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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE DEPARTAMENTO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO
INGENIERÍA CIVIL
Análisis patológico y propuesta de recuperación del antiguo edificio del Instituto Nacional de Oriente (INDO) de la ciudad de Granada, Nicaragua
Investigación Monográfica para obtener el Título de Ingeniero Civil
Presentado por:
Br. Yahoska Julietteh Jirón Martínez
Tutor:
Ing. Jimmy Vanegas Salmerón
Managua, Nicaragua
Diciembre, 2013
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DEDICATORIA
Este trabajo se lo dedico a mi Madre y a mi Tía Chilo, sin el esfuerzo y apoyo de ambas no sería quien soy hasta hoy, espero que siempre estén orgullosas de mí.
A mi hermana Perla, por su optimismo y por estar siempre pendiente de mí, por apoyarme siempre en mis estudios y quererme tanto tal y como soy.
A todos mis amigos, especialmente a Kevin, María Josefa y Bismarck, sin su apoyo, sin su ayuda no hubiera llegado al final, gracias por sus palabras de ánimos, y por hacerme ver que mi esfuerzo algún día daría frutos.
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AGRADECIMIENTO
Le agradezco primeramente a Dios, por darme la oportunidad de haber logrado esta meta en mi vida, por sus bendiciones que me da y me sigue dando cada día, que me llenan de fortaleza y espíritu de superación.
Al Ing. Otoniel Baltodano y al Ing. Jimmy Vanegas, por haber ayudado en la búsqueda de soluciones en la Investigación, y por facilitar la adquisición de equipos para las pruebas a desarrollarse y en general por su gran trabajo como coordinadores y docentes de la carrera de Ingeniería Civil.
Al Ing. Tomas Morocho, por ser un gran facilitador de conocimientos para que este trabajo se pudiera llevar a cabo.
A todos mis profesores que durante estos cincos años fueron facilitadores de sus conocimientos y especialmente a todos mis compañeros de clases, por haber sido uno de los grupos más unidos y por apoyarnos siempre para que todos lleguemos al final.
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CONTENIDO
DEDICATORIA .................................................................................................... i
AGRADECIMIENTO ............................................................................................ ii
LISTADO DE FIGURAS ..................................................................................... vi
LISTADO DE TABLAS ....................................................................................... x
RESUMEN ........................................................................................................ xii
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 1
1.1 ANTECEDENTES .................................................................................... 1
1.2 JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 3
1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES ................................................................ 3
2. OBJETIVOS .................................................................................................. 4
2.1 OBJETIVOS GENERALES ...................................................................... 4
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 4
3. DESCRIPCIÓN DEL SITIO DE UBICACIÓN ................................................ 5
3.1 GENERALIDADES DE LA CIUDAD DE GRANADA ................................ 5
3.1.1 Aspectos geológicos .......................................................................... 5
3.1.2 Estratigrafía ........................................................................................ 6
3.1.3 Fallamiento local ................................................................................ 7
3.1.4 Características de los vientos ............................................................ 8
3.2 HISTORIA DE CONSTRUCCIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ANTIGUO EDIFICIO INDO .............................................................................................. 9
3.2.1 Características Constructivas del INDO ........................................... 11
4. REVISIÓN DE LITERATURA ....................................................................... 12
4.1 GENERALIDADES ................................................................................ 12
4.1.1 Conceptos de Recuperación de Estructuras .................................... 12
4.2 MECANISMOS DE DAÑOS EN LAS ESTRUCTURAS .......................... 13
4.3 PATOLOGÍAS TÍPICAS EN LAS ESTRUCURAS DE CONCRETO REFORZADO ............................................................................................... 17
4.3.1 Envejecimiento ................................................................................ 17
iv
4.3.2 Eflorescencia .................................................................................... 18
4.3.3 Fisuras y Grietas ............................................................................. 19
4.3.4 Acciones biológicas .......................................................................... 20
4.3.5 Corrosión del Acero .......................................................................... 22
4.3.6 Descascaramientos .......................................................................... 24
4.3.7 Alabeo .............................................................................................. 24
4.4 EVALUACIÓN Y DIAGNOSTICO DEL ESTADO ESTRUCTURAL ...... 25
4.4.1 Investigación documental ................................................................. 25
4.4.2 Inspección ........................................................................................ 26
4.4.3 Ensayos y Pruebas no Destructivas ................................................ 26
4.4.4 Diagnostico ...................................................................................... 31
4.5 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE INTERVENCIÓN ....................... 33
4.5.1 Tipos de intervención ....................................................................... 33
4.5.2 Factores condicionantes para la selección de una alternativa de intervención ............................................................................................... 34
4.6 ANÁLISIS DE REPUESTA ESTRUCTURAL ......................................... 38
4.6.1 Análisis de respuesta dinámica por sismo ....................................... 38
4.6.2 Análisis por cargas de viento ........................................................... 42
5. ESQUEMA DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS ..................... 50
6. CÁLCULO DE PARÁMETROS PARA LA REVISIÓN POR SISMO Y VIENTO ......................................................................................................................... 52
6.1 CÁLCULO DE ESPECTRO DE RESPUESTA SÍSMICA ....................... 52
6.2 CALCULO DE CARGAS DE SERVICIOS .............................................. 55
6.3 CÁLCULO DE PRESIONES DE VIENTO .............................................. 58
7. EJECUCION Y ANALISIS DE METODOS NO DESTRUCTIVOS ................ 62
7.1 INSPECCION VISUAL ........................................................................... 62
7.2 MEDICION DE FISURAS Y GRIETAS ................................................... 64
7.3 ANÁLISIS DE CARBONATACIÓN......................................................... 68
7.4 EVALUACIÓN DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN POR PRUEBA DE MARTILLO SUIZO .................................................................................. 70
8. RESPUESTA DINAMICA DE LA ESTRUCTURA ....................................... 77
9. PROPUESTA DE INTERVENCION ............................................................ 82
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9.1 CONSIDERACIONES GENERALES ...................................................... 82
9.2 CHEQUEO Y DISEÑO DE COLUMNAS ................................................ 86
9.2.1 Propuesta de secciones y área de acero de encamisado ................ 86
9.2.1 Chequeo de acero por diagramas de iteración ................................ 90
9.3 PROPUESTA DE REFORZAMIENTO DE VIGAS ................................. 96
9.4. PROPUESTA DE REFORZAMIENTO DE LOSAS .............................. 101
9.5. REVISIÓN DE PARÁMETROS DINÁMICOS ...................................... 102
10. CONCLUSIONES .................................................................................... 104
11. RECOMENDACIONES ............................................................................ 105
12. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 106
ANEXOS ........................................................................................................ 108
ANEXO I. LEVANTAMIENTO FOTOGRAFICO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DEL INDO ................................................................... 108
ANEXO II. PLANTAS ARQUITECTONICAS ............................................... 110
ANEXO III. SEÑALIZACION DE COLUMNAS A REFORZAR EN PLANTAS ARQUITECTONICAS ................................................................................. 111
ANEXO IV. DETALLES DE SECCIONES DE COLUMNAS PROPUESTAS .................................................................................................................... 112
ANEXO V. DETALLES DE SECCIONES DE VIGAS PROPUESTAS Y LOSA .................................................................................................................... 113
ANEXO VI. FICHAS TECNICAS DE PRODUCTOS SIKA A UTILIZAR ..... 114
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LISTADO DE FIGURAS
Figura 3.1 Mapa Urbano de la ciudad de Granada (Obando & Suarez, 2010)
Figura 3.2 Secuencia Estratigráfica de la ciudad de Granada (Dames, Moore, & Lamsa, 1978)
Figura 3.3 Sistema de fallas y lineamientos de la ciudad de Granada(Dames, Moore, & Lamsa, 1978)
Figura 3.4 Elevación de marcos de concreto armado
Figura 4.1 Patología del Hormigón, secuencias (Morocho, 2011)
Figura 4.2 Daño Estructural por Sobrecarga
Figura 4.3 Hormigón Expuesto a ataques químicos
Figura 4.4 Depósitos de sales (eflorescencia)
Figura 4.5 Edificación expuesta a temperaturas variables
Figura 4.6 Cimentaciones saturadas de agua
Figura 4.7 Factores de envejecimiento del Hormigón (Morocho, 2011)
Figura 4.8 Ingreso de agentes agresivos por alta porosidad
Figura 4.9 Ingreso de Sulfatos y presencia de corrosión
Figura 4.10 Presencia de eflorescencia en vigas de concreto de un puente (Morocho, 2011)
Figura 4.11 Varias características de fisuras en Hormigón
Figura 4.12 Grietas asociadas a esfuerzos que actúan por aplicación de cargas directas
Figura 4.13 Ataque de la vegetación sobre esta estructura de Hormigón (Morocho, 2011)
Figura 4.14 Manifestaciones patológicas diferentes de hongos en el Hormigón
Figura 4.15 Mecanismos de oxidación
Figura 4.16 Hormigón carbonatado y presencia de oxido
Figura 4.17 Descascaramiento en losa de techo
Figura 4.18 Alabeos en ambos sentidos
Figura 4.19 Equipo utilizado para evaluar la resistencia de compresión del concreto por medio de la Pistola Windsor
Figura 4.20 Ensayo con fenolftaleína para evaluar carbonatación en el concreto (Vida ud, 2013 )
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Figura 4.21 Arreglos típicos de transductores para el ensayo de velocidad de transmisión de ultrasonido
Figura 4.22 Pacómetro o scanner de hormigón
Figura 4.23 Esclerómetro digital
Figura 4.24 Ensayo por líquidos penetrantes
Figura 4.25 (a) Mapa de isoaceleraciones y (b) Mapa de zonificación sísmica de Nicaragua (MTI, 2007)
Figura 4.26 Espectro de diseño para Nicaragua (MTI, 2007)
Figura 4.27 Clasificación de zonas de riesgo eólico en Nicaragua (MTI, 2007)
Figura 4.28 Mapa de isotacas, en m/s, para un periodo de retorno de 200 años (MTI, 2007)
Figura 4.29 Rugosidad del terreno (MTI, 2007)
Figura 4.30 Formas topográficas locales (MTI, 2007)
Figura 6.1 Espectro de respuesta sísmica para la ciudad de Granada, suelo tipo III
Figura 6.2 Espectro de respuesta sísmica para el INDO, reducido por ductilidad y sobre resistencia
Figura 6.3 Vista en elevación de una de las fachadas del INDO, donde se aprecia características de edificaciones cerradas poco sensibles a las ráfagas de viento
Figura 6.4 Características del terreno en los alrededores del INDO
Figura 7.1 (a) Formación de hongos en vigas de entrepiso y (b) desprendimiento de recubrimiento en losas debido a humedad en el concreto
Figura 7.2 Acero de refuerzo principal corroído en vigas de entrepiso
Figura 7.3 Fisura en columna de concreto en el área de pasillo del primer nivel
Figura 7.4 Losas de techos sin impermeabilizante (a) losa del tercer nivel, (b) losa del segundo nivel
Figura 7.5 Reacción con solución de fenolftaleína en viga perimetral del primer entrepiso
Figura 7.6 Reacción con solución de fenolftaleína en (a) losa del primer nivel (b) losa de segundo nivel y (c) losa del tercer nivel
Figura 7.7 Ensayo de carbonatación en una columna: (a) Medición de la profundidad del refuerzo (b) resultado de la reacción con fenolftaleína
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Figura 8.1 Modelo numérico del INDO en ETABS
Figura 8.2 Cheque de secciones de concreto, eje L
Figura 8.3 Revisión de columna critica del primer nivel sobre eje L
Figura 8.4 Máximos desplazamientos por nivel debido a sismo en la dirección X-X
Figura 8.5 Máximos desplazamientos por nivel debido a sismo en la dirección Y-Y
Figura 9.1 Espectro de respuesta sísmica para la ciudad de Granada, estructura grupo B, suelo tipo III
Figura 9.2 Chequeo de Columnas del eje J
Figura 9.3 Chequeo de Columnas del eje K
Figura 9.4 Chequeo de Columnas del eje 27
Figura 9.5 Chequeo de Columnas del eje L
Figura 9.6 Eje K, columna crítica K-9
Figura 9.7 Combinación crítica para columna K-9
Figura 9.8 Esfuerzos internos para combinación crítica por sismo, columna K-9
Figura 9.9 Diagrama de interacción con una relación d/h = 0.90, concreto de diseño de 4000 psi y acero grado 60
Figura 9.10 Eje J, columna J-1
Figura 9.11 Columna J-1, análisis de combinación crítica según ACI 318-08
Figura 9.12 Esfuerzos internos para combinación crítica por sismo, columna J-1
Figura 9.13 Acero requerido para vigas según ETABS para viga crítica del eje J
Figura 9.14 Acero requerido para vigas según ETABS para viga crítica del (a) segundo nivel en el área de aulas, (b) segundo nivel en el área de azotea y (c) tercer nivel
Figura 9.15 Detalle de losa de entrepiso
Figura 9.16 Factores de Masa efectiva
Figura 9.17 Máximos desplazamientos, en centímetros, por nivel (a) dirección del eje X y (b) dirección del eje Y
Figura I.I Losa de Terraza de concreto armado (a), azotea del tercer nivel y (b) azotea del segundo nivel
Figura I.II Pared confinada de Mampostería de ladrillo cuarterón
Figura I.III Estructura de ventanas: (a) abatibles de madera y (b) de vidrio con perfiles de aluminio
Figura I.IV Ladrillos de baldosas
Figura I.V Detalles de puertas
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Figura VI.I Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
Figura VI.II Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
Figura VI.III Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
Figura VI.IV Especificaciones de Producto SIKAGROUT 202
Figura VI.V Especificaciones de Producto SIKAGROUT 202
Figura VI.VI Especificaciones de Producto SIKAGROUT 202
Figura VI.VII Especificaciones de Producto SARNAFIL F610-12
Figura VI.VIII Especificaciones de Producto SARNAFIL F610-12
Figura VI.IX Especificaciones de Producto SIKADUR -31 HI-MOD GEL Figura VI.X Especificaciones de Producto SIKADUR -31 HI-MOD GEL Figura VI.XI Especificaciones de Producto SIKADUR -31 HI-MOD GEL Figura VI.XII Especificaciones de Producto SIKA FERROGARD-903 Figura VI.XIII Especificaciones de Producto SIKA FERROGARD-903 Figura VI.VX Especificaciones de Producto SIKA FERROGARD-903 Figura VI.XV Especificaciones de Producto SIKA FERROGARD-903
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LISTADO DE TABLAS
Tabla 3.1 Áreas por nivel del edificio INDO (CORASCO, 2006) Tabla 3.2 Descripción de los ambientes arquitectónicas del edificio INDO
(CORASCO, 2006) Tabla 3.3 Descripción de los espacios abiertos del edificio INDO
(CORASCO, 2006) Tabla 4.1 Clasificación de la agresividad de la humedad al Hormigón.
