CAPTULO IV:

FALLAS Y REPARACIONES DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

4.1.-FALLAS Y REPARACIONES DE SISTEMAS ESTRUCTURALES.

4.1.1.- Introduccin.

La evolucin del comportamiento de edificaciones durante terremotos constituye una de las fuentes mas importantes en el desarrollo de la Ingeniera Sismo-resistente, ya que constituye a identificar en las estructuraras daadas ciertas caractersticas que resultaron inadecuadas y que por lo tanto deben ser evitadas en el futuro, as como las caractersticas de las edificaciones que resistieron bien el terremoto y que, en consecuencia es conveniente seguir utilizando.

4.1.2.-Fallas producidas en edificaciones producidas por fuerzas ssmicas

A.- Falla Estructural.

a) Falla por corte y por flexinBsicamente los muros sujetos a carga ssmica en su plano muestra dos tipos de fallas: Flexin y corte.Debe entenderse que la falla principal es aquella donde se acumulan las mayores grietas, originando una fuerte degradacin tanto de la resistencia como de la rigidez.

Esto es en la falla por flexin es posible que previamente se hayan formado pequeas fisuras diagonales por corte (controladas por el refuerzo horizontal). Pero las grietas principales se encuentran ubicadas en la parte inferior del muro, y la degradacin de la resistencia se produce generalmente por los siguientes efectos; al trituracin de los talones flexo comprimidos, el deslizamiento a travs de la base del muro, la rotura del refuerzo vertical por traccin, pandeo o cizalle.En una falla por corte es posible que primero se originen fisuras por flexin (incluso el refuerzo vertical puede entrar en fluencia) degradando la rigidez, pero no la capacidad de carga, luEgo se producen las grietas diagonales y a partir de ese instante, el muro se desplaza manteniendo su capacidad de carga(la curva cortante-deslizamiento se vuelve plana); posteriormente se trituran la regin central de la albailera (fig12),producindose finalmente una severa degradacin de resistencia.

b) tipos de construcciones.-

Tipo A: Con muros de mampostera en seco o con barro, de adobes, o de tapial. Tipo B: Con muros de fbrica de ladrillo, de bloques de mortero, de mampostera con mortero, de sillarejo, entramados de madera.

Tipo C: Con estructura metlica o de hormign armado.

B.-Clasificacin de los daos en construcciones.-

Clase 1- Daos ligeros: Fisuras en los revestimientos, cada de pequeos trozos de revestimiento. Clase 2- Daos moderados: Fisuras en los muros, cada de grandes trozos de revestimiento, cada de tejas, cada de pretiles, grietas en las chimeneas e incluso derrumbamientos parciales en las mismas. Clase 3- Daos graves: Grietas en los muros, cada de chimeneas de fbrica o de otros elementos exteriores. Clase 4- Destruccin: Brechas en los muros resistentes, derrumbamiento parcial, prdida de enlace entre distintas partes de la construccin, destruccin de tabiques y muros de cerramiento. Clase 5- Colapso: Ruina completa de la construccin.

4.2. REPARACIN DE EDIFICACIONES DE ALBAILERA

Reparacin y reforzamiento van siempre juntos y son requeridos por los daos ocurridos en la estructura a causa de los sismos; estos daos se manifiestan en los muros de albailera, en la forma de rajaduras diagonales cruzadas y/o aplastamiento de ladrillos en las esquinas inferiores del muro. Las remodelaciones suelen requerir solamente reforzamiento.

