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Sistemas de arriostramiento y mejora de la resistencia sísmica.

El acero en la rehabilitación II

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E l uso de arriostramientos de acero es muy eficaz para reforzar las construcciones ante sismos, tanto en el caso de estructu-ras de fábrica de mampostería como de concreto armado. Esta técnica de reforzamiento permite introducir muros de cortante

en celosía, con la doble función de aumentar considerablemente la resis-tencia de la estructura contra fuerzas horizontales y, al mismo tiempo, redistribuir la rigidez interna respetando el centro de esfuerzos cortan-tes. De esta manera se minimizan los fenómenos de torsión (imagen 1).

En edificaciones con estructuras de concreto armado, los nuevos perfiles de acero para reforzamiento están unidos al perímetro de los elementos de la estructura aporticada de concreto armado. Dentro de esta última, las diagonales forman la clásica estruc-

tura de “cruz de San Andrés” u otros tipos de arriostrados (por ejemplo, en K) si resultan más adecuados para el edificio. En caso de que las cruces de San Andrés se dispongan entre dos niveles, la presencia de una simple diagonal para cada panel rectangular facilita la instalación de puertas o ventanas (imagen 2). Los arrios-tramientos de acero en las estructuras aporticadas de concreto armado se han usado en todo el mundo para mejorar su compor-tamiento durante los sismos. (imagen 3).

Si se tienen estructuras de acero que necesiten mejoras para re-sistir la acción telúrica debida, por ejemplo, a la inclusión reciente del edificio en una nueva zona sísmica, tienen que mejorarse la resistencia y ductilidad en las uniones, en concreto, en las juntas.

Imagen 1

Arriostrado en cruz de San Andrés y chasis metálicos fijados a los marcos de HA.

Imagen 2

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Esta situación obligó a la evacuación preventiva de prácticamen-te la totalidad de habitantes del distrito. En todos los edificios con dos o tres alturas por encima del nivel de calle, las sólidas paredes originales de ladrillo y piedra estaban agrietadas, y el mortero había perdido totalmente su consistencia. La necesidad de un sistema fiable para reestructurar estos edificios hizo que se rechazaran los métodos tradicionales de refuerzo local de los componentes de construcción individuales. Por eso se prefirió una solución en la que la transferencia de las cargas a los cimien-tos se confiara a un nuevo sistema estructural.

El trabajo de remozamiento consistió en una estructura de ace-ro embebida en las paredes perimetrales e internas, integrada con estructuras horizontales de perfiles y láminas de acero. El nuevo esqueleto de acero, adecuadamente unido a los muros de arriostramiento, formó un sistema estructural independiente tanto para las cargas verticales como para las horizontales. El nuevo esqueleto para soportar los efectos de la acción sísmica es autónomo e independiente de los muros existentes, que quedan reducidos a simples muros de división y no requieren capacidad portante alguna.

En general, se pueden usar sistemas apropiados para el refuerzo de los dos tipos clásicos de unión (rígida y articulada) mediante la introducción de elementos rigidizadores. En el caso de las uniones rígidas, se mejora la resistencia a flexión. Respecto a las uniones articuladas, la integración de rigidizadores incrementa la resisten-cia a la flexión, que prácticamente no existe en la unión original. El aumento de la resistencia ante sacudimientos horizontales puede conseguirse fácilmente incrementando la sección transversal de los arriostrados diagonales en el caso de estructuras ya reforza-das, o introduciendo nuevos arriostrados en estructuras que so-portan desplazamientos.

El distrito Capodimonte en Ancona

Un ejemplo interesante es el renovado distrito de Capodimonte, en el centro histórico de Ancona, Italia, la zona más antigua de la ciudad, habitada por pescadores en el pasado. Los edificios de fábrica estaban en un avanzado estado de deterioro, causado por los graves daños que sufrieron durante el terremoto de 1972, su-mados a los que dejó el sismo de 1936 y los bombardeos durante la Segunda Guerra Mundial.

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Imagen 3

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En este caso, la rehabilitación se llevó a cabo en las siguientes fases:

Creación de aberturas en la parte inferior de las paredes para alojar los nuevos cimientos de concreto armado.

Colocación de los pernos y placas de anclaje. Después de crear canales verticales adecuados en los muros

perimetrales, montaje de las columnas en toda la altura y re-fuerzo temporal de éstas en las diferentes alturas.

Construcción de la estructura de cubierta con celosías y co-rreas, y acabado con las tejas existentes.

Desde la planta superior, demolición de las paredes internas y el entrepiso correspondiente, y reconstrucción del nuevo en-trepiso con vigas principales y secundarias, láminas colabo-rantes de acero y concreto vertido in situ.

Construcción de las paredes de concreto armado de huecos de escalera con escalones y descansos fundidos in situ.