(Morocho, 2011) Tabla 4.2 Efecto de durabilidad del Hormigón y el refuerzo por efecto de
humedad (Morocho, 2011) Tabla 4.3 Factores de amplificación por tipo de suelo (MTI, 2007) Tabla 4.4 Velocidades regionales según la importancia de la estructura y la
zona eólica (MTI, 2007) Tabla 4.5 Factores por rugosidad del terreno (MTI, 2007) Tabla 4.6 Determinación de factor de corrección en dependencia de la
rugosidad del terreno y la topografía (MTI, 2007) Tabla 4.7 Factores de presión en dependencia de la superficie (MTI, 2007) Tabla 6.1 Carga Viva del Primer nivel Tabla 6.2 Carga Muerta del Primer nivel Tabla 6.3 Carga Viva del Segundo Nivel, Área de aulas Tabla 6.4 Carga Muerta del Segundo Nivel, Área de aulas Tabla 6.5 Carga Viva de la Azotea del Segundo Nivel Tabla 6.6 Carga Muerta de la Azotea del Segundo Nivel Tabla 6.7 Carga Viva de la Azotea del Tercer Nivel Tabla 6.8 Carga Muerta de la Azotea del Tercer Nivel Tabla 7.1 Clasificación de grietas y fisuras según su ancho Tabla 7.2 Clasificación de grietas y fisuras según su ancho (continuación) Tabla 7.3 Clasificación de grietas y fisuras según su ancho (Continuación)
Tabla 7.4 Resistencia a la compresión obtenida con el esclerómetro para las columnas principales
Tabla 7.5 Resistencia a la compresión obtenida con el esclerómetro para las columnas principales (continuación)
Tabla 7.6 Resistencia a la compresión promedio en vigas calculadas con esclerómetro
Tabla 7.7 Resistencia a la compresión promedio en vigas calculadas con esclerómetro (continuación)
Tabla 7.8 Resistencia a la compresión promedio calculado en losas según ensayo con esclerómetro
Tabla 7.9 Resumen de ensayos no destructivos con el esclerómetro
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Tabla 9.1 Carga viva del primer nivel Tabla. 9.2 Carga muerta del primer nivel Tabla 9.3 Carga viva del Segundo nivel Tabla 9.4 Carga Muerta del Segundo Nivel Tabla 9.5 Carga Viva de la Azotea del segundo nivel Tabla 9.6 Carga Muerta de la Azotea del segundo nivel Tabla 9.7 Carga Viva de la Azotea del Tercer nivel Tabla 9.8 Carga Muerta de la Azotea del Tercer nivel Tabla 9.9 Cálculo de encamisado y reforzamiento de columnas Tabla 9.10 Cálculo de acero mínimo de refuerzo para vigas críticas Tabla 9.11 Cálculo de acero requerido y propuesta de reforzamiento de vigas
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RESUMEN
En esta investigación se realizó un análisis patológico del estado estructural del antiguo edificio INDO de la ciudad de Granada. Al ser una estructura antigua se hace uso de métodos no destructivos para evaluar las propiedades mecánicas de sus elementos resistentes además de una auscultación visual de los daños expuestos, esto con el fin de evaluar el estado de severidad de los daños presentes y analizar la capacidad de resistencia de la estructura ante la acción de fuerzas sísmicas, además de los efectos posibles del viento y las cargas de servicio.
Los resultados de los ensayos y la inspección muestran que la estructura necesita ser intervenida con el fin de que pueda prestar servicio bajo los requerimientos de los códigos de construcción vigentes (RNC-07 y ACI-318-08). Finalmente, se proponen técnicas de intervención con el fin de reforzar sus elementos estructurales principales y detener el proceso de degradación de los mismos para que puedan resistir las solicitaciones de cargas según el destino propuesto para las instalaciones del edificio.
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1. INTRODUCCIÓN
El antiguo edificio INDO se encuentra localizado en la ciudad de Granada, Nicaragua y fue construido entre 1918 y 1919 por los Jesuitas. En sus inicios sirvió como internado del antiguo Colegio Centroamérica y a partir del año 1975 fue utilizado como instalaciones del Instituto Nacional de Oriente (INDO).
En el año 2006 se reportó la existencia de una serie de grietas y fisuras en las paredes y techo de la estructura lo que llevó al director en funciones a tomar la decisión de clausurar la terraza, el tercer piso y un aula del segundo nivel. A raíz de este reporte se realizó un estudio con el objetivo de elaborar una propuesta de recuperación de la estructura, ya que su conservación implicaba perseverar la estructura de uno de los centros de estudio de educación media más antiguos y prestigiosos del país. No obstante, la propuesta elaborada no fue aceptada por el Ministerio de Educación (MINED), por lo que el INDO fue trasladado en el año 2008 a una nueva sede, quedando el antiguo edificio en el abandono hasta la actualidad.
Tomando en cuenta la importancia histórica del antiguo edificio INDO, el presente estudio se enfocará en realizar una evaluación que permita identificar las patologías que han dañado la estructura y un análisis minucioso de las mismas permitirá evaluar posibles alternativas que permitan recuperar la capacidad de servicio de la estructura en general. Dado que las instalaciones del edificio INDO en la actualidad se han trasladado a una nueva estructura, se realizara una propuesta de intervención al antiguo edificio que permita prestar servicio para instalaciones de oficinas. De esta manera se podrá preservar una obra civil de valor histórico y cultural para el pueblo de Granada y que será de gran utilidad para diferentes instituciones (alcaldía, ministerio de educación, entre otros).
1.1 ANTECEDENTES
A lo largo de su historia el antiguo edificio INDO ha despertado el interés de diversas instituciones para rehabilitar las instalaciones de manera que pueda continuar prestando servicio como un centro educativo. Sin embargo, ningún estudio se llegó a concretar en la realización de alguna obra de reparación, mantenimiento o demolición. En febrero del 2006 surgió una iniciativa por parte del coordinador de la Unidad Territorial de Inversión Pública (UTIP), Benjamín Lugo, junto a miembros del Consejo de Desarrollo Departamental de Granada, la Oficina del Centro Histórico de la Alcaldía municipal y la Fundación Casa de los Tres Mundos de realizar un estudio que permitiría recuperar la estructura del edificio con ayuda de la empresa COREA Y ASOCIADOS S.A. (CORASCO), el Arquitecto Francisco López Alonso y los Ingenieros Emilio A. Corea y Roberto Carlos Jirón. El proyecto consistía en hacer el análisis estructural del edificio INDO, para verificar su estado estructural. Se realizó una revisión objetiva de los puntos que ellos consideraron los más críticos junto con
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un levantamiento total del edificio y estudios de suelo, encontrando problemas como (CORASCO, 2006):
- Uso de refuerzo de varillas lisas
- Concreto carbonatado
- Pérdida de recubrimiento en losas de entrepiso
- Filtración del agua pluvial de la terraza hacia las losas inferiores causando agrietamientos.
En resumen se concluyó que el edificio fue construido entre 1918 y 1919, por lo tanto fue diseñado con especificaciones que no cumplen con las exigencias actuales. No obstante, de los resultados obtenidos del ensayo, se determinó que la estructura es recuperable por lo que presentaron las siguientes posibles soluciones (CORASCO, 2006):
- Demoler la pared de la azotea del área de marco de tres pisos, al igual que los tanques cisternas de ambas azoteas ya que no están cumpliendo ninguna función.
- Eliminar el ladrillo de barro de las azoteas, con el fin de restarle peso muerto al edificio, impermeabilizando la losa.
- Reparar todos los puntos de vigas, columnas, losas y paredes explotadas o descascarado, eliminando las varillas de refuerzo corroídas colocando varillas nuevas soldadas y reparando todas las fisuras que se presentan en los elementos.
- Aislar con placas de neopreno, la estructura de tres pisos con la estructura de dos pisos.
- Reforzar con una estructura a modo de pared de corte, para obtener una construcción regular, como lo indica el RNC, reforzar con un marco de dos y de tres pisos respectivamente.
- Eliminar el ladrillo actual de los pisos y colocar losetas de porcelana y pegarlas con el mínimo de mortero.
- Cambiar el ladrillo corriente por ladrillo en todo el primer piso, para aprovechar colocar cascote de concreto.
Dicha propuesta no fue aceptada por el Ministerio de Educación, por razones desconocidas, por lo que en el año 2008 el MINED decidió trasladar las instalaciones del edificio INDO a una nueva estructura que fue construida en un campo propiedad del INDO, el cual se encontraba vacío.
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1.2 JUSTIFICACIÓN
La ciudad de Granada representa para Nicaragua un vestigio de cultura e historia lo que le da un gran valor tanto cultural como económico al ser ampliamente visitada por turistas. Por esta razón, estructuras antiguas que han logrado perdurar al paso del tiempo deben ser conservadas ya que representan un valor agregado para la historia de la ciudad. Sin embargo, conservar estructuras antiguas conlleva riesgos debido a que con el paso del tiempo y ante la exposición de agentes externos pueden perder su calidad y consecuentemente su capacidad de servicio. Esto incrementa considerablemente los riesgos de pérdidas humanas en caso de decidir rehabilitar este tipo de estructuras.
En la actualidad, el antiguo edificio INDO de la ciudad de Granada es una estructura de 95 años de existencia que se encuentra completamente inhabilitada. Durante el tiempo transcurrido ha sufrido la ocurrencia de grandes eventos sísmicos en la ciudad de Granada, ha estado expuesta continuamente a agua y sales que se transportan en el aire en las zonas costeras del Lago Cocibolca y sufrió un cambio de uso al destinar las instalaciones originales de edificio para internado a un centro educativo. Considerando la importancia de la rehabilitación de esta edificación, debido a su valor histórico, esta investigación pretende aportar una solución para recuperar y rehabilitar el antiguo edificio INDO; a través de un análisis patológico que permita detectar las causas de los principales problemas estructurales. La solución propuesta permitirá conservar la estructura y que a su vez pueda brindar condiciones de servicio y que cumpla con los requerimientos establecidos por los códigos de construcción nacionales vigentes.
1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES
Este estudio, se enfocará en realizar una evaluación del edificio en base a las patologías detectadas por el análisis de pruebas no destructivas y la inspección visual, por lo que el diagnóstico del estado estructural y su propuesta de intervención serán únicamente válidos para las patologías detectadas durante el proceso de inspección y ensayos mecánicos. En el caso de que la estructura presentase otras patologías que por limitantes de tiempo, acceso o equipos no se pudieron detectar podría requerirse un análisis adicional para dar una solución a las mismas. Por otro lado, la investigación realizada únicamente consiste en una propuesta de intervención para recuperar la capacidad de servicio del edificio, tomando en cuenta la importancia de la estructura, pero la aprobación y ejecución de la propuesta presentada corresponderá a las autoridades correspondientes. Así mismo, las metodologías de intervención propuestas se limitaran a aquellas tecnologías y técnicas que sean viables para su utilización en el país; considerando la existencia de las mismas en el territorio, la calificación de mano de obra para su ejecución y que no representen una inversión lejos de la capacidad financiera de las instituciones gubernamentales.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVOS GENERALES
¶ Realizar una evaluación patológica de los elementos estructurales del antiguo edificio INDO, con el fin de elaborar una propuesta de intervención para recuperar sus condiciones de servicio
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
¶ Identificar las patologías presentadas en los elementos estructurales, con el fin de evaluar su estado de severidad
¶ Evaluar las propiedades mecánicas y de resistencia de los elementos estructurales principales del edificio, por medio de pruebas no destructivas, para estimar la capacidad de carga de la estructura
¶ Modelar la estructura para realizar un análisis de respuesta dinámica, considerando las condiciones de servicio.