Por lo dicho anteriormente, para los casos de edificaciones antiguas es imprescindible definir primero, cuales de ellas deben ser consideradas estructuras de albailera reforzada. Las pautas para esta clasificacin son las siguientes:Se considera para efectos de clasificacin, como estructuras de albailera reforzada, los siguientes casos:

Edificios antiguos de albailera con techo de concreto armado. Los edificios estructurados en concreto armado que tienen muros de albailera, portantes de cargas verticales. Los edificios estructurados exclusivamente con una estructura aporticada de concreto armado; la cual no es capaz de soportar cargas horizontales originadas por sismos, necesitando para ste propsito usar muros de albailera como elementos portantes de las cargas horizontales. (De otra forma el prtico de concreto armado sufrira deformaciones y esfuerzos incompatibles con la resistencia del concreto armado) Los edificios diseados son estructuras de albailera reforzada, en cualquiera de sus formas: albailera confinada, albailera armada y albailera de tipos sandwich.

En los proyectos y obras de reparacin, debemos distinguir los siguientes casos:

Para estructuras de Albailera Reforzada con Diafragma. Reparacin y reforzamiento de estructuras daadas pro sismos Reforzamiento de estructuras de albailera reforzada, para proyectos de remodelacin y/o ampliacin; con el objeto de darles capacidad sismo resistente.

Estructuras de albailera Reforzada sin Diafragma. Reparacin y reforzamiento de estructuras daadas por sismos. Casos especiales de estructuras con techos abovedados.

4.2.1.-Objetivo de la reparacin.El objetivo de la reparacin es transformar la estructura en una estructura sana, que adems cumpla con las exigencias de los reglamentos de construccin vigentes y tenga aadida una capacidad sismo resistente, aquella que cumple los siguientes requisitos: Ser construida con material estructural resistente. Poseer ductibilidad. Tener buena configuracin estructural La reparacin en s, consiste en definir y disear una nueva estructura que tenga configuracin adecuada, o que incluya nuevos muros de refuerzo. La construccin de estos muros nuevos y la reparacin de los existentes, daados, que no requieren ser cambiados por concreto.

4.2.2.-Proceso de reparacin.

El proceso de reparacin implica los siguientes: Investigacin de planos y anlisis de la estructura resistente para llegar a un diagnstico de los daos. En caso de no contarse con planos, hay que efectuar un levantamiento arquitectnico y estructural del edificio. Propuesta de reparacin, que incluye la ubicacin de elementos de concreto armado que refuercen la estructura, le proporcionen una buena configuracin estructural, y el mximo de ductilidad alcanzable en trminos prcticos.

Anlisis de la nueva estructura propuesta para definir su idoneidad y proceder al diseo. Construccin de refuerzos y ejecucin de la reparacin.

Reparacin de grietas

4.2.3.-Recomendaciones para Evitar las Fallas en Edificaciones.-

A.-Forma y tamao de la edificacin:

Elegir formas simples, simtricas y compactas en vez de las formas complejas, a simtricas y esbeltas. En planta, evitando las formas abiertas e irregulares. Como son las formas en L , T, U + y buscando en lo posible las formas cerradas y regulares como las cuadradas, rectangulares, triangulares, circulares, etc.

En una elevacin debe evitarse los retiros y crecimientos de ola planta con la altura de la edificacin.

Se debe evitar estructuras muy esbeltas en altura para limitar las fuerzas que se generan en los elementos verticales extremos, debido a los momentos de volteo.Esbelteces mximas recomendables: -Para edificios aporticados 1:3-Para edificaciones con muros de corte 1:5, se debe limitar la diferencia entre la dimensin de los lados de plantas rectangulares. La relacin mxima de lados recomendada es de 1:3

B.-Estructuracin:

Debe estructurarse definiendo caminos continuos, uniformes y directos para la transferencia de fuerzas verticales y horizontales a la cimentacin. Son ejemplos de discontinuidad, la interrupcin de muros antes de llegar a la cimentacin, las aberturas grandes en muros o las aberturas en la elevacin del muro, las perforaciones de los diafragmas horizontales.

Los cambios bruscos de resistencia o de rigidez en los prticos, muros de corte o diafragmas horizontales, para eliminar la concentracin de esfuerzos en algunos elementos; ejemplos tpicos de cambios de rigidez los vemos en los pasos blandos que se producen en edificios cuando la rigidez de un nivel bajo es inferior a la de los superiores, cuando en un mismo nivel ocurren columnas de diferente altura, tal es el caso tpico de la columna corta.

