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apuntes de RIESGO SISMICO EDIFICACIONES EDUCATIVAS
Tipo: Apuntes
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AGRADECIMIENTOS
Queremos agradecer de una manera muy especial al ingeniero ALEJANDRO MUÑOZ PELAEZ por su tiempo, consejos, comprensión y apoyo incondicional. Su guía y aporte fueron indispensables para la realización de este trabajo.
Al Dr. Marcial Blondet por su asesoría y consejos. Él es un modelo de persona y profesional a seguir. Al ingeniero Daniel Quiun por brindarnos las facilidades necesarias y por su apoyo constante.
Al ingeniero Marcos Tinman en representación de la empresa Prisma Ingenieros. Trabajar junto a él y sus socios día a día enriquece nuestra experiencia profesional.
A todas las personas que hicieron valiosos aportes en este trabajo: Prof. Carlos Véliz (PUCP), Dr. Mario Ordaz (UNAM), Dr. Hernán Tavera (IGP) y a los expertos encuestados de diferentes instituciones a nivel nacional.
DEDICATORIA
A mis padres, ellos me han enseñado el valor de la vida. Para mi son un modelo de vida y un modelo de profesionales.
A mis hermanas que son modelos que siempre querré superar.
A toda mi familia, que siempre confía en mí. Una vez más los sueños se vienen cumpliendo…
Rafael
Escuela de Graduados
En este trabajo se desarrollaron herramientas para estimar el desempeño sismorresistente y para cuantificar pérdidas en edificios educativos peruanos. Se identificaron cinco tipos estructurales como los más representativos. Un tipo corresponde a los edificios de adobe, tres tipos a los edificios de concreto y albañilería construidos antes de 1997 y un tipo a los edificios de concreto y albañilería muy robustos que se empezaron a construir después de 1997 y que representan el 2% del total de edificaciones. Para estimar pérdidas se construyeron funciones de distribución de daño para diferentes escenarios de sismicidad en base a las cuales se obtuvieron curvas de fragilidad y matrices de probabilidad de daño.
En el país no existe información estadística sobre los daños de edificios escolares afectados por terremotos, ni tampoco sobre sus características estructurales. Por este motivo, se recurrió a la opinión de expertos en ingeniería estructural para estimar el comportamiento esperado. Para la presentación del tema y la recolección de información se empleó el método Delphi.
Los resultados indican que los edificios de adobe quedarían irreparables (daño mayor a 60%) para eventos con intensidades de VII MM o más. Para los edificios de concreto- albañilería construidos antes de 1997 y para los de reciente construcción se encontró que el daño irreparable se alcanzaría desde intensidades de IX MM y X MM respectivamente.
Se estudió el desempeño de los edificios ubicados en las zonas de mayor sismicidad en sismos frecuentes (50 años de periodo de retorno y 0.2g de aceleración pico del suelo) y en eventos mayores (500 años de periodo de retorno y 0.4g de aceleración pico). Los resultados indican que en sismos frecuentes los edificios de concreto-albañilería construidos después de 1997, tendrían daños menores al 5% y en sismos severos alcanzarían 40% de daño. Para los edificios de concreto-albañilería anteriores a 1997 y para los edificios de adobe los daños serían importantes en sismos frecuentes (20% y 45% respectivamente) y en sismos severos ambos tipos de edificios quedarían irreparables (65% y 95% de daño).
Para completar el desarrollo de un plan nacional de protección de la infraestructura educativa es necesario que el estado compile y organice la información necesaria para lograr una representación cuantitativa de la distribución geográfica y de las condiciones locales de la infraestructura educativa. En paralelo al desarrollo de este plan es necesario organizar programas de reducción de vulnerabilidad de bajo costo para las edificaciones en mayor riesgo.
Escuela de Graduados
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El objetivo de este trabajo es identificar los principales sistemas estructurales de las edificaciones educativas peruanas, desarrollar las herramientas para estimar las pérdidas y cuantificar su desempeño en diferentes escenarios de sismicidad.
El trabajo se desarrolló para los edificios escolares públicos que son los más numerosos y los que requieren directa atención del gobierno; sin embargo, buena parte del trabajo es de aplicación directa a los centros escolares privados.
