN EJE B
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Muro de albañilería reforzada con mallaP780-MARM
Inserción de muros de albañilería alrededor de las columnas de C.A., cubiertas por malla electrosoldada y mortero cemento-arena.
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Muro de albañilería reforzada con mallaP780-MARM
Fase 1
Fase 2
Fase 1
Fase 1 Fase 1
Fase 2
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Muro de albañilería reforzada con mallaP780-MARM
Fase 1
Intervención de cuatro columnas de C.A. en los
dos niveles.
Fase 2
Intervención de dos columnas de C.A. en los
dos niveles.
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Incorporación de muros acoplados de concreto armado
P780-IMACA.
Incorporación de muros y vigas de concreto armado en la dirección longitudinal.
19
Incorporación de muros acoplados de concreto armado
P780-IMACA.
Fase 1
Fase 2
20
Incorporación de muros acoplados de concreto armado
P780-IMACA.
Fase 1
Incorporación de muros acoplados en el
frente.
Fase 2
Incorporación de muros acoplados en el
fondo.
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ENSAYOS CÍCLICOS A ESCALA REALEN PÓRTICO REPRESENTATIVO
22
ENSAYO CÍCLICO ESTÁTICO
𝑚 ∙ ሷ𝑥 + 𝑐 ∙ ሶ𝑥 + 𝑘 ∙ 𝑥 = −𝑚 ∙ ሷ𝑥𝑔
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 10 20 30 40 50 60 70
Acce
lera
tio
n
Time (s)
Lima, 1966
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Dis
pla
cem
ent
(m
m)
Step
Estructura Sismo (vibración no estacionaria)
Cargas de reversas debido al sismo
Ensayo estático cíclico: Cargas estacionarias incrementales con una amplitud objetivo en cada ciclo: Carga o desplazamiento.
Normalizado para cada tipo ensayos y encontrar los puntos críticos.
Estructura
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ENSAYO CÍCLICO DE CARGA LATERAL
x
Q
x
Q
Q=kx
Elástico Inelástico
K instantánea
𝑐 ∙ ሶ𝑥 + 𝑸 𝒙 = − 𝑚 ∙ ሷ𝑥𝑔 +𝑚 ∙ ሷ𝑥
d
Q
Curva de Capacidad
Curva de capacidad
Al alcanzar la amplitud, ሶ𝑥=0. Se obtiene la curva de capacidad con las amplitudes.
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Lazos histeréticos
ℎ =1
4𝜋∙𝜔
𝑝∙∆𝑊
𝑊
𝑠𝑡ℎ𝑒𝑞 =1
4𝜋∙∆𝑊
𝑊
𝜔 = 𝑝
𝑠𝑡ℎ𝑒𝑞 = Τ1 𝜋 ∙ 1 − Τ1 𝜇
𝑠𝑡ℎ𝑒𝑞 ∝ 1 − Τ1 𝜇25
Lazos histeréticos
Ciclos obtenidos durante el ensayo:
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00
Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-6
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-6.00 -4.00 -2.00 0.00 2.00 4.00 6.00
Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-8
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00
Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-24
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
-60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00
Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-23
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
-60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00
Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-22
-30
-20
-10
0
10
20
30
-30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-17
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-19
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00Load
Displacement
Hysteresis curveLoop-10
26
Pórtico representativo P780
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IDEALIZACIÓN DEL ENSAYO
Representación de cargas mediante
Actuadores hidráulicosFuerza
cortante
PP
Carga axialCarga axial
Aplicación de cargas
Configuración regular para ensayos cíclicos
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Dis
plac
emen
t (
mm
)
Step
28
Espécimen P780
29
Ensayo a Escala Real
30
Espécimen P780