La estructura debe contar con diafragmas horizontales rgidos y capaces de distribuir las fuerzas horizontales uniformemente a los elementos verticales.

La disposicin y caractersticas de los elementos sismo-resientes deben tender a lograr simetra de rigidez y coincidencia de centros de rigidez con el centroide, para minimizar los efectos torsionales.

Cuando no hay simetra se producen torsiones que llevan comportamientos que son difciles de predecir y a la magnificacin innecesaria de las fuerzas internas en algunos elementos.

C.-Masa:

Las fuerzas de inercia producidas por un sismo son proporcionales a la masa de la edificacin, debe buscarse por lo tanto, reducir al mnimo la masa. Debe tenderse tambin a su distribucin uniforme, en planta y elevacin, evitando concentraciones de masa, particularmente en los pisos superiores.

D.-Rigidez:

Los desplazamientos laterales, de traslacin y de rotacin, dependen de la suma de rigideces de los elementos resistentes y de la rigidez torsional de la planta que es funcin de la ubicacin de los elementos resistentes verticales. Dependen tambin de la magnitud de las fuerza laterales.

Los desplazamientos deben limitarse tanto por razones estructurales, por proteccin de los elementos no estructurales, as como por confort de los ocupantes. El incremento de rigidez en una edificacin se logra de una manera muy eficiente con la incorporacin de muros estructurales.

E.-Estructuracin de muros de corte:

a) Propsito y ventaja de la incorporacin de muros:

La incorporacin de muros estructurales en una edificacin tiene por propsito dar rigidez y fortalecer a la estructura. Las ventajas que se logran son mltiples:

Reducen las deflexiones relativas entre pisos y por lo tanto riesgo de dao en elementos no estructurales fijados a la estructura, ofreciendo proteccin casi total contra sismos de baja intensidad. Reducen el dao estructural en sismos menos frecuentes y de mayor intensidad; para lograr esto es necesario darles a los muros suficiente fortaleza para que permanezcan en el rango elstico. Mantienen suficiente rigidez para proteger de daos a los elementos no estructurales, an despus de sufrir extensas fisuras por flexin. Son susceptibles de comportamiento dctil y capaz de comportarse como elementos disipadores de energa ssmica, cuando incursiona en el rango inelstico en sismos muy fuertes.

b) Ubicacin de muros:

Debe tenderse a lograr simetra de rigidez en planta y a minimizar las excentricidades entre el centroide y de rigidez.

El lograr simetra no es suficiente, los muros deben disponerse de manera de lograr arreglos que tengan estabilidad torsional, con ello se minimiza los desplazamientos torsionales y se evita concentracin de esfuerzos en elementos que son ms dbiles (columnas). La mejor opcin para ello es disponer los muros en el permetro de la edificacin de forma tal que generen partes torsionales en cualquiera de sus ejes principales.

c) Proporciones:

Las proporciones del muro de elevacin definen en primera instancia el tipo de comportamiento que potencialmente tendr el muro.

Muros con relacin de esbeltez H/L > 2 , tienen grandes posibilidades de comportarse dctilmente. Muros con relaciones de esbeltez H/L < 1 , tendrn un comportamiento marcadamente frgil.

En los muros con relacin de esbeltez intermedia es posible mediante el diseo, orientar su comportamiento hacia una falla dctil por fluencia del refuerzo por flexin.

d) Formas de falla:

De la observacin del comportamiento de muros a cargas coplanares, en la realidad y ensayos de laboratorio, se establecen fallas dctiles o frgiles. Las primeras estn asociadas a la fluencia del acero por traccin o flexin y las segundas generalmente asociadas a fuerzas de corte y compresin.

4.3.-REPARACION Y REFORZAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES EXISTENTES.