Para identificar los principales sistemas estructurales se acudió al Instituto Nacional de Infraestructura Educativa y Salud (INFES). Se recopiló información respecto a la arquitectura y estructura de las edificaciones educativas peruanas y se identificaron 5 sistemas estructurales como los más representativos en número.
En el país no existe información estadística sobre los daños de edificios educativos afectados por terremotos, ni tampoco sobre sus características estructurales. Por este motivo, se recurrió a la opinión de expertos en ingeniería para estimar el comportamiento símico esperado de estas edificaciones. Para la presentación del tema y la recolección de información se empleó el método Delphi con la ayuda de la página web desarrollada para
Las estimaciones obtenidas de los expertos sirvieron para construir funciones de densidad de probabilidad en base a las cuales se obtuvieron curvas de fragilidad y matrices de probabilidad de daño para cada tipo de edificio considerado. Usando estas herramientas se determinó el umbral de daño irreparable y el comportamiento esperado en diferentes escenarios sísmicos.
Los resultados de este trabajo junto a los detalles del proceso seguido se encuentran en la página web desarrollada.
En el segundo capítulo se presentan los cinco sistemas estructurales más representativos y la distribución geográfica de las edificaciones educativas a nivel nacional según el material de construcción.
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En el tercer capítulo se presenta la metodología general para estimar pérdidas por sismos en términos de probabilidades. Se presentan los procedimientos generales para la obtención de curvas de fragilidad y matrices de daño y se muestra su uso en la estimación de pérdidas.
La metodología empleada para recolectar y sintetizar la opinión de expertos se describe en el cuarto capítulo.
En el quinto capítulo se muestra el procedimiento usado para procesar la información del grupo de expertos junto a los detalles para la construcción de las curvas de fragilidad y las matrices de daño. El capítulo incluye el análisis del desempeño sísmico de los sistemas estructurales desarrollado en base a las curvas y matrices de daño.
El sexto capítulo contiene las conclusiones y recomendaciones de este trabajo.
En el anexo 1 se presenta la página web. La síntesis de las estimaciones de los expertos se muestra en el anexo 2 y los parámetros de las funciones de distribución de daño se presentan en el anexo 3. En el anexo 4 se muestra el programa de cómputo utilizado para generar las curvas y matrices de daño. En el anexo 5 se muestra la lista de expertos encuestados.
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En particular los edificios educativos de concreto armado han ido cambiando tanto arquitectónica como estructuralmente. Así por ejemplo, los edificios actuales tienen un menor número de aulas y ya no cuentan con las columnas exteriores del corredor adyacente al patio (figura 2.1).
En cuanto a los edificios de adobe, tapial, quincha y sillar generalmente se construyen sin dirección técnica calificada, y sólo en los últimos años se han desarrollado técnicas para mejorar su desempeño sismorresistente.
Figura 2.1 Edificio educativo moderno (izquierda) y gran unidad escolar (derecha)
A pesar de la gran diversidad de edificios educativos fue necesario identificar los tipos más representativos en número con el fin de desarrollar los procedimientos para estimar pérdidas por sismo. Se recurrió al Instituto Nacional de Infraestructura Educativa y de Salud (INFES) encargado de la infraestructura educativa entre los años 1993 y 2003, y se visitaron algunos locales. El INFES, actualmente adscrito al Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento, cuenta con los planos de los edificios que construyó o de aquellos que reparó luego de los terremotos de 1996 y 2001.
Los tipos de edificios identificados como más representativos a nivel nacional en base a la información proporcionada por INFES son los 5 siguientes:
En 1997 la norma peruana de diseño sismorresistente sufrió una actualización importante que trajo como consecuencia un cambio notorio en el sistema estructural de las edificaciones educativas. El aumento en los requerimientos de rigidez de esta norma ocasionó que en los nuevos edificios se incrementaran las dimensiones de las columnas y
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vigas. A partir de 1997 el gobierno empezó a construir edificios educativos significativamente más robustos a los que denominaremos edificio 780 actual.
El edificio 780 actual es un edificio de concreto armado y albañilería que tiene una planta rectangular, con uno a tres niveles y 2 a 5 aulas por piso (figura 2.2). Las aulas son cuadradas de 7.80m de lado aproximadamente. Este edificio también se utiliza para oficinas, bibliotecas y laboratorios con tabiques divisorios.