¶ Determinar las medidas de intervención correctivas a ejecutar según el estado de severidad de la estructura para recupera su capacidad de servicio
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3. DESCRIPCIÓN DEL SITIO DE UBICACIÓN
3.1 GENERALIDADES DE LA CIUDAD DE GRANADA
La ciudad de Granada, perteneciente al departamento que lleva el mismo nombre, fue fundada en el siglo XVI un 8 de diciembre del año 1524. En la
de longitud oeste (ver Figura 3.1).
Figura 3.1 Mapa Urbano de la ciudad de Granada (Obando & Suarez, 2010)
Geográficamente, la ciudad se encuentra situada a orillas del lago Cocibolca, en el margen noroeste, a una elevación promedio de 65 msnm (Guatemala, 2007). Es una de las ciudades de mayor importancia para el país debido a su riqueza cultural ya que guarda infraestructuras con hasta más de 100 años de existencia (Obando & Suarez, 2010), razón por la cual es visitada anualmente por una gran cantidad de turistas tanto nacionales como internacionales que desean apreciar estructuras que reviven la arquitectura de la época colonial.
3.1.1 Aspectos geológicos
Desde el punto de vista geológico, en la ciudad de Granada predomina la presencia de rocas cuaternarias del periodo Pilo-Pleistoceno al Holoceno las cuales tienen su origen en las actividades previas de los volcanes Mombacho y Apoyo. Estas rocas están constituidas por pómez, escorias volcánicas, cenizas, lapilli, tobas y abundantes materiales piroclásticos.
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En la zona circundante al Lago Cocibolca, zona donde fue construido el edificio INDO, se localizan aluviones intercalados con sedimentos fluvio-volcánicos que se extienden hasta la planicie de Tisma. Se estima que sus espesores no sobrepasan los 10 m. Por el contrario, hacia el oeste, se encuentran los afloramientos de rocas cuaternarias correspondientes al vulcanismo de los volcanes Apoyo y Mombacho.
La ciudad se encuentra en una zona sísmicamente activa. La estructura más relevante de la ciudad es el volcán Mombacho que tuvo su última erupción en el año 1850. Al sur de la ciudad se presentan estructuras volcánicas en forma de cráteres conocidas como hoyas volcánicas. Se creen que fueron originadas por el hundimiento de la base del edificio volcánico debido al retiro o a la disminución del material magmáticos de los antiguos remanentes volcánicos (Hodgson, 1998).
3.1.2 Estratigrafía
Según (Dames et al., 1978), las unidades litológicas subyacentes al área de la ciudad de Granada corresponden a tres tipos las cuales son depósitos piroclásticos, depósitos lacustres y depósitos aluviales de arroyo. Esta secuencia se encuentra resumida en la figura mostrada a continuación:
Figura 3.2 Secuencia Estratigráfica de la ciudad de Granada (Dames, Moore, & Lamsa, 1978)
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Los depósitos piroclásticos (Papu) corresponden al material más antiguo del sitio, su edad está determinada entre 20,000 y 26,000 años. Se estima su espesor en aproximadamente 37 metros y corresponden a depósitos voluminosos de pómez originados probablemente por el volcán Apoyo.
Por otro lado, los depósitos lacustres (HI) corresponden a gravas líticas y de pómez que se produjeron de la erosión del material del flujo de pómez (se estima su edad en más de 10 mil años). También, se ha detectado depósitos aluviales de playa en una franja de unos 750 m de ancho que forma una amplia llanura lacustre. Finalmente, se observa una serie de depósitos aluviales (Hal) relativamente jóvenes que se encuentran confinados en áreas afectadas por arroyos, cauces o quebradas intermitentes que cruzan la ciudad.
3.1.3 Fallamiento local
En base al estudio desarrollado (Dames et al., 1978), se ha definido que los esfuerzos principales que afectan la ciudad de Granada pueden agruparse en seis áreas distintas de fallas y fracturas a como se muestra en la figura 3.3.
Figura 3.3 Sistema de fallas y lineamientos de la ciudad de Granada(Dames et al., 1978)
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En resumen, la figura anterior muestra la existencia de ocho lineamientos los cuales se detallan a continuación:
¶ sinuosa y de extensión corta que se establece en la dirección N-E con rasgos de escarpe que posiblemente se formó por el flujo de lavas.
¶ Falla 2 ra un lineamiento recto y corto establecido en la dirección N-E. Es de origen tectónico.
¶ sinuoso como la falla del cementerio, pero es de mayor longitud y tiende hacia el sur en dirección de las faldas del volcán Mombacho. Este sistema es considerado como la principal fuente de esfuerzos tectónicos en la ciudad (Obando & Suarez, 2010).
¶ dirección N-S, es una falla relativamente larga y de forma sinuosa que no presenta actividad.
¶ sencillo, ancho y largo.
¶ Lineamiento 6: nombrado como lineamiento del Norte, es corto y recto y no se presenta ninguna falla sobre el mismo.
¶ Falla 7: Presenta un sistema de lineamientos curvilíneos y rectos con
¶
Según Dames & Moore Lamsa (1978), entre las fallas 1 y 2 se forma una especie de graben que a su vez, provoca que la falla 2 sea un ramal de la falla 3 o falla Mombacho. Entre las fallas 3 y 4 se define un modelo escalonado con el bloque de desplazamiento descendente hacia el Este de la ciudad. El lineamiento más fuerte (del volcán Mombacho) se dirige hacia el centro de la ciudad de Granada, pero su expresión se ve obstaculizada por la urbanización de la ciudad a como se aprecia en la figura 3.3
3.1.4 Características de los vientos
Generalmente, en Nicaragua la dirección de los vientos es de rumbo NE y EN con velocidades que varían entre los 2.2 y 5.6 m/s. Por otro lado, en ciertas ciudades se observa algunas variaciones en la dirección de los vientos a como ocurre en la ciudad de Granada y Managua (Guatemala, 2007). Se considera que en esta zona los vientos observados varían entre velocidades de 2.0 y 3.2 m/s con dirección SE (Fenzl, 1989).
9
3.2 HISTORIA DE CONSTRUCCIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ANTIGUO EDIFICIO INDO
El antiguo edificio INDO fue construido entre los años 1918 y 1919 en la ciudad de Granada, Nicaragua por la Orden religiosa de los Jesuitas. El edificio se encuentra localizado a las orillas del lago Cocibolca, contiguo al edificio del MINED y cercano al edificio del INTECNA. La estructura fue diseñada en base a las especificaciones, técnicas y códigos de construcción de España de la época. Su diseño tenía como concepción la idea de que la edificación brindara las condiciones de servicios para un internado. Por este motivo, es que tras su inauguración fue utilizado como internado del antiguo Colegio Centroamérica, hasta que dicho centro educativo fuera trasladado a la ciudad de Managua.
En 1975, por decisión de los sacerdotes jesuitas, el edificio fue donado al gobierno de Nicaragua, quien decidió ocupar dichas instalaciones para trasladar ahí el Instituto Nacional de Oriente (INDO), que anteriormente funcionaba en el antiguo Convento San Francisco.
El edificio tiene foteniendo un área constructiva total de 6,353.92 m2 a como se muestra en la tabla siguiente:
Tabla 3.1 Áreas por nivel del edificio INDO (CORASCO, 2006)
Parte de 2 niveles Parte de 3 niveles
Nivel Área (m2) Nivel Área (m2)
I 1,675.67 I 1,000.86
II 1,675.67 II 1,000.86
3,351.34 III 1,000.86
3002.58
Área Total del edifico INDO (m2) = 6,353.92
En cuanto a la distribución de espacios arquitectónicos, el edificio INDO constaba con un total de 51 instalaciones para atender diferentes tipos de ambientes (aulas de clases, talleres, laboratorios, servicios higiénicos, oficinas, entre otros) los cuales se muestran en la tabla 3.2:
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Tabla 3.2 Descripción de los ambientes arquitectónicas del edificio INDO (CORASCO, 2006)
Ambiente Cantidad
Aulas de Clase 19
Taller de Costuras 1
Taller de Carpintería 1
Taller de Cultura 1
Taller de Manualidades 1
Laboratorio de Ciencias naturales y biología
1
Laboratorio de física 1
Laboratorio de química 1
Laboratorio de Computación 1
Oficina de Dirección 1
Oficina de Sub-Dirección 1
Oficinas Administrativas 2
Sala de Educación Física 1
Sala de profesores 1
Biblioteca 1
Auditorio 1
Vestíbulo 1
Bar 1
Bodegas 4
Servicios Higiénicos 9
Total de ambientes 51
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Por otro lado, el edificio también contaba de áreas externas en los predios del edificio que tenían usos para canchas deportivas y parqueos. Estos espacios abiertos se detallan en la Tabla 3.3
Tabla 3.3 Descripción de los espacios abiertos del edificio INDO (CORASCO, 2006)
Tipo de área Cantidad
Canchas Deportivas 2
Área de parqueo 1
Total de espacios abiertos 3
Además existían los servicios básicos de agua potable, alcantarillado sanitario, electricidad y teléfono.
3.2.1 Características Constructivas del INDO
Desde el punto de vista estructural, el INDO fue construido a base de marcos de concreto armado, distribuidos en áreas de dos y tres niveles. La estructura de concreto consiste en un diafragma rígido de losa de concreto armado. Para las losas de entrepiso en las azoteas se cubrieron por una capa de impermeabilizante y en el resto de entrepiso cubierto por ladrillos de barro. Las paredes son confinadas con ladrillo cuarterón, cubierto con repello y fino a ambos lados. También hay algunas estructuras menores de madera, vidrio y aluminio para los vanos de puertas y ventanas.
(a) (b)
Figura 3.4. Elevación de marcos de concreto armado
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4. REVISIÓN DE LITERATURA
4.1 GENERALIDADES
4.1.1 Conceptos de Recuperación de Estructuras
pathoslogos
aplicado para definir a la rama de la ingeniería que estudia los problemas en edificios y sus elementos presentados luego de construida la obra. Es decir, la patología no es más que el estudio de los mecanismos de daños (enfermedades) producido en las estructuras con el fin de determinar sus causas, consecuencias y remedios para que esta pueda continuar prestando las condiciones de servicio requerida (Morocho, 2011). La figura 4.1 muestra las secuencias típicas llevadas a cabo en un estudio patológico en estructuras de concreto reforzado:
Figura 4.1 Patología del Hormigón, secuencias (Morocho, 2011)
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Para poder definir un proceso de intervención de la estructura es indispensable conocer cuáles son las causas de las enfermedades o daños detectados. Los mecanismos de fallas pueden variar dependiendo del sistema constructivo del edificio y las características del medio (agentes químicos o físicos). En esta sección se abordará únicamente los mecanismos de fallas para estructuras de concreto reforzado, luego se detallará algunas de las patologías típicas presentadas en estructuras de hormigón y finalmente se explica las etapas para la evaluación y diagnóstico de estructuras con el fin de conocer el proceso requerido para realizar una propuesta de intervención.
4.2 MECANISMOS DE DAÑOS EN LAS ESTRUCTURAS
Las estructuras de hormigón o concreto reforzado son las más comunes en Latinoamérica y también las que más documentan daños luego de ocurrido un sismo (Morocho, 2011). En general toda estructura puede presentar patologías debido a errores de concepción durante la fase de diseño, deficiencia de los códigos de construcción, mala calidad de los materiales constructivos empleados o falta de calificación técnica en la mano de obra utilizada, se ha estimado que entre el 40% y 50% de las patologías de estructuras de hormigón se deben a las razones previamente planteadas (Morocho, 2011).
Por otro lado, el hormigón puede presentar daños ajenos al proceso de diseño o constructivo, los cuales se manifiestan durante el tiempo de servicio a lo largo de su vida útil, estos mecanismos de fallas se dividen en tres categorías, que son:
a. Mecánicos: corresponden a los daños ocasionados por impactos, vibraciones, sobrecargas, explosiones o abrasión. También se considera en esta categoría los daños originados por sobrecarga de la estructura.
Figura 4.2 Daño Estructural por Sobrecarga
b. Químicos: en esta categoría se agrupan las patologías provocadas por agresiones químicas, reacción álcali-agregado y bacterias.
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Figura 4.3 Hormigón Expuesto a ataques químicos
c. Físicos: son las patologías que se manifiestan luego de ocurrido un desastre natural como sismos, ráfagas de viento, inundaciones y deslaves. También corresponde a los daños producidos en los elementos estructurales por incendios, cambios de temperatura y eflorescencia.
Figura 4.4 Depósitos de sales (eflorescencia)
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d. Ambientales: Corresponden a los daños debido a los efectos del medio ambiente característico del sitio de ubicación de la estructura sobre sus elementos. Estos daños se sub-agrupan en las siguientes categorías: i. La humedad del entorno: La presencia de agua en estructuras de Hormigón
es el inicio principal de deterioro, sin embargo la humedad que está en la atmosfera local contribuye significativamente al deterioro en la medida que existe humedecimiento y secado del Hormigón.
Tabla 4.1 Clasificación de la agresividad de la humedad al Hormigón. (Morocho, 2011)
MICROCLIMA ATMOSFERA AGRESIÓN CO2 CLORUROS
Rural Leve 0.4%
Humedad 80% Urbana Moderado
Humedecimiento y secado
Humedad 90% Marina Severa
Tabla 4.2: Efecto de durabilidad del Hormigón y el refuerzo por efecto de humedad (Morocho, 2011)
HUMEDAD ATAQUES QUIMICOS
CARBONATACIÓN
CLORUROS
CORROSIÓN
45% Mínimo Mínimo Mínimo Mínimo
Baja 50% Mínimo Ligero Ligero Ligero
Alta 80% al 90%
Ligero Alto Alto Alto
Saturada 100%
Severo Severa Ligero Alto
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ii. La temperatura ambiental: La agresividad físico, químico, mecánicos o biológicos que deterioran el Hormigón se debe a la temperatura ambiental donde está la estructura, pasamos por alto al momento de diseñar y elegir que Hormigón vamos a utilizar para ese medio ambiente local, las reacciones químicas se aceleran por el aumento de la temperatura, por eso los climas (cálidos y húmedos), son los más agresivos.