Conexión final de la estructura de acero a las paredes existentes y escaleras de concreto armado, y fijación con concreto de sellado.

Terminado con divisiones, techos, revestimiento de pisos y acabados.

Las paredes exteriores, debidamente restauradas, conservan su función arquitectónica de cierre o protección, pero ya no tienen la condición de elementos portantes principales.

Sistemas de control pasivo

El control de la respuesta estructural ante los terremotos puede realizarse por medio de varios sistemas, como la modificación de masas, el amortiguamiento y la producción de fuerzas contrarias pasivas o activas. En el caso de los sistemas pasivos, que no nece-sitan una fuente de alimentación externa, las propiedades de la es-tructura (periodo y/o capacidad de amortiguamiento) no varían en función del movimiento del suelo causado por el evento telúrico.

Los dispositivos de absorción de energía funcionan como fuerza de choque contra los remezones sísmicos, es decir, como un filtro que reduce considerablemente el impacto del terremoto sobre la estructura protegida. El uso de técnicas de control pasivo en la rehabilitación de edificios de carácter monumental es relativamen-te nuevo. La sustitución de la cubierta de madera por una nueva de acero crea la situación apropiada para aplicar el concepto de control pasivo al edificio de fábrica, con el objeto de mejorar la resistencia del edificio.

Es un concepto ampliamente aceptado que, para garantizar una protección adecuada contra la acción del sismo en un edificio de fábrica, es necesario asegurarse de que una o más plantas pue-den funcionar como diafragmas rígidos. Solamente si se da esta

condición puede asegurarse la transmisión eficaz de las fuerzas horizontales a los muros.

En el caso de un edificio de fábrica de una sola altura (por ejemplo, la nave de una iglesia), las uniones rígidas entre la fábrica y las es-tructuras de la cubierta para garantizar el efecto diafragma pueden causar ciertos problemas a los muros de fábrica debido a las va-riaciones térmicas que dependen de las características geométri-cas y mecánicas del sistema estructural (relación luz/altura). Por el contrario, si no se realiza una conexión rígida, la estructura puede dilatarse libremente y, por tanto, no se añade tensión residual a la estructura de fábrica. Sin embargo, el efecto diafragma no se pro-duce en caso de un terremoto.

Los amortiguadores oleodinámicos (también llamados ‘unidades de transmisión de choque’) pueden resolver estos problemas con-tradictorios, porque muestran los dos comportamientos cuando es necesario. Bajo acciones térmicas cuya velocidad de aplicación es muy lenta, los amortiguadores oleodinámicos actúan como rodamientos deslizantes: el sistema estructural de la cubierta es isostático y no surgen tensiones residuales como consecuencia de variaciones térmicas.

Sin embargo, durante un terremoto los dispositivos se comportan como apoyos fijos debido a la alta velocidad de aplicación de las cargas. En estas condiciones, el sistema estructural es redundante (hiperestático), con una importante mejora en el comportamiento sísmico global. Los dispositivos tienen un umbral plástico: cuando éste se traspasa, hay una gran liberación de energía capaz de redu-cir los efectos de la acción sísmica sobre la estructura de fábrica.

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Imagen 4

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Conformación de cubiertas de acero sismorresistentes

El proyecto de restauración de la iglesia de San Giovanni Battista en Carife, cerca de Avelino, Italia, fue el primer ejemplo de aplicación de amortiguadores oleodinámicos en los monumentos. En 1990 se construyó una nueva cubierta de acero que consistía en un entrama-do plano y vigas en celosía triangulares para que la estructura de fábrica se comportara como una caja bajo cargas sísmicas.

Al mismo tiempo, se ubicaron apoyos oleodinámicos en una par-te del entramado, para conseguir un apoyo fijo o libre en la base de las vigas según la condición de carga. Dichos dispositivos se calibraron para que actuaran como apoyos fijos bajo la acción sísmica de cálculo de acuerdo con las normas italianas; así, tie-ne lugar un comportamiento disipador en caso de un terremoto más intenso. Los resultados de las pruebas sobre los dispositi-vos confirmaron las hipótesis del cálculo.

El mismo concepto usado en la iglesia mencionada se aplicó más tarde (1996) en la restauración estructural del edificio de mate-máticas para crear la nueva Biblioteca de la Universidad “Fede-rico II” en Nápoles, Italia. Este trabajo se hizo como parte de un amplio proyecto de restauración de todos los monumentos de más de un siglo, pertenecientes a la parte original de la vieja uni-versidad central de la ciudad. El entrepiso superior (que abarcaba un área de 16x32 m) se reconstruyó durante los años 50 mediante vigas de concreto armado (16 m de luz), con mezcla de bloques de arcilla y elementos de concreto armado fundido in situ.