Las ventanas y puertas se ubican en las fachadas longitudinales, la comunicación se da por un corredor longitudinal y el acceso al segundo y tercer nivel es por una caja de escaleras separada estructuralmente del edificio. Los alfeizares de las ventanas son tabiques separados de las columnas mediante juntas de aproximadamente 1”.
El techo del edificio 780 actual en la costa es horizontal (figura 2.2) y en zonas lluviosas inclinado a dos aguas (figura 2.3). En la mayoría de los casos los techos son losas aligeradas.
Figura 2.2 Edificio 780 actual de 3 aulas por piso en la costa peruana
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transversal (Y-Y) el sistema sismorresistente está constituido fundamentalmente por muros de albañilería confinada.
Figura 2.5 Detalle del refuerzo de las vigas (Edificio 780 actual)
Figura 2.6 Detalle del refuerzo de las columnas (Edificio 780 actual)
Los edificios educativos hechos con la norma sismorresistente peruana de 1997 no reportaron daños después del terremoto de Arequipa (2001).
Este tipo corresponde a los edificios educativos de concreto armado construidos en las décadas de 1980 y 1990 antes del cambio de la norma de diseño sismorresistente en 1997. También se consideran aquellas edificaciones que aún hoy se construyen empleando proyectos típicos de décadas pasadas.
La arquitectura del edificio 780 pre NDSR-1997 (figura 2.7 y 2.8) es similar a la del edificio 780 actual. Este edificio tiene una planta rectangular de 2 a 5 aulas adyacentes por nivel y
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difiere del edificio 780 actual en que solo tiene 1 o 2 niveles, y fundamentalmente en que tiene columnas y vigas de menores dimensiones.
Figura 2.7 Edificio 780 pre NDSR-1997 de 3 aulas por piso en la costa peruana
Figura 2.8 Edificio 780 pre NDSR-1997 de 3 aulas por piso en la sierra peruana
La figura 2.9 muestra un esquema con el sistema estructural del edificio. La losa de techo es una losa aligerada unidireccional de 0.20m de espesor, orientada en el sentido longitudinal de la edificación (X-X en la figura). Esta losa descansa en muros de albañilería confinada de 0.25m de ancho (ejes 1, 3, 5 y 7 de la figura 2.9) y en vigas peraltadas generalmente de 0.30mx0.70m (ejes 2, 4 y 6). Las vigas en el sentido longitudinal (ejes A y B) son de 0.25mx0.40m. Las columnas son de 0.30mx0.40m (C-1) y 0.25mx0.40m(C-2), con su mayor dimensión en el sentido transversal. La figura 2. muestra el detalle de refuerzo de las vigas y la figura 2.11 de las columnas.
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El sistema sismorresistente en el sentido longitudinal (X-X en la figura 2.9), consiste en 2 pórticos de concreto armado (ejes A y B) con columnas y vigas de poco peralte. En la dirección transversal (Y-Y) el sistema sismorresistente está constituido fundamentalmente por muros de albañilería confinada.
Los edificios de este tipo han sufrido daño en sismos pasados debido al problema de columna corta (figura 2.12). Este problema se ocasiona por la excesiva flexibilidad en el sentido longitudinal y el mal aislamiento de los alfeizares de albañilería.
Figura 2.12 Falla por columna corta en edificios escolares tipo 780 pre NDSR-
Las Grandes Unidades Escolares son unas de las edificaciones educativas más antiguas en el Perú, construidas hace aproximadamente 50 años. Se diferencian de los edificios 780 en que las Grandes Unidades fueron hechas para albergar gran cantidad de estudiantes y por lo tanto son mucho más grandes, con más del doble de área en planta.
Estos edificios están hechos de concreto armado y albañilería, tienen una planta rectangular generalmente de dos o tres niveles y 4 a 6 aulas por piso (figura 2.13 y 2.14). Las aulas son rectangulares y presentan grandes dimensiones, generalmente 10.00m de largo por 6.70m de ancho.
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Figura 2.13 Edificio Gran Unidad Escolar
Figura 2.14 Edificio Gran Unidad Escolar
Figura 2.15 Planta del sistema estructural del Edificio Gran Unidad Escolar
La figura 2.15 muestra un esquema con el sistema estructural del edificio. La losa de techo es una losa aligerada unidireccional de 0.20m de espesor, orientada en el sentido