Figura 4.5: Edificacion expuesta a temperaturas variables
iii. La presión ambiental: La presión atmosférica inciden en la durabilidad de la estructuras de hormigón por cuándo puede darse deterioro por erosión por la presión del viento (ciclos de humedecimiento y secado) y/o también (enfriamiento y calentamiento).Pero la presión más dramática que sufren las estructuras son las que están sumergidas en el suelo como son: los pilotes, cimentaciones profundas en suelos contaminados, cimentaciones sumergidas en agua, porque la penetración de agentes agresivos son severos que pueden desprender el Hormigón en poco tiempo.
Figura 4.6 Cimentaciones saturadas de agua
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4.3 PATOLOGÍAS TÍPICAS EN LAS ESTRUCURAS DE CONCRETO REFORZADO
4.3.1 Envejecimiento
El termino envejecimiento se ha definido como el deterioro gradual de la estructura y propiedades mecánicas ante los cambios bruscos y la contaminación ambiental, incluso en ausencia de agentes agresivos reconocibles. El envejecimiento debilita el Hormigón si esté está húmedo, y lo hace frágil si está seco, de manera que los áridos queden suelto en la Matriz o son fácilmente disgregados por el desgate natural al que se somete el Hormigón (Morocho, 2011).
Figura 4.7 factores de envejecimiento del Hormigón (Morocho, 2011)
Existe un sin número de agentes contaminante químicos que pueden acelerar el envejecimiento del Hormigón. Los síntomas más significativos de dicho envejecimiento son: ¶ Aumento de la porosidad debido a disolución del cemento. ¶ Micro-fisuras por efectos de carga o cambios de temperatura. ¶ Penetración de sulfatos. ¶ Infiltración de agua y gases. ¶ Corrosión por cloruros. ¶ Reacción Alcali-Silice. ¶ Lixiviación. ¶ Difusión del CO2.
Causas de envejecimiento del Hormigón.
Medio ambiente
Acciones biológicos, químicas, mecánicos
Manchas, eflorescencias, fisuras
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Figura 4.8 Ingreso de agentes agresivos Figura 4.9 Ingreso de Sulfatos por alta porosidad y presencia de corrosión 4.3.2 Eflorescencia
La eflorescencia es la presencia de un depósito polvoso blanco en la superficie del concreto, el cual está compuesto de sales de calcio (carbonatos y sulfatos). Esta patología se manifiesta cuando la humedad disuelve las sales en el concreto y las lleva por medio de la acción capilar a la superficie. Luego, en la superficie la humedad es evaporada dejando tras sí un deposito mineral de color blanco (Nick & Chusid, 2000 ). Un ejemplo de eflorescencia en estructuras de concreto se muestra en la figura 4.10:
Figura 4.10 Presencia de eflorescencia en vigas de concreto de un puente (Morocho, 2011)
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Aunque la eflorescencia no representa un problema estructural (su principal daño está referido a la apariencia del concreto), cuando se producen depósitos pesados o continuos esta puede tener mayores implicaciones puesto que de no removerse daría lugar a la formación de carbonato de calcio el cual es un mineral muy pesado y difícil de remover, y es considerado el decolorante más serio el hormigón.
La eflorescencia puede minimizarse si se reduce la entrada de humedad en el concreto ya sea durante el proceso de fundición, y luego de colado el concreto con un buen drenaje en el caso de elementos horizontales. La eflorescencia puede ser removida por medio de un cepillado seco seguido de un lavado con agua abundante. En el caso de depósitos más densos o continuos se puede requerir el uso de un removedor de eflorescencia patentado.
4.3.3 Fisuras y Grietas
Las fisuras y grietas son separaciones incompletas presentadas en la estructura que se originan por acciones físicas, químicas y/o mecánicas. Su clasificación está en dependencia de su dirección, como son: fisuras longitudinales, fisuras transversales, fisuras verticales, fisuras diagonales, y fisuras aleatorias, los rangos son los siguientes:
Finas (-1mm). Media (entre 1 y 2mm). Ancho (2mm). Grietas (+ de 2mm).
Cuando las grietas son mayores de 0.5mm indican que los estados limite últimos ha sido mal calculado entre los cuales tenemos: errores de cálculos, no se consideró algunas cargas, malos dimensionamientos de los elementos estructurales, escases de hierro de refuerzos, mala calidad de los materiales, poco control en la ejecución de las obras. También cabe aclarar que las fisuraciones y el agrietamiento pueden haberse dado de que el hormigón esté sometido localmente a tenciones excesivas (Morocho, 2011).
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Figura 4.11 Varias características de fisuras en Hormigón
Figura 4.12 Grietas asociadas a esfuerzos que actúan por aplicación de cargas directas
4.3.4 Acciones biológicas
Según (Morocho, 2011) El principal factor de deterioro del Hormigón es la contaminación atmosférica, la actividad biológica también es un factor muy importante en el deterioro del Hormigón, la presencia de organismo y microorganismo de origen vegetal sobre las estructuras de Hormigón afectan considerablemente en la durabilidad del material. La vegetación que está en la estructura retiene agua provocando la saturación del material y por lo tanto causa daños físicos por humedecimiento y secado, también las raíces causan daños mecánicos provocando fisuras y puntos débiles que al
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crecer las raíces se expande y provocan grandes grietas. Cuando mueren la vegetación estas se descomponen y producen sustancias químicas que atacan al Hormigón como por ejemplo: ácidos, ácidos húmicos, sales, entre otros. La presencia de agua de distintas fuentes es esencial para el ataque biológico, uno de las fuentes principales de presencia de agua es la humedad del medio ambiente (humedad relativa efectiva).
Figura 4.13 Ataque de la vegetación sobre esta estructura de Hormigón
(Morocho, 2011)
Los organismos vegetales como son los hongos se encuentran en suspensión en la atmosfera son esporas de hongos, dependen de la temperatura, régimen de lluvia, vientos dominantes, las variaciones constantes del clima, se estima que hay unas 85000 especies de hongos. Los hongos producen daños mecánicos en el Hormigón durante su crecimiento que penetran el micro estructura del Hormigón y alteraciones químicas debido a que los hongos expulsan ácidos orgánicos e inorgánicos y otras sustancias que emanan. Estas patologías se presentan con la formación de manchas de coloración macro morfológica diferentes (verde rosáceo y ceniza oscura), tiene un desagradable olor a moho en el medio ambiente).
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Figura 4.14 Manifestaciones patológicas diferentes de hongos en el Hormigón
4.3.5 Corrosión del Acero
La corrosión de los metales es un fenómeno de la reacción química o electroquímica de un metal o aleación con su medio ambiente agresivo que lo rodea con el consiguiente deterioro de sus propiedades, los agentes necesarios para la oxidación son: Ánodo, donde se presenta la oxidación (+); Cátodo, donde se sucede la reducción (-); Conductor metálico; Electrolito.
Figura 4.15 Mecanismos de oxidación Entre las principales causas de la corrosión son los siguientes:
a. Corrosión por carbonatación. El dióxido de carbono de la atmósfera reacciona con los componentes alcalinos de la fase acuosa del Hormigón y da lugar a la neutralización del material (Morocho, 2012 ). Cambio abrupto del pH en el interior del Hormigón baja hasta valores del orden de 9.
Ánodo: zona corroída Cátodo: zona pasiva
Acero de refuerzo
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La velocidad a la cual avanza el frente de carbonatación; así como la profundidad depende de muchos factores:
La cantidad de CO presente en la atmosfera. La temperatura y la presión del medio ambiente. (el Hormigón no se
carbonata cuando está totalmente saturado de agua). El tipo y cantidad de cemento. Relación agua / cementante. Un buen vibrado. Un buen curado.
Hormigón y deja de ser un elemento protector de la corrosión del acero de refuerzo.
Figura 4.16 Hormigón carbonatado y presencia de oxido
b. Corrientes erráticas Se denominan corrientes erráticas las que hacen su retorno a la fuente emisora por un camino distinto al previsto. La corriente tiende a circular por donde le es más fácil; si encuentra en su camino una estructura metálica, penetra en ella, haciendo de esta zona cátodo, mientras que por donde sale es ánodo, y en este punto se concentra la corrosión (Guillén). Las corrientes erráticas pueden llegar a las estructuras de Hormigón reforzado y si en ellas el proceso de oxidación se encuentra iniciado o avanzado, estas corrientes pueden precipitar el daño. Los más importantes agentes agresores que producen la corrosión, son los cloruros y los sulfatos, ellos constituyen los iones que causan el deterioro o desaparición de la capa pasivante (Morocho, 2011).
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c. Temperatura Debido a la acción de la temperatura se activa el movimiento de los factores desencadenantes de la corrosión, al aumentar la temperatura se movilizan la substancia agresoras y se evapora la humedad y al disminuir se condensa el agua en los capilares (Morocho, 2012 ). La condición de corrosión debe evaluarse a partir de la humedad, oxígeno y temperatura puesto que la consideración de alguno de los factores de manera independiente no es garantía del acierto en el diagnóstico del daño. 4.3.6 Descascaramientos
Según (NRMCA), el descascaramiento es el desprendimiento local de la parte más cercana a la superficie del concreto o mortero endurecido, tiene varias causas, siendo la más común la exposición humedad, ciclos de congelación y deshielo y químicos descongelantes. Generalmente comienza en pequeñas zonas aisladas, que después pueden fusionarse y extenderse a grandes áreas. El descascaramiento ligero no expone el agregado grueso. El descascaramiento moderado expone el agregado y puede incluir pérdidas de hasta 1/8 o 3/8 de pulgadas (de 3 a 10 mm) del mortero superficial. En el caso de descascaramientos severos la mayor parte de la superficie se pierde y el agregado está claramente expuesto.
Figura 4.17 Descascaramiento en losa de techo 4.3.7 Alabeo
Según (Zanni, 2008), El alabeo es la perdida de linealidad tanto en vertical como en horizontal. Cuando se combinan alabeos en ambos sentidos, es común la aparición de roturas en forma de nidos (cuadriculas), en esquinas opuestas de ambas caras del parámetro.
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Figura 4.18 Alabeos en ambos sentidos
4.4 EVALUACIÓN Y DIAGNOSTICO DEL ESTADO ESTRUCTURAL
Algunas de las etapas de mayor importancia durante la rehabilitación de una edificación son la de evaluación y elaboración del diagnóstico estructural (Muñoz, 2011). Esto se debe a que la elaboración de una propuesta de intervención que brinde solución a las patologías presentadas será útil únicamente si se acierta en el diagnóstico de las enfermedades, o daños de la estructura, y sus causas.
Como cualquier diagnóstico, es necesario desarrollar estudios que permiten recolectar datos relevantes para la elaboración del mismo. Esta fase de evaluación corresponde a la búsqueda de información o antecedentes de la estructura y a la inspección de los daños actuales.
4.4.1 Investigación documental
Consiste en la indagación de información previa relativa al proceso de diseño o constructivo de la edificación a la cual se le realizará la evaluación patológica. Ejemplo de estudios de este tipo son sondeos de suelos, planos constructivos, memoria de cálculo estructural, fotografías, bitácora, etc. También se puede incluir estudios posteriores a la construcción del edificio, como reportes de daños y mantenimientos.
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Esta información es muy importante porque permite conocer las condiciones bajo las cuales la estructura inicial fue diseñada, conociendo así las condiciones de carga, capacidad del suelo, tipos de sistema constructivos empleados, calidad de los materiales y reportes de daños previos. Estos antecedentes deben siempre vincularse con los daños actuales presentados por las estructuras en la actualidad de manera que ayuda a predecir correctamente cual fue la causa que originó los problemas detectados.
4.4.2 Inspección
Consiste en desarrollar una evaluación que permita entender la naturaleza del problema y/o las afectaciones que sufren la edificación. Se requiere de conocimiento, experiencia y criterio sobre los materiales empleados en el proceso de construcción.
En dependencia del nivel de investigación del estado estructural, la inspección puede consistir en un simple recorrido que permita el reconocimiento de los daños hasta una inspección detallada que cuantifique el alcance de los mismos. Es decir, la inspección detallada consiste en la medición del área o longitud afectada y la caracterización de las patologías.
En el caso de realizar una inspección detallada se requiere del uso de formularios que permitan guardar un registro de cada uno de los daños observados y donde se defina el nivel de severidad del mismo. Esta información debe complementarse con planos que permita establecer la localización de cada una de las patologías encontradas.
Por lo general, durante la inspección no es necesario definir inmediatamente la causa precisa de los daños observados, sino que permitirá por medio del levantamiento en conjunto de los daños se podrá definir un patrón de daño en la estructura que permita en base al juicio y criterio del inspector diagnosticar la causa de los daños y el estado de la estructura en general.