Esta estructura estaba en muy malas condiciones debido a la co-rrosión de los elementos de acero y a la degradación superficial del concreto. Se decidió demolerla y construir una nueva estructura de acero usando vigas alveolares y lámina colaborante. Se utilizó un sistema de 24 cilindros oleodinámicos y apoyos de neopreno para las nuevas vigas de acero en la parte superior de los muros perimetrales de ladrillo, con el comportamiento deseado tanto en condiciones de uso como en caso de terremoto.

En el caso de un edificio de Sarno, en Salerno, Italia, el trabajo de mejora del comportamiento sísmico se realizó en un edificio industrial de fábrica de una planta. Debido al amplio espacio de este inmueble y a la ausencia de muros intermedios, el uso de un diafragma reticulado de acero parecía la elección más apropiada por su ligereza y rigidez en el plano (imagen 4). También se in-trodujeron dispositivos adecuados de disipación de energía, que se colocaron en los apoyos de las vigas de cubierta para aportar una gran cantidad de disipación de energía.

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Imagen 5

Imagen 6

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Con este propósito, se usaron tanto dispositivos oleodinámicos como de umbral plástico (imagen 5), para que el edificio fuera ca-paz de responder adecuadamente durante los cambios térmicos diarios y estacionales de la cubierta, y durante los terremotos de diferente intensidad. Un estudio total de la respuesta sísmica de la estructura, realizado mediante un análisis dinámico en régimen transitorio, demostró la eficacia de la solución adoptada.

Mejora sísmica mediante fundida

Un ejemplo para el análisis de esta práctica es el Tribunal de Jus-ticia en Ancona, Italia, edificio que fue completamente vaciado y reestructurado para que funcionaran las nuevas oficinas del tribu-nal. Se conservó la decoración de las ventanas y cornisas, y todos los ornamentos en las fachadas de fábrica que caracterizaban su estilo neorrenacentista (imagen 6).

La estructura portante principal consiste en cuatro torres de concreto armado, de 9x9 m, situadas en las esquinas del pa-tio interior cubierto, con escaleras, ascensores y servicios en las plantas. Estas torres proporcionan el apoyo vertical a la cubierta y a las cinco plantas suspendidas de ésta, así como la estabilidad horizontal para resistir los efectos de una acti-vidad sísmica. El sistema de suspensión de la cubierta consta de cuatro pares de vigas de celosía apoyadas en su cordón inferior sobre las cuatro torres, marcando así el perímetro del

Imagen 7

Imagen 8

AVISO

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patio cubierto. Cada pareja de vigas forma una viga principal cuadrada de 1,80 m de ancho y 4 m de alto, con diagonales en cruz (imagen 7).

Todos los miembros de las vigas (cordones, montantes y diagona-les) están conectados por medio de cartelas atornilladas. El anillo interior formado por cuatro pares de vigas, con una luz de 21,40 m, representa el componente clave del esqueleto de acero al que es-tán conectados los otros elementos de la estructura:

Las vigas que sujetan los lucernarios de la cúpula, que ilumi-nan el patio interior, descansan sobre los nudos superiores de las vigas de celosía que forman la envolvente de la caja interior.

Las vigas en voladizo que cubren la zona exterior al perímetro definido por las cuatro torres están conectadas a los nudos inferiores de las vigas de celosía.

Los tirantes de las cinco plantas suspendidas comienzan en grupos de cuatro desde los nudos de los cordones inferiores de las vigas de celosía interiores (imagen 8).

Las cinco plantas suspendidas desde las vigas de celosía de la cubierta están unidas a las cuatro zonas, que miden aproxi-madamente 9x20 m entre las cuatro torres. Tales plantas es-

tán apoyadas en vigas y viguetas estructurales de acero que soportan entrepisos mixtos. Las vigas interiores principales están suspendidas con tirantes desde el anillo de la viga prin-cipal cuadrada, mientras que en el exterior descansan sobre las estructuras de concreto armado que forman el área del perímetro entre las cuatro torres y las fachadas exteriores del edificio.

Estas vigas se unieron mediante soldadura con platinas apropia-damente insertadas en el concreto. Los demás componentes es-tructurales fueron unidos in situ utilizando uniones atornilladas. Los elementos individuales se fabricaron en tamaños adecuados para el transporte en el interior del centro histórico de la ciudad y el montaje dentro de un área muy urbanizada.

Adaptación del texto “El acero en la rehabilitación”, por ArcelorMittal.Fotos: ArcelorMittal. Fotógrafos: Marc Detiffe, asbl Atomium: Marie-Françoise Plissart, Luc Tourlous, Philippe Ruault, Menn Bodson, Joaquim Cortés, José Luis Municio, Ana Müll, Estudio Lamela, Francisco Pablos Laso.Consulte la primera parte de este artículo en la edición No. 9 de revista Construc-ción Metálica.