4.3.1.-Algunos Conceptos:

A.-ReparacinCualquier operacin para restablecer el comportamiento estructural de un elemento o estructura con dao a su comportamiento.

B.-ReforzamientoCualquier operacin que incremente el comportamiento estructural de un elemento estructural a su comportamiento original.

C.-RestauracinConseguir que la edificacin sea utilizable.

Despus de un sismo muchas veces se requiere la reparacin de elementos estructurales existentes de concreto armado, con el fin de restablecer la resistencia perdida. Si se desea aumentar la resistencia ssmica de una edificacin daada o no daada por un sismo debe reforzrselos elementos estructurales existentes.

Es de gran importancia conseguir adherencia entre el concreto existente y el concreto nuevo, puede obtenerse cincelando la cubierta de concreto del miembro original y haciendo spera su superficie y utilizando pegamento epxico, barras adicionales soldadas, doweles, etc.Debido al cambio de rigidez de los miembros debe considerarse la redistribucin de las fuerzas internas entre los elementos estructurales resistente.

4.3.2.-Objetivos del Reforzamiento:

El Reforzamiento debe buscar obtener una estructura bien configurada, que cumpla con los requisitos R.N.C y que califique como estructura sismo-resistente.Es importante notar que para la reparacin sea vlida, la unin del diafragma antiguo con el nuevo de la ampliacin debe ser total. En el caso de que esto no sea posible, la estructura antigua y loa nueva deben separarse y tratarse como estructuras individuales separadas.

4.3.3.-Proceso de Reforzamiento:

Los proyectos de remodelacin para este tipo de estructuras caen en tres categoras. Ampliacin sin modificar la edificacin original. Ampliacin y remodelacin del edificio original. Solo remodelacin interna del edificio.

En todos los casos mencionados el procedimiento debe seguir el siguiente orden:

a. Investigacin de planos de la estructura existente, en su situacin actual, para definir su calidad sismo-resistente, para conocer sus caractersticas de configuracin y poder definir elementos de refuerzos o reestructuracin.b. Propuesta de modificacin de la estructura para acomodarse a la remodelacin, haciendo uso de placas de concreto armado para darle buena configuracin.c. Anlisis, afinamiento y diseo de la estructura modificada para la remodelacin. d. Definicin de los detalles de conexin de la estructura antigua con la nueva y con sus elementos de refuerzo.e. Construccin de los refuerzos y elementos estructurales de la remodelacin.

4.3.4.-Reforzamiento de Columnas:

El propsito de este reforzamiento es mejorar la resistencia ssmica de una edificacin aumentando la capacidad sismorresistente de sus columnas usando uno de los siguientes mtodos: Incrementando la ductilidad de las secciones de columnas evitando la falla frgil por fuerza cortante. Este mtodo puede aplicarse a edificaciones que tienen pocos muros de corte, y a columnas que tiene una resistencia ltima al corte menor que su resistencia ltima a la flexin. Compensacin de las rigideces de las columnas. Este mtodo puede aplicarse a edificaciones donde la distribucin de la fuerza cortante en el nivel de anlisis es significativamente desigual debido a la existencia de muros de relleno.

Aumentando la capacidad a la flexin de las columnas.

A.- Reforzamiento Incrementando la ductilidad de las columnas

Existen varios procedimientos de tipos de construccin: Aumentando la seccin de la columna aadiendo una malla de alambres soldados adyacentes a la columna existente. Aumentando la seccin de la columna existente aadiendo estribos soldados adyacentes a la columna existente. Encajar la columna existente con una seccin de rea rectangular o circular. Encajar la columna existente con correas de acero.

Para el uso de cualquier tipo de construccin indicado debe considerarse brechas de 3 cm. En la parte superior e inferior de la columna. En el caso de usarse mallas de alambres soldados, el tipo de unin en C es ms conveniente que la forma en L. La longitud de empalme medida entre la separacin mayor de alambres transversales de cada malla debe ser mayor que el espaciamiento de los alambres transversales ms de 10 cm., y mayor que 20 cm. Es conveniente que la separacin y el ancho de la correa de acero sean de 10 cm. El espesor de los perfiles y correas de acero no debe ser menor que 3.2 mm.