4.4.3 Ensayos y Pruebas no Destructivas
Con el fin de elaborar un diagnóstico concluyente acertado del estado estructural de una edificación, es necesario complementar los resultados parciales de la inspección visual, con el desarrollo de pruebas y ensayos in situ o en laboratorio. Los ensayos normalmente tiene como objetivo identificar las características químicas, mecánicas (resistencia a la compresión, tracción, módulo de elasticidad, etc.) y propiedades físicas (densidad, porosidad, absorción, conductividad térmica, entre otras) de los materiales y/o elementos estructurales.
En la actualidad existe una gran variedad de ensayos agrupados en las categorías de ensayos destructivos y no destructivos. Estos últimos son por lo general
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preferibles, puesto que implican menores alteraciones sobre la estructura. Algunos de los ensayos típicos realizados en estructuras de concreto son:
4.4.3.1 Estimación de resistencia a compresión por medio de la Pistola Windsor
Mide la resistencia a penetración de una sonda de acero endurecido contra el hormigón, por medio de una carga explosiva (accionamiento de la pistola). Esta técnica permite asociar la profundidad de penetración con la resistencia a compresión del concreto. Para la medición de la profundidad de la sonda en el hormigón se hace unos de un micrómetro. Aunque es una prueba de gran utilidad, se debe considerar que el valor de resistencia obtenido es aproximado y luego de realizada la prueba se requiere reparar la zona dañada donde se aplicó la carga explosiva. La metodología para la aplicación de este ensayo se encuentra normada en la ASTM-C-803-02.
Figura 4.19 Equipo utilizado para evaluar la resistencia de compresión del concreto por medio de la Pistola Windsor
4.4.3.2 Determinación de la carbonatación
Permite identificar la carbonatación en una muestra de concreto a través del uso de un agente reactivo (fenolftaleína). El ensayo consiste en aplicar el indicador a la superficie de la muestra de concreto, el cual cuando está en presencia de un medio básico o de pH alto (por encima de 9.5) produce una coloración violeta (Vida ud, 2013 ). Por el contrario, si no se produce coloración indica que el pH de la muestra de concreto es bajo y hay carbonatación. La siguiente figura muestra un ejemplo típico de este ensayo donde se observa el nivel de profundidad de la carbonatación en una muestra de concreto:
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Figura 4.20 Ensayo con fenolftaleína para evaluar carbonatación en el concreto (Vida ud, 2013 )
4.4.3.3 Velocidad de transmisión de ultrasonido
Consiste en medir la velocidad de trasmisión de una onda de ultrasonido a través del concreto, la cual es correlacionada con su resistencia y módulo de elasticidad, para esto se coloca dos transductores o terminales en el elemento a ensayar, luego uno de los transductores emite una onda la cual se propaga a través del elemento y es captada por el transductor receptor (ver figura 4.21), este convierte la energía mecánica en onda de pulso electrónico lo que permite medir el tiempo de propagación de la onda, luego con la distancia se obtiene la velocidad de propagación. Una descripción más detallada de esta metodología se encuentra en la norma ASTM C-597-02.
Figura 4.21 Arreglos típicos de transductores para el ensayo de velocidad de transmisión de ultrasonido
En base a tablas predefinidas con esta velocidad se puede evaluar la calidad del concreto y su resistencia, por otro lado por medio de fórmulas empíricas puede obtenerse un estimado del módulo de elasticidad dinámico del concreto.
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Es una prueba que requiere del uso de equipo especializado pero que puede ser ejecutada con gran rapidez y facilidad y es relativamente económica. La desventaja de este método es que se ve afectado en su resultado con la presencia de huecos, grietas, acero de refuerzo e instalaciones o elementos metálicos embebidos en el concreto.
4.4.3.4 Pacómetro
El pacómetro (también conocido como Pachometro) es un equipo que permite determinar la localización de las varillas de acero embebidas en el concreto. Este equipo funciona como una especia de scanner que permite determinar la profundidad a la cual se encuentra el acero (recubrimiento), el espaciamiento y el diámetro del refuerzo.
Figura 4.22 Pacómetro o scanner de hormigón
a que genera un campo electromagnético y cuando encuentra un conductor eléctrico en sus proximidades, el circuito se cierra lo que permite detectar el acero de refuerzo (Andrade, Lozano, Vicens, Seguí, & Hernández, 1992). En otras palabras, el
como transductor) al estar cerca de un material de alta permeabilidad magnética (Garay)como el hierro.
Las limitantes de este equipo es que para recubrimientos mayores a 30 mm puede generar incertidumbre por lo que se hace necesario requerir a la inserción de una sonda profunda para la detección de las barras que se encuentran con un recubrimiento mayor. El escáner es comúnmente utilizado para la identificación de pasadas de ductos en hormigón de tal forma que las perforaciones, generalmente realizadas con testigueras, no corten barras de refuerzo estructural.
4.4.3.5 Esclerómetro
Un método de control no destructivos es el empleo del esclerómetro digital, como una herramienta de referencia para medir la resistencia a la compresión del
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concreto in situ que ofrece ciertas ventajas con respecto a la forma normal de medir la resistencia a la compresión del concreto, que es la de ensayos a compresión de especímenes cilíndricos en laboratorio o extracción de corazones o núcleos de concreto, evitando así los daños eventualmente causados a la estructura durante ensayos destructivos que pueden perjudicar al rendimiento de la obra, porque pueden generar la necesidad de reparar la parte estropeada (Rojas, 2010).
Figura 4.23 Esclerómetro digital
4.4.3.6 Ensayo por Líquidos Penetrantes
El objeto del ensayo no destructivo por líquidos penetrantes es la detección de discontinuidades abiertas en la superficie de las piezas, por la introducción del líquido penetrante en las mismas (AEND, 2002). De los factores que influyen en la introducción del líquido en las discontinuidades abiertas, los principales son los siguientes:
¶ La existencia de obstrucciones mecánicas de cualquier tipo (impiden físicamente entrada del penetrante o varían la configuración de la discontinuidad reduciendo sus dimensiones)
¶ Los recubrimientos y contaminantes superficiales
¶ La configuración geométrica de la discontinuidad
¶ La tensión superficial del líquido penetrante
¶ Los aditivos y contaminantes en el propio liquido penetrante
¶ La temperatura de lo que se va a ensayar y la del penetrante
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¶ La presión atmosférica en el lugar donde se realiza el ensayo
¶ La rugosidad del interior de la discontinuidad
El campo de aplicación del ensayo por líquidos penetrantes es la inspección no destructiva de materiales no porosos metálicos y también no metálicos. De los materiales metálicos, se ensayan por este método principalmente los metales ferromagnéticos como son los siguientes:
¶ Aluminio y sus Aleaciones
¶ Aceros Inoxidables
¶ Cobre
¶ Bronce
¶ Latón Etc.
Figura 4.24 Ensayo por líquidos penetrantes
4.4.4 Diagnostico
El diagnóstico es la fase final del estudio patológico y consiste en un dictamen que define los síntomas o patologías detectadas en la estructura (a través de la auscultación de los daños y la ejecución de pruebas y ensayos en los elementos estructurales), brindando una explicación detallada de los mecanismos que dieron origen a las fallas y las repercusiones de esta en la estructura en general, con el
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fin de dictaminar el estado actual de capacidad de servicio de la estructura y, en caso de ser requerido, la formulación de un plan de intervención y su urgencia (Del Rio Bueno, 2008; Helene & Pereira, 2003 ; Muñoz, 2011).
Acertar en el diagnóstico representa el éxito de la intervención y por supuesto en la solución de las patologías que causan el problema, por esta razón resulta de mucha importancia establecer correctamente las causas que originan lesiones, en base a la evidencia obtenida, para afrontar la solución oportunamente.
Los procedimientos usuales de diagnóstico para estructuras de concreto consisten en determinar todas las posibles causas de las patologías observadas y, luego, descartar aquellas que no sean aplicables. El problema del diagnóstico de estructuras de concreto reforzado es que, a diferencia de otros sistemas constructivos, la investigación no llega a una conclusión única por lo que el dictamen final puede conllevar cierto grado de incertidumbre en función de la cantidad y calidad de la información recolectada; así como de la capacidad de análisis e interpretación del que elabora el diagnóstico. Otras limitantes típicas de los estudios patológicos de estructuras antiguas, es la dificultad para la obtención de datos fiables de la estructura como los antecedentes, las características de los materiales, o las condiciones de ejecución de la obra inicial, por esta razón es muy importante definir las limitaciones para no plantear intervenciones innecesarias que podrían resultar no adecuadas y representar costos demasiados elevados o innecesarios. El diagnostico puede considerarse satisfactorio si se centra en un conjunto suficientemente reducido de causas que permitan selecciona una fórmula de reparación eficaz para todas ellas, con un coste razonable (Del Rio Bueno, 2008). En el caso de no haber logrado una conclusión se debe definir actuaciones para proteger la estructura contra aquellas causas patológicas que pudieron haber originado el daño.
La selección de acertada de las causas del deterioro se basa principalmente en identificar para cada patología el mecanismo de falla que dio origen a la misma y analizar el alcance y características de los daños observados. Además de establecer las causas que dieron origen al deterioro, es necesario determinar que fallos de proyecto, ejecución, uso o mantenimiento permitieron la aparición de las fallas, esto con el fin de evitar la reaparición de las patologías luego de efectuada la intervención.
La fase final del diagnóstico consiste en dictaminar el estado estructural y la necesidad y plazo de intervención. En el primer caso se debe estimar la capacidad de resistencia de la estructura, en base al alcance de los daños, y luego en base a las necesidades de servicio actual y/o futura evaluar los niveles de seguridad. Esta evaluación puede llevarse a cabo con un modelamiento de la estructura en base a las propiedades mecánicas actuales de los elementos, lo que se detallará posteriormente. En cuanto a la necesidad de intervención, las posibilidades son numerosas. En dependencia de los daños, puede optarse por reforzar los elementos, sustituirlos o repararos, e incluso abandonar y derribar la estructura.
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Estos puntos se detallarán posteriormente, pero forman parte integral del diagnóstico concluyente presentado en base al estudio patológico.
4.5 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE INTERVENCIÓN
La selección de una propuesta o medida de intervención corresponde a la parte final del estudio patológico y debe estar íntimamente ligado con las conclusiones del diagnóstico sobre el estado actual de la estructura y los fenómenos que dieron origen a los mismos. De esta forma se espera que la propuesta de intervención contemple un abanico de recomendaciones y propuestas de actuación para brindar una solución a los problemas ocasionados por las patologías observadas y sus repercusiones futuras en caso de no ser tratadas.
4.5.1 Tipos de intervención
Dependiendo del alcance o incidencia de los trabajos a realizar se pueden agrupar cinco categorías o tipos de intervenciones; según (Helene & Pereira, 2003 ) estas categorías son:
a. Actuaciones de urgencia
A como su nombre lo indica, en esta categoría corresponde a las actuaciones que requieren realizarse de forma rápida e inmediata para subsanar las patologías detectadas que afectan considerablemente la funcionalidad de los elementos estructurales. Este tipo de soluciones pueden ser provisionales con el fin de mantener en servicio la estructura durante un tiempo definido o pueden ser del tipo permanente.
b. Actuaciones de prevención y/o protección
Corresponde a las intervenciones que tiene como objetivo dar una protección a los componentes estructurales que no han sufrido una degradación completa y no comprometen seriamente el estado de servicio estructural, es decir elementos que no se encuentran en situaciones límites de falla. De esta manera se pretende evitar o reducir la progresión de su proceso de degradación; por ejemplo, protección contra el fuego, atmósferas agresivas, corrosión, desgaste superficial, etc.
Las intervenciones pueden involucrar la protección directa del elemento estructural en sí, o una protección sobre su entorno, limitando las cargas de uso y definiéndose un plan de seguimiento o control periódico en sus puntos críticos.
c. Actuaciones de reparación
(Del Rio Bueno, 2008), Define en patolo
de los elementos estructurales. Por consiguiente, este tipo de intervención se lleva
34
a cabo cuando la degradación ha afectado al elemento estructural de manera que se requiere recuperar sus prestaciones iniciales. Este tipo de intervención puede resultar compleja en función de las características del elemento a reparar, su ubicación y estado de degradación.
d. Actuaciones de refuerzo
Corresponden a las acciones a ejecutar, que tienen por objetivo incrementar la capacidad resistente de los elementos estructurales por encima de los niveles para los cuales fueron diseñados (Del Rio Bueno, 2008). Este tipo de solución es utilizada cuando se encuentran errores de cálculo en el diseño o detallado de los elementos estructurales, o bien cuando la estructura requerirá atender a nuevas solicitaciones que superan las inicialmente previstas. Un ejemplo de actuaciones de esta categoría es la incorporación de nuevos componentes estructurales o sistemas de refuerzo.
e. Acciones de sustitución
Son las tareas de demolición y sustitución de un elemento o parte de la estructura por uno nuevo. Este tipo de acciones se acometen cuando el nivel de los daños o las necesidades de reparación son tales que hacen difícil la reparación o refuerzo de las mismas (Del Rio Bueno, 2008). Esta sustitución se puede realizar eliminando físicamente el elemento estructural, sustituyéndolo por uno nuevo, o anulando su función mecánica actual mediante la introducción de nuevos elementos resistentes (Helene & Pereira, 2003 ).