Formación de la columna corta
31
Espécimen P780
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
Rig
idez e
quiv
ale
nte
(kN
/mm
)
Distorsión (mm/mm)
P780-PRE (1)
P780-PRE (2)
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
Fa
cto
r d
e a
mo
rtig
ua
mie
nto
Distorsión (mm/mm)
P780-PRE (1)
P780-PRE (2)
Curva histerética
Curva de Capacidad
Degradación de la rigidez
Disipación de la energía
32
33
Reforzamiento - ACMAC
Espécimen P780-ACMAC 1&2
W8
x18
DETALLE A
DETALLE B
DETALLE C
1 1 22
3
3
Corte de e=4 cm
VISTA EN ELEVACIÓN
Corte de e=1.5 cm
DETALLE A
Corte de e=3.5 cm
DETALLE Base
Columna
34
Espécimen P780-ACMAC 1
Curva histerética
Curva de Capacidad
Disipación de la energía
35
Espécimen P780-ACMAC 2
Curva histerética
Curva de Capacidad
Disipación de la energía
36
Espécimen P780-MARM
Tapajunta de 8mm
Junta de separación 3cm
(libre)
Tapajunta de 8mm Tapajunta de 8mm
Junta de separación 3cm
(libre)
Tapajunta de 8mm
37
Espécimen P780-MARM
Curva histerética
Curva de Capacidad
Disipación de la energía
38
Espécimen P780-IMACA
X
X
Y
Y
Tapajunta de 8mm
Junta de separación 4cm
(libre)
Tapajunta de 8mm Tapajunta de 8mm
Junta de separación 4cm
(libre)
Co
lum
na
exis
ten
te C
2 s
in r
ecu
brim
ien
to
Co
lum
na
exis
ten
te C
1 s
in r
ecu
brim
ien
to
39
Espécimen P780-IMACA
Curva histerética
Curva de Capacidad
Disipación de la energía
40
COMPARACIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES
41
Curvas de capacidad
42
Ensayo a Escala ½ ACMAC
43
Ensayo de simulación sísmica del módulo reforzado, 4 fases - registro sísmico MAYO70 (1970)
Lazos histeréticos
Degradación de la rigidez
44
Lazos histeréticos
Factor de amortiguamiento
Amotiguamiento histerético al límite de iniciación de daño: 4.5%En el estado final: 13.5% 45
CALIBRACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS
46
Modelos histeréticos
= ∙
𝑸
𝑸
= + +
∙
𝑸
= + +
∙
𝑠 =
− ∙
−
= 1 ∙ ∙
=
𝑸
=1
∙ − −
∙
𝑸
Bilineal Takeda
Takeda-slip D-tri
Orientado al origen
o : Unloading stiffness
degradation (0.4)
o & :
Softening (1.2)
& Hardening
(1.1) of
stiffness
(Takeda-slip ) 47
Modelos matemáticos
Modelos debidamente calibrados: curvas decapacidad e histéresis (disipación de energía) 48
EDIFICIO EN EL ESTADO ACTUAL
EDIFICIO SIN REFUERZO (BASE)
NTE-
030
REFORZAMIENTO ETAPA 1
SOLO DOS VANOS CON ARRIOSTRES - MEJORA
NTE-
030M
REFORZAMIENTO ETAPA 2
CUATRO VANOS CON ARRIOSTRES
MEJORA CON REFUERZO
NTE-
030M
Ejemplo de Reforzamiento Iniciativa Privada
Reforzamiento Colegio La Unión – C.Zavala
52
IMPLEMENTACIÓN EN COLEGIOS EXISTENTES
53
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55
AGRADECIMIENTOS
Banco Mundial
Ministerio de Educación
Universidad Nacional de Ingeniería (Laboratorio de Estructuras de CISMID)
Pontificia Universidad Católica del Perú
Universidad de Los Andes
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CONCLUSIONESo La Pontificia Universidad Católica del Perú y la
Universidad Nacional de Ingeniería (Laboratorio deEstructuras de CISMID) bajo la lupa de la Universidad deLos Andes unieron esfuerzos para la mejora estructural delos colegios en Perú.
o Se desarrollaron tres alternativas de refuerzo paraeliminar la columna corta de los colegios 780PRE.
o A iniciativa del Ministerio de Educación y el BancoMundial se desarrollo una guía para el reforzamiento conaplicabilidad condicionada.
o La aplicabilidad demuestra que es posible realizar elrefuerzo en tres meses época de vacaciones en Perú.
57
JAPAN - PERU CENTER FOR EARTHQUAKE ENGINEERING RESEARCH AND DISASTER MITIGATION
www.cismid.uni.edu.pe
Laboratorio de Estructuras de
CISMID –FIC-UNI
Muchas gracias