4.3.5.- Reparacin y Reforzamiento de Vigas:

Para la reparacin de vigas daadas con grietas ligeras se aplican inyecciones epxicas o lechadas de cemento. Cuando los daos son mayores se realizarn operaciones de remocin o reposicin. Primeramente debern apuntalar temporalmente las vigas daadas. El proceso de reparacin en vigas es similar al de columnas, debiendo prestar ms atencin en la compactacin del concreto nuevo, lo que es difcil de conseguir si el llenado no se realiza por la cara superior de la viga. La envoltura de concreto armado puede realizarse aadiendo concreto sobre una, tres o cuatro lados de la viga. Una cara rugosa del concreto existente combinado con anclajes de estribos soldados proporciona buena conexin de corte y de flexin entre la envoltura y la viga existente.

4.3.6.- Reparacin y Reforzamiento de Muros de Corte

Debido a su gran rigidez lateral y resistencia, los muros de corte proporcionan la parte ms significativa de la capacidad ssmica de la edificacin. Por consiguiente, un muro de corte daado o pobremente diseado debe ser reparado o reforzado para mejorar su resistencia.

A.- Reparaciones locales.

Si no hay deterioro ni concreto triturado la aplicacin de inyecciones epxicas es capaz de restituir aproximadamente la resistencia original; sin embargo el muro reparado no tendr la misma rigidez latera! original debido a que no todas las pequeas grietas pueden ser inyectadas de atxico. En el caso de grietas grandes, concreto triturado o refuerzo pandeado debe utilizarse la remocin o reposicin. Despues de remover el concreto suelto, picar y limpiar la superficie, debe colocarse refuerzo adicional o mallas de alambre soldado. Es recomendable usar un mortero o concreto sin contraccin expansiva.

4.3.7.- Tipo de Construccin para Reforzamiento de Muros de Concreto Armado

A.- Incrementar la resistencia al Corte.-

Esto se obtiene incrementando el espesor del muro. La aplicacin de baifas epxicas con ganchos de 900 es una solucin apropiada que contribuye a tener un sistema monoltico.

B.- Incrementar la Resistencia a la Flexin.

Esto puede obtenerse con elementos de confinamiento en los extremos del muro. El anclaje de los elementos de confinamiento puede realizarse soldando barras conectoras inclinadas entre el nuevo refuerzo y el existente.

C.- Incrementar la Resistencia al Corte y la Flexin.

Esto se obtiene incrementando el espesor del muro por un costado o los dos costados y aadiendo en elementos de confinamientos ambos extremos.

FALLAS Y REPARACIONES DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

Asentamientos diferenciales del terreno producidos por un sismo, pueden inhabilitar un establecimiento de salud para prestar los servicios

La licuefaccin del suelo puede llegar a comprometer la estabilidad de una estructura

Interaccin suelo estructura

Tipo de cimentacin utilizado en edificios

Fuerzas internas de los elementos

daos producidos por esfuerzo cortante en columnas del primer piso

Mecanismo de dao en estructuras

Dao en nudos o columnas puede provocar el colapso parcial o total de la estructura

Respuesta de diferentes elementos y contenido de una edificacin frente a un sismo

Diferentes sistemas estructurales

Irregularidad en planta

Edificacin irregular

Cuando existe excentricidad, los daos se presentan en los elementos de los extremos

Ejemplos de estructuras con irregularidad en altura

Formas irregulares en altura

Discontinuidad de elementos y flujo de fuerzas

.piso suave producto de la discontinuidad de muros en el primer piso

Interaccin entre elementos estructurales y no estructurales

Daos producidos por la interaccin de elementos estructurales y no estructurales