4.5.2 Factores condicionantes para la selección de una alternativa de intervención
Por lo general, las posibles soluciones a un determinado problema estructural son diversas y se nos presentan diversas alternativas igualmente válidas, eficaces y viables. Dado que no existe, prácticamente, normativa específica pensada para actuaciones de rehabilitación, en la toma de decisiones es importante ir a lo seguro, y cargarse de razones en la toma de decisiones En todos los casos se requieren unos criterios de valoración complementarios, con los que determinar la opción que se ajusta mejor a nuestras circunstancias. De forma genérica podríamos considerar los siguientes aspectos:
a. Aspectos Técnicos
Según (Helene & Pereira, 2003 ) Se trata del criterio fundamental a tener en cuenta en la toma de decisiones. En este sentido, la solución debe garantizar:
35
¶ Respuesta correcta a las limitaciones y exigencias estructurales que nos plantea el edificio y sus componentes.
¶ Vida útil de servicio acorde con las necesidades del uso previsto.
¶ Prestaciones técnicas adecuadas al uso y al entorno en aspectos de impermeabilidad y de protección contra el fuego.
¶ Correcto tratamiento de las alteraciones en el funcionamiento del sistema estructural, durante la intervención o como resultado de ella.
¶ Calidad contrastada de los materiales y de las técnicas a aplicar.
¶ Compatibilidad físico-química de los materiales previstos en la intervención con los materiales existentes.
¶ Seguimiento en servicio y mantenimiento razonables para el tipo de edificio a intervenir
b. Aspectos Económicos
En el caso frecuente en donde diversas alternativas técnicamente correctas puedan ser aplicadas, el coste económico de cada una de ellas puede resultar clave en la toma de decisiones. Establecer un cuadro comparativo entre la efectividad y prestaciones que nos ofrecen las diferentes alternativas, juntamente con el coste económico de cada una de ellas acostumbra a resultar muy clarificador. Hay que tener siempre presente que el coste a considerar debe ser siempre el de toda la operación, incluyendo los materiales y su correcta aplicación. También los parámetros de efectividad, durabilidad y posibles costes de mantenimiento deben ser analizados a lo largo de la vida útil, es decir, el coste global de la intervención.
c. Aspectos Operativos
Cuando nos planteamos la valoración de una solución, no podemos olvidar las limitaciones que esta nos puede presentar en el sentido operativo, como son:
¶ Accesibilidad al elemento a intervenir en cuanto a las operaciones previas y
los medios auxiliares necesarios.
36
¶ Operaciones complementarias de necesaria realización durante la fase de ejecución como pueden ser bombeos, decapados, otros.
¶ Disponibilidad de los recursos tecnológicos en el ámbito territorial o país
donde esté ubicada la obra. ¶ Capacidad, conocimientos y medios técnicos de la empresa constructora
que debe hacerse cargo de los trabajos. ¶ Disponibilidad de mano de obra en el lugar con las habilidades, nivel de
adiestramiento y experiencia necesaria. ¶ Disponibilidad de personal técnico capacitado para la coordinación, control
y toma de decisiones durante la fase de ejecución de la obra. ¶ Capacidad para seguir los plazos de ejecución establecidos para insertar
los trabajos estructurales dentro de otras operaciones más amplias. ¶ Adecuación funcional del espacio donde se va a llevar a cabo la actuación
(alturas libres, anchos de paso, otros) y de acceso para los medios auxiliares, personal y suministros necesarios.
¶ Consideración de las variables climáticas y termo higrométricas de la zona
en cuanto a la posible incidencia en la intervención prevista.
d. Aspectos Arquitectónicos
Algunas de las soluciones a nuestro alcance para la intervención en estructuras de hormigón, comportan una alteración de su forma, de su volumen, de su textura superficial o de su color. En algunos casos estas alteraciones no tienen importancia, pero en otros (hormigón visto, estructuras formalmente aparentes,...) provocaran una modificación en los aspectos arquitectónicos y artísticos del edificio, que pueden hacer inviables soluciones técnica, económica y funcionalmente recomendables. Así mismo, el valor de testimonio histórico que algunos edificios y estructuras de hormigón han adquirido con el tiempo exige un estudio cuidadoso de las posibles alternativas aplicables, teniendo muy presente evitar alteraciones estéticas en el resultado final. En el caso de edificios patrimoniales, donde el hormigón se ha convertido en un material insustituible e inalterable, la intervención se complica con el objetivo de que no pueda ser apreciada visualmente (Helene & Pereira, 2003 ). Cuando la intervención requiera el desalojo, puede llegar a ser determinante en la solución a adoptar, y plantearse una sustitución funcional en lugar de un refuerzo propiamente dicho.
37
e. Aspectos Ambientales
Los requerimientos medioambientales se están incorporando de una forma decidida en el sector de la construcción. En las intervenciones en estructuras de hormigón este aspecto puede resultar determinante en algunos casos. Según (Helene & Pereira, 2003 ) se debe diferenciar dos situaciones complementarias: la fase de ejecución, y la de utilización y mantenimiento. En la fase ejecución debemos escoger materiales de bajo impacto ambiental y que no impliquen riego de toxicidad para los aplicadores, evitar la demolición y minimizar la producción de residuos, no causar contaminación acústica hacia el entorno, evitar la contaminación del aire o del agua durante los trabajos y racionalizar el consumo energético del proceso. En este análisis debemos considerar el ciclo de vida de todos y cada uno de los componentes a emplear
38
4.6 ANÁLISIS DE REPUESTA ESTRUCTURAL
Las estructuras se encuentran sometidas a acciones o cargas que pueden actuar de manera permanente (cargas muertas), variable (cargas vivas) o accidental (sismos y viento) sobre la misma a lo largo de si vida útil. Estas cargas producen esfuerzos internos en los elementos estructurales, los cuales cuando llegan a superan el rango límite de capacidad de carga dan lugar a la formación de patologías, tales como grietas, fisuras, deflexiones, entre otros.
Por estos motivos, una buena herramienta para diagnosticar la capacidad de servicio o no de una estructura, es modelar la respuesta de la misma ante acciones dinámicas y cargas permanentes considerando las propiedades mecánicas de sus elementos. Hoy en día, gracias al avance y desarrollo de programas de computadora, es posible a través de métodos o algoritmos programados estimar la respuesta de una estructura ante la acción de cargas de carácter estático y/o dinámico. En esta sección, se abordará un poco la teoría relacionada al modelamiento y análisis de respuesta dinámica. Así mismo, se presentará una recopilación de algunos de los parámetros a considerar, para efectuar un estudio de respuesta sísmica o ante cargas de viento, tomando como base los requerimientos establecidos en el reglamento de construcción vigente en Nicaragua (RNC-07).
4.6.1 Análisis de respuesta dinámica por sismo
4.6.1.1 Análisis modal
La respuesta dinámica de una estructura sometida a una excitación sísmica puede evaluare utilizando el procedimiento de análisis modal. El método consiste en estimar la respuesta máxima para cada modo de vibrar de la estructura por separado como si fuera un sistema de un simple grado de libertad; luego, estadísticamente, se combinan los valores máximos obtenidos para obtener la respuesta total de la estructura (Escorcia & Ochoa, 2012).
El análisis modal puede ser enfocado mediante métodos matriciales, numéricos o métodos iterativos. Se considera que la respuesta de un sistema considerado viscosamente amortiguado es dependiente de la rigidez de la estructura, la masa y el amortiguamiento (Chopra, 1995), lo cual puede describirse a partir de la siguiente ecuación:
La fuerza sísmica efectiva Peff se puede calcular a partir de la expresión:
Donde, m, c y k representan la matriz de masa, la matriz de amortiguamiento y la matriz de rigidez, respectivamente, üg (t) es la aceleración del suelo y es el vector
39
representante de desplazamiento de las masas resultantes, para un valor unitario de desplazamiento del suelo, ug=1.
La respuesta total de la estructura (considerando la contribución de todos los modos) ante la excitación sísmica se expresa en la siguiente ecuación:
Donde, denota la respuesta modal estática, Dn (t) y An (t) son el desplazamiento y la Pseudo-aceleración de respuesta para un sistema de un grado de libertad, para N modo de vibrar. La Pseudo-aceleración de respuesta está en dependencia de la aceleración del suelo üg (t), expresada en sus
n, periodo natural Tn, o en n, lo cual se encuentra denotado en la siguiente
ecuación:
4.6.1.2 Cálculo de respuesta modal
La respuesta modal puede obtenerse a partir de un espectro de respuesta o diseño (MTI, 2007), partiendo de la siguiente expresión (Chopra, 1995):
Donde, el subíndice ¨o ¨ representa el valor pico, definido como el valor máximo absoluto y An n n) es el espectro de Pseudo aceleración para un periodo natural Tn n. El signo algebraico rno es el mismo de y representa la respuesta modal máxima. El valor pico ro de la respuesta total r (t) es estimado a partir de la respuesta modal máxima rno método de combinación modal. En esta línea, en la actualidad existe gran variedad de métodos aplicables, pero los que más se han utilizado por expertos de la ingeniería sísmica, son el CQC (Combinación Cuadrática Completa) y SRSS (Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados) puesto que poseen un fundamento teórico más confiable en comparación con otros métodos (Escorcia & Ochoa, 2012).
El método SRSS considera los valores máximos modales para estimar los valores de los desplazamientos o de las fuerzas. Se asume que todos los valores máximos modales son estadísticamente independientes. Este método es integrado en varios software de análisis estructural y diseño como ETABS 9.5 el cual será utilizado en esta investigación. Bajo esta metodología, el valor pico de una fuerza típica puede ser estimado con la siguiente ecuación (Chopra, 1995):
40
Donde, rno es la fuerza modal asociada con el modo n.
4.6.1.3 Criterios y parámetros para el análisis sísmico en Nicaragua
Según la normativa vigente de construcción en Nicaragua, se puede obtener un espectro de respuesta para el análisis dinámico por sismo para lo cual es necesario estimar los parámetros de: aceleración máxima del terreno (a0), tipo de suelo y amplificación (S) según la zona sísmica.
Para el territorio nacional, se ha designado tres zonas de peligrosidad sísmica relacionadas con la aceleración máxima del terreno (a0). La Zona C representa la mayor peligrosidad sísmica, con una aceleración máxima del suelo promedio de 0.3 g, en esta zona se encuentra ubicada la ciudad de Granada. La Zona B representa una peligrosidad intermedia la aceleración promedio estimada es 0.2 g y la Zona A experimenta las menores aceleraciones (0.1 g), a como se muestra en las siguientes figuras:
(a) (b)
Figura 4.25 (a) Mapa de isoaceleraciones y (b) Mapa de zonificación sísmica de Nicaragua (MTI, 2007)
41
La amplificación del suelo está en dependencia de la zona sísmica y el tipo de suelo. El reglamento contempla cuatro diferentes categorías de caracterización de los suelos lo cual es dependiente de las velocidades de ondas de corte (Vs) estimada a una profundidad no menor de 10 metros. Para velocidades superiores
corresponde a suelos moderadamente blandos con velocidades de corte promedio entre 180 y 360 m/s. Velocidades inferiores dan indicios de un suelo muy blando y requieren de la evaluación de estudio de sitio. El factor de amplificación se determina con la siguiente tabla:
Tabla 4.3 Factores de amplificación por tipo de suelo (MTI, 2007)
Zona Tipo de suelo
Sísmica I II III
A 1.0 1.8 2.4
B 1.0 1.7 2.2
C 1.0 1.5 2.0
En base a estos factores se calcula el espectro de diseño el cual debe tener como ordenada el valor de las aceleraciones máximas (a) para distintos periodos expresados como fracción de la gravedad. Este se calcula con las siguientes ecuaciones:
Donde,
42
, y
El resultado es la gráfica de un espectro similar al mostrado en la siguiente figura:
En el caso de estructuras de gran importancia como escuelas, hospitales o iglesias las aceleraciones del espectro deben incrementarse en un 50% según lo estipula el RNC-07 (MTI, 2007)
Figura 4.26 Espectro de diseño para Nicaragua (MTI, 2007)
4.6.2 Análisis por cargas de viento
Las estructuras se encuentran continuamente sometidas a la acción del viento lo que genera presiones sobre la superficie de la misma que luego son transmitidas al resto del sistema estructural. En ocasiones, estas cargas sumadas al peso propio de la estructura y las cargas debidas al uso, pueden adquirir valores tales que representan las condiciones de carga más críticas de la estructura; por este motivo, es necesario realizar una revisión por viento de la estructura, en especial en aquellas zonas donde dadas las condiciones topográficas, geografía, irregularidad de la estructura, y las características climatológicas, los vientos pueden generar presiones considerables que pueden afectar la capacidad de servicio de las edificaciones.
En Nicaragua, el RNC-07 contempla un capítulo especial destinado a la estimación de cargas de vientos y los métodos requeridos para su análisis. A
43
continuación se muestra una recopilación bibliográfica de los criterios establecidos para determinar los esfuerzos por presión de viento en dependencia de las características de sitio y se abordará de manera general las consideraciones y fórmulas utilizadas para análisis de viento por el método estático.
4.6.2.1 Cálculo de velocidades regionales para Nicaragua
La actuación de las cargas de viento sobre la superficie de una estructura genera presiones de empuje y succión sobre su superficie. Las fuerzas de empuje se
corresponden a las cargas de succión. Estas cargas se encuentran íntimamente relacionadas con las condiciones topográficas, geológicas y climatológicas de cada sitio, por lo que pueden variar de un lugar a otro. Para fines de diseño, en Nicaragua se ha clasificado tres zonas de amenaza eólica las cuales se muestran en la siguiente figura:
Figura 4.27 Clasificación de zonas de riesgo eólico en Nicaragua (MTI, 2007)
La ciudad de Granada se encuentra ubicada en la zona de peligrosidad intermedia, o Zona 2. La Zona 3 corresponde a los sitios donde se experimentan las mayores ráfagas de viento, relacionadas principalmente a huracanes. La Zona 1 corresponde a los sitios con mayor altura sobre el nivel del mar y sitios que, dada las condiciones de relieve, se encuentran protegidos por volcanes o formaciones montañosas de manera que las velocidades del viento son sensiblemente menores a las otras zonas.
44
En dependencia de la zona y la importancia de la estructura se debe estimar velocidades regionales de viento para distintos periodos de retorno. El edificio INDO por ser una estructura esencial, perteneciente al grupo A (escuelas, hospitales, iglesias, etc.), requiere el cálculo de la velocidad regional para un periodo de retorno de 200 años, puesto que entre mayor vida útil requiera una construcción se incrementan las probabilidades de exponerse a grandes velocidades. La velocidad regional para una zona eólica puede estimarse usando los valores establecidos en la siguiente tabla:
Tabla 4.4 Velocidades regionales según la importancia de la estructura y la zona eólica (MTI, 2007)
Zona Eólica
Periodo de retorno
50 años 200 años
1 30 m/s 36 m/s
2 45 m/s 60 m/s
3 56 m/s 70 m/s
También, para una mayor precisión se ha definido mapas de isotacas y en dependencia de la ubicación exacta del sitio donde se realizará el análisis por viento puede estimarse la velocidad regional para distintos periodos de retorno. En la siguiente figura se muestra el mapa de isotacas expresados en m/s para estimar velocidades regionales de viento para un periodo de retorno de 200 años:
45
Figura 4.28 Mapa de isotacas, en m/s, para un periodo de retorno de 200 años (MTI, 2007)
4.6.2.2 Método estático de análisis
El análisis por viento puede llevarse a cabo utilizando métodos estáticos que consisten en convertir la energía cinética del viento en una presión estática equivalente. Esta presión luego es tratada de manera similar a la de una carga de gravedad uniformemente distribuida. El método tiene limitantes prácticas puesto que solo puede ser aplicado en cualquiera de los siguientes casos (INFED, 2011).
Estructuras o elementos estructurales poco sensibles a la acción turbulenta del viento donde:
i. La relación , donde es la altura de la construcción y es la dimensión mínima de la base, y
ii. El periodo fundamental de la estructura es menor o igual a dos segundos.
a. Construcciones cerradas, techos asilados, toldos y cubiertas adyacentes donde:
i. La altura total de la construcción es menor o igual que 15 metros
46
ii. La planta de la estructura es rectangular, o formada por una combinación de rectángulos,
iii. La relación es menor que cuatro para construcciones cerradas
iv. Para construcciones cerradas, la pendiente de sus techos inclinados, o a dos aguas, no debe exceder los 20° y para techos de claros múltiples deberá ser menor que 60°
En caso de que la estructura cumpla con los requisitos anteriormente descritos puede estimarse la presión ejercida por el flujo de viento sobre un área determinada a partir de la siguiente ecuación:
Donde, es el coeficiente local de presión y depende de la forma de la estructura, y representa la velocidad de diseño a una altura determinada . Para resolver la ecuación anterior es necesario determinar otros factores propios de la rugosidad del terreno, la altura de análisis, topografía, etc. Los cuales se detallan a continuación.
Factor de variación con la altura: El factor de variación con la altura ( ) establece la variación de la velocidad del viento a una altura media medida desde el suelo (z). El cual está dado por las siguientes fórmulas:
Donde, es el exponente de la variación de velocidad con la altura y representa la altura del gradiente del terreno de desplante. Estos factores son estimados en dependencia de la rugosidad del terreno (R) dada por la siguiente figura:
Figura 4.29 Rugosidad del terreno (MTI, 2007)
47
Luego los factores y son estimados con la tabla 4.5 y sustituidos en la ecuación anterior para determinar el factor de variación con la altura en dependencia de la condición que rige.
Tabla 4.5 Factores por rugosidad del terreno (MTI, 2007)
Tipos de terrenos R1 Escasas o nulas obstrucciones al flujo
0.099 245 de viento, como en campo abierto R2 Terreno plano u ondulado con pocas
0.128 315 Obstrucciones R3 Zona típica urbana y suburbana. El
0.156 390 sitio está rodeado predominantemente por construcciones de mediana y baja altura o por áreas arboladas y no se cumplen las condiciones del Tipo R4 R4 Zona de gran densidad de edificios
0.17 455
altos. Por lo menos la mitad de las edificaciones que se encuentran en un radio de 500 m alrededor de la estructura en estudio tiene altura superior a 20 m
Factor correctivo por topografía y rugosidad
La topografía toma mucha importancia en la estimación de la velocidad de viento y por ende en la presión generada por este sobe la estructura. El factor correctivo por topografía y rugosidad (FTR) considera el efecto de la topografía local en el sitio de desplante de la estructura y la rugosidad del terreno, los cuales están mostrados en la siguiente tabla:
48
Tabla 4.6 Determinación de factor de corrección en dependencia de la rugosidad del terreno y la topografía (MTI, 2007)
Rugosidad de terrenos en
alrededores Tipos de topografía R2 R3 R4
T1 base protegida de premonitorios y faldas de serranías del lado sotavento
0.8 0.7 0.66
T2 Valles cerrados 0.9 0.79 0.74
T3 Terreno prácticamente plano, campo abierto, ausencia de cambios topográficos importantes , con pendientes menores de 5% (normal)
1 0.88 0.82
T4 Terrenos inclinados con pendiente entre 5 y 10% 1.1 0.97 0.9
T5 Cimas de promontorios, colinas o montañas , terrenos con pendientes mayores de 10 % , cañadas o Valles cerrados
1.2 1.06 0.98
*Para R=1 se considera FTR=1
La topografía (T) es evaluada según las características del terreno en dependencia a lo mostrado en la siguiente figura:
Figura 4.30 Formas topográficas locales (MTI, 2007)
49
Velocidad de diseño La velocidad de diseño depende de las características regionales de los vientos y la rugosidad y topografía local del sitio de desplante y se determina con la siguiente ecuación:
Factores de presión
Los factores de presión ( ) dependen del tipo y la forma de la construcción, en el caso de edificios y construcciones cerradas los coeficientes de presión a la superficie expuesta corresponden a los de la siguiente tabla:
Tabla 4.7 Factores de presión en dependencia de la superficie (MTI, 2007)
Tipo de superficie Cp Pared de barlovento 0.8 Pared de sotavento -0.4 Paredes laterales -0.8 Techos planos -0.8 Techos inclinados, lado de sotavento -0.7 Techos inclinados, lado de barlovento - -1.6 < 1.8**
** : ángulo de inclinación del techo medido en grados
50
5. ESQUEMA DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS
Con el fin de cumplir con los objetivos planteados esta investigación se basara en la ejecución del siguiente programa de actividades:
1. Recopilación de estudios previos: En esta etapa se procederá a la búsqueda de información previa referente al edificio INDO que pudiera resultar importante para el desarrollo de esta investigación. Como por ejemplo, estudios de suelos, detalles constructivos, reportes de daños, mantenimientos y estudios ejecutados en el edificio.
2. Inspección Visual: En esta etapa se realizará un recorrido en las instalaciones del edificio con el fin de recolectar evidencia fotográfica de los daños existentes en la estructura. Se elaboraran fichas donde se registres los daños auscultados durante la inspección visual, de manera que se pueda cuantificar los daños y cualificar la severidad de los mismos.
Por otro lado, en base a los planos existentes se verificará la información de los detalles estructurales y distribución de espacios arquitectónicos conforme a lo observado en campo, de manera que se podrá corroborar la información para ser utilizada posteriormente en los análisis que surjan
3. Ejecución de ensayos y pruebas mecánicas: Posterior a la inspección visual se llevara a cabo un proceso de evaluación de los elementos estructurales del edificio por medio del ensayo de pruebas mecánicas no destructivas (en dependencia de los daños observados). La información obtenida permitirá determinar la capacidad de resistencia de los elementos estructurales y su módulo de elasticidad. Esto se podrá hacer mediante la extracción de núcleos o por medio de la utilización de cualquier equipo o sistema diseñado para tal fin. La selección de los ensayos a realizar se llevará a cabo durante esta etapa en dependencia de las sugerencias del personal calificado (tutor) y según la severidad de los daños observados durante la inspección visual.
4. Análisis de severidad de los daños y elaboración del diagnóstico: Esta etapa consistirá en el análisis conjunto de los resultados obtenidos durante la fase de inspección visual y ensayos de campo, con el fin de determinar las patologías presentadas en la estructura y elaborar el diagnóstico de la misma.
En caso de ser necesario se realizará un modelamiento dinámico de la estructura con el fin de complementar el diagnóstico elaborado con el estudio de la respuesta dinámica del edificio en el transcurso del tiempo.
51
Esta etapa permitirá explicar los métodos de falla del edificio y predecir la capacidad o no del mismo de continuar prestando servicio.
5. Formulación de propuesta de recuperación: En base a los resultados del diagnóstico de la estructura, esta etapa final corresponderá a analizar las diferentes propuestas de intervención del edificio, con el fin de perseverarlo para que pueda prestar condiciones de servicio, como instalaciones para las instituciones gubernamentales de la ciudad de Granada. Se evaluara las diferentes alternativas para resolver los problemas patológicos, descartándose aquellas que no resulten viables ya sea por los costos que impliquen su implementación, o que no sean compatibles con la arquitectura del edificio.
52
6. CÁLCULO DE PARÁMETROS PARA LA REVISIÓN POR SISMO Y VIENTO
Con el fin de efectuar un análisis que considere las solicitaciones de cargas reales de los elementos estructurales del INDO, es necesario considerar las cargas de servicio (cargas muertas y vivas), y aquellas cargas que por su naturaleza no se encuentra siempre presente pero cuando se manifiestan pueden generar desplazamientos y deformaciones mayores a los presentados bajo las condiciones de servicio. Este tipo de solicitaciones corresponde a los efectos por sismo y viento. En el capítulo 4 se abordó el fundamento teórico y fórmulas de los códigos de diseño y análisis estipulados para las cargas de viento y sismo; en el siguiente capítulo se muestra el cálculo resultante de los espectros sísmicos y presiones de viento tomando en cuenta las características locales del sitio.
6.1 CÁLCULO DE ESPECTRO DE RESPUESTA SÍSMICA
Por su ubicación geográfica, se detectó que el INDO se encuentra en una de las franjas con mayor amenaza sísmica en el territorio nacional, como lo es la zona
Figura 4.25). En consecuencia se hace necesario realizar un análisis que permite predecir el efecto de las fuerzas sísmicas sobre la estructura, tomando en cuenta que debido a su destino (colegio) la estructura representa una obra de gran
aceleraciones sísmicas deberán ser incrementadas en un 50%.
Para el análisis de la influencia de las fuerzas sísmicas sobre la estructura, se consideró las aceleraciones sísmicas probables para la estructura en dependencia de sus modos naturales de vibración y las condiciones del suelo. Debido a la falta de estudios adecuados para estimar las propiedades dinámicas del suelo (Velocidad y módulo de corte) se optó por asumir la condición de suelo más desfavorable según lo indicado en el reglamento nacional de construcción vigente. Es decir, se consideró que el suelo del sitio correspondía a un material blando con propiedades distintas a las de un suelo rocoso y con velocidades de onda de corte promedio entre 180 y 360 m/s.
De la Tabla 4.3, se tomó un factor de amplificación del suelo (S) igual a 2.00, correspondiente a la clasificación de suelo que se realizó; y, del mapa de isoaceleraciones de Nicaragua (Figura 4.25) se determinó una aceleración inicial máxima del suelo equivalente a 0.28g. Tomando en cuenta las ecuaciones definidas en el reglamento nacional para la construcción de espectros de respuesta, se obtuvo el siguiente espectro de pseudoaceleraciones para el sitio de estudio:
53
Figura 6.1 Espectro de respuesta sísmica para la ciudad de Granada, suelo tipo III
Del espectro obtenido se observó que los valores de máximas aceleraciones espectrales del suelo se experimentan para los periodos bajos y debido a la configuración estructural del INDO, es probable que dicho edificio presente modos de vibrar bajos, por lo que es posible que ante eventos sísmicos las aceleraciones sísmicas sean las más altas. No obstante, el espectro de la figura 6.1 considera únicamente la respuesta sísmica del suelo, pero en dependencia de la ductilidad la estructura es capaz de reducir los efectos de las fuerzas sísmicas, por lo que el espectro puede reducir significativamente las máximas ordenadas de las aceleraciones espectrales.
Según el RNC-con respecto a la ductilidad se debe seleccionar un factor de reducción por ductilidad (Q) en dependencia del sistema estructural. Puesto que el edificio corresponde a un sistema de marcos de concreto no arriostrados y con un sistema rígido de entrepiso para las losas entre nivel y azoteas se seleccionó un Q igual a 2.00, considerando que la estructura no cumple en su totalidad con los requisitos para ser considerada completamente dúctil según el capítulo 21 del ACI318 ya que no se efectuará la revisión y chequeo de todos los requerimientos y detalles de uniones establecidos por dicho código.
En cuanto a la irregularidad, debido a su configuración el INDO es considerado como una estructura que cumple con gran parte de los requisitos para estructuras regulares definidos en el código nacional. En el caso de las cargas, debido a los destinos de cada entre piso se tiene que los valores de carga muerta y carga viva por metro cuadrado son los mismos a diferencia únicamente de las áreas de azoteas. El área por nivel tampoco muestra grandes variaciones, únicamente para el último nivel donde la azotea se reduce a un área mucha menor q el de las otras dimensiones en planta. Cada columna se encuentra debidamente restringida en los entrepisos con un sistema de losa y trabes y la relación entre su máxima altura
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Ace
lera
cio
n e
spec
tral
a (
g)
Periodo estructural T (s)
Espectro segun RNC-07
54
y el ancho mínimo no es muy elevado. No obstante, si se incumple con la relación entre el largo y ancho del edificio debido a su estructuración en planta en forma de L. Por tanto, se adoptó un factor de reducción por irregularidad de 0.9 según lo descrito en el código nacional, por lo que se requiere modificar el factor de reducción por sobre resistencia a como se muestra:
El espectro de aceleraciones resultante debido a las reducciones por el sistema estructural se muestra a continuación:
Figura 6.2 Espectro de respuesta sísmica para el INDO, reducido por ductilidad y sobre resistencia
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Ace
lera
cio
n e
spec
tral
a (
g)
Periodo estructural T (s)
Espectro segun RNC-07 Suelo tipo III
55
6.2 CALCULO DE CARGAS DE SERVICIOS
Según el RNC-07, las cargas de servicio se tomaron considerando los pesos muertos descritos en el reglamento nacional de construcción para los materiales constructivos (concreto), además de incluirse el peso equivalente a las instalaciones presentes en la estructura como elementos eléctricos sanitarios y los materiales de cubierta (ladrillo) y acabados de las losas.
Con respecto a la carga viva, se consideró el valor propuesto por el código nacional para este tipo de destinos, de manera que la carga viva para el área de entrepiso destinadas a los salones de clase es distinta a la carga viva de azotea. En las siguientes tablas se muestran los valores de cargas adoptados por nivel:
Tabla 6.1. Carga Viva del Primer nivel
Destino CVMáx (Kg/m2) CVR(Kg/m2)
Salones de clase: Escuelas primarias, secundaria y
universidad 250
200
Tabla 6.2. Carga Muerta del Primer nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Ladrillo de Mortero ( 2 cm de espesor) 44
Mortero para pegar ladrillo 110
Losa (20 cm de espesor) 480
Repello y fino en el fondo de la losa 40
Total 694
56
Tabla 6.3 Carga Viva del Segundo Nivel, Área de aulas
Destino CVMáx (Kg/m2) CVR(Kg/m2)
Salones de clase: Escuelas primarias, secundaria y
universidad 250
200
Tabla 6.4 Carga Muerta del Segundo Nivel, Área de aulas
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Ladrillo de Mortero ( 2 cm de espesor)
44
Mortero para pegar ladrillo 110
Losa (20 cm de espesor) 480
Repello y fino en el fondo de la losa 40
Total 694
Tabla 6.5 Carga Viva de la Azotea del Segundo Nivel
Destino CVMáx (Kg/m2) CVR(Kg/m2)
Techos de losas con pendiente no mayor de
5% 100
40
57
Tabla 6.6 Carga Muerta de la Azotea del Segundo Nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Ladrillo de Barro (3 cm de espesor) 58
Mortero para pegar ladrillo 72
Losa (20 cm de espesor) 480
Repello y fino en el fondo de la losa 40
Total 670
Tabla 6.7 Carga Viva de la Azotea del Tercer Nivel
Destino CVMáx (Kg/m2) CVR(Kg/m2)
Techos de losas con pendiente no mayor de 5% 100 40
Tabla 6.8 Carga Muerta de la Azotea del Tercer Nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Ladrillo de Barro (3 cm de espesor) 58
Mortero para pegar ladrillo 72
Losa 480
Repello y fino en el fondo de la losa 40
Total 670
58
6.3 CÁLCULO DE PRESIONES DE VIENTO
Debido a su sistema estructural aporticado con mampostería confinada y una cubierta rígida (losa de concreto) con parapetos, el INDO resulta ser una estructura poco sensible a los efectos dinámicos del viento; por tanto, se consideró en base al artículo 45 del RNC-07 que la estructura corresponde al Tipo 1, de manera que para el análisis por viento se procederá a considerar únicamente los efectos estáticos del viento.
Figura 6.3 Vista en elevación de una de las fachadas del INDO, donde se aprecia características de edificaciones cerradas poco sensibles a las ráfagas de viento
Por otro lado, se verificó que la estructura cumple con el requisito de que la relación entre la altura del edificio y su dimensión menor en planta debe ser inferior a 5 a como se muestra a continuación:
Rugosidad del Terreno:
Se observó que el terreno de los alrededores del INDO corresponde a un suelo relativamente plano, con pocas obstrucciones a las ráfagas de viento constituidas principalmente por algunos árboles y edificaciones de altura relativamente baja, en la figura siguiente se muestra una fotografía satelital de las obstrucciones que se pueden observar en los alrededores:
59
Figura 6.4 Características del terreno en los alrededores del INDO
En base a la evidencia observada en campo y a la clasificación por rugosidad de terreno establecida en el artículo 50 del reglamento nacional de Nicaragua (MTI, 2007) mostrada en la Figura 4.29 se define que la rugosidad del terreno del sitio corresponde al tipo R2.
Velocidad Regional
de zonificación eólica de Nicaragua mostrado en la Figura 4.27 (incluye todo el departamento de Granada), por tanto se considerará la velocidad regional correspondiente para esta zona. Se consideró un periodo de retorno de 200 años, dado la importancia de la edificación, la cual se clasifica como estructura del Grupo A según el artículo 20 del código nacional vigente (RNC -07). Por tanto, en base a la Tabla 4.4, se obtiene que la velocidad regional para la zona de estudio corresponde a:
Factor de variación con la altura
Se adoptó una altura de análisis de 13 m para el efecto del viento correspondiente a un valor cercano a las elevación promedio del edificio en sus caras, para esta altura y en base al tipo de terreno se obtuvo de la Tabla 4.5 los factores
Por tanto, el factor de variación con la altura se estimó utilizando la siguiente expresión (MTI, 2007):
60
Factor correctivo por topografía y rugosidad
Anteriormente se mencionó que por medio de la visita de campo se identificó que los alrededores del INDO presentaban una topografía relativamente plana, por lo que conforme a la Figura 4.30 se determina que debido a la forma topográfica local, el sitio de desplante del INDO se ubica en el tipo T3 correspondiente a terrenos con ausencia de cambios topográficos importantes y pendientes menores al 5%. De la Tabla 4.6 se estimó que correspondiente a la topografía (T3) y rugosidad (R2), el valor del factor de topografía y rugosidad del terreno es:
Velocidad y Presión de Diseño
La velocidad de diseño a considerar para el análisis estático por viento corresponde a la variación de la velocidad regional debida a las condiciones locales del sitio (altura, topografía y rugosidad del terreno), dicho parámetro se estimó con la ecuación propuesta en el artículo 49 del reglamento de construcción de Nicaragua (MTI, 2007), al efectuar las sustituciones correspondientes se obtuvo que la velocidad de diseño por viento es:
La incidencia de las ráfagas de viento a la velocidad de diseño sobre la estructura genera presiones en las diferentes caras del edificio, las cuales son distribuidas sobre sus elementos resistentes. Dependiendo del sentido de iteración del viento, este puede generar presiones de empuje (Barlovento) o succión (Sotavento). En el caso específico de edificaciones cerradas con techos planos como el INDO, se considera una presión de empuje únicamente en la cara de barlovento y para las paredes laterales, de sotavento y techo se generan presiones de succión. No obstante, dado que el INDO presenta en las azoteas parapetos, se disminuye considerablemente el efecto del viento sobre los elementos estructurales resistentes del techo, de manera que para el análisis de viento se obviará el efecto de la succión en las azoteas. Para las demás caras del edificio se estimó el valor de presión de diseño utilizando la ecuación descrita en el artículo 53 del RNC- 07 (MTI, 2007) y los coeficientes locales de presión se obtuvieron de la Tabla 4.7. Las presiones de diseño para la altura propuesta son las siguientes:
61
Pared de barlovento Cp=0.8
Pared de sotavento Cp= -0.4
Paredes laterales Cp= -0.8
62
7. EJECUCION Y ANALISIS DE METODOS NO DESTRUCTIVOS
Con el fin de detectar las patologías presentes en el INDO en esta investigación se desarrolló únicamente métodos no destructivos, de esta forma se evitó la posibilidad de dañar o debilitar más la estructura con el empleo de técnicas no destructivas. En esta sección se presenta los resultados obtenidos de la fase ejecución o aplicación de los métodos no destructivos seleccionados, que fueron: inspección visual, análisis de carbonatación por medio de fenolftaleína, medición de fisuras con grietometro y prueba de resistencia a compresión del concreto con esclerómetro o martillo suizo.
7.1 INSPECCION VISUAL
En la inspección se observó la presencia de vegetación en las azoteas, y en algunas paredes expuestas al exterior. La humedad causada por este agente biológico, se filtró a las losas, vigas y columnas lo que ha originado el desprendimiento del concreto y la formación de cultivos de hongos a como se aprecia en las siguientes figuras:
(a) (b)
Figura 7.1 (a) Formación de hongos en vigas de entrepiso y (b) desprendimiento de recubrimiento en losas debido a humedad en el concreto
Además, se detectó la existencia de corrosión en el acero de refuerzo como consecuencia del envejecimiento, y por no tener el recubrimiento necesario. En la siguiente figura se muestra la exposición de varillas de refuerzo y estribos totalmente corroídos en una viga de entrepiso:
63
Figura 7.2 Acero de refuerzo principal corroído en vigas de entrepiso
Los mecanismos de fallas debidos a los agentes químicos o ambientales no fueron los únicos detectados. Además de las patologías mencionadas previamente se observó la presencia de fisuras y grietas. Sin embargo, debido a su orientación se descartó la posibilidad de riesgos de asentamiento o falta de rigidez en la estructura, por lo que las fisuras no son severas pero si pueden permitir la infiltración de humedad, la cual a posterior podría acelerar los procesos de corrosión del acero de refuerzo en las columnas y vigas fisuradas.
Figura 7.3 Fisura en columna de concreto en el área de pasillo del primer nivel
Debido al envejecimiento, a la falta de mantenimiento y a las características agresivas del entorno, las azoteas de techo del INDO, han quedado totalmente sin impermeabilizante, dando pase a la humedad que se ha filtrado en losas, vigas y columnas.
(a) (b)
Figura 7.4 Losas de techos sin impermeabilizante (a) losa del tercer nivel, (b) losa del segundo nivel
64
7.2 MEDICION DE FISURAS Y GRIETAS
Durante la inspección visual se detectó la existencia de fisuras y grietas en algunos de los elementos estructurales del INDO. Con el fin de evaluar el tipo de falla según el ancho y el alcance de estas se utilizó el grietometro para efectuar las mediciones correspondientes, posteriormente en dependencia del ancho de la separación se categorizo el daño a como se muestra en las siguientes tablas:
65
Tabla 7.1 Clasificación de grietas y fisuras según su ancho
Clasificación de las fisuras según su espesor (mm)
Ubicación por nivel
Clasificación
Descripción Micro-fisuras Fisuras Macro-
fisuras Grietas Facturadas Dislocación
e<0.05 0.1<e<0.2 0.2<e<0.4 0.4<e<1 1<e<5 e>5
Primero 0.9
Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Primero 1.4 El área afectada debe ser evaluada urgentemente
Primero 1.1 El área afectada debe ser evaluada urgentemente
Primero 1.5 El área afectada debe ser evaluada urgentemente
Primero 0.3
Pueden ocasionar repercusiones estructurales de importancia
Primero 0.05 Carecen de importancia
66
Tabla 7.2. Clasificación de grietas y fisuras según su ancho
Clasificación de las fisuras según su espesor (mm)
Ubicación
Clasificación
Descripción
Micro-fisuras Fisuras Macro-
fisuras Grietas Facturadas Dislocación
e<0.05 0.1<e<0.2 0.2<e<0.4 0.4<e<1 1<e<5 e>5
Segundo 0.8 Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Segundo 1.1 Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Segundo 0.05 Carecen de importancia
Segundo 0.2
Son pocas peligrosas, pero en ambientes agresivos puede ocasionar corrosión
Tercero 0.3
Pueden ocasionar repercusiones estructurales de importancia
Tercero 0.6 Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Tercero 1.5 El área afectada debe ser evaluada urgentemente
67
bla 7.3 Clasificación de grietas y fisuras según su ancho
Clasificación de las fisuras según su espesor (mm)
Ubicación
Clasificación
Descripción
Micro-fisuras Fisuras Macro-
fisuras Grietas Facturadas Dislocación
e<0.05 0.1<e<0.2 0.2<e<0.4 0.4<e<1 1<e<5 e>5
Tercero 1
Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Tercero 0.8
Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Tercero 0.6
Se debe proceder a realizar una rehabilitación temporal
Tercero 0.2
Son pocas peligrosas, pero en ambientes agresivos puede ocasionar corrosión
Tercero 0.05 Carecen de importancia
Tercero 0.4
Pueden ocasionar repercusiones estructurales de importancia
68
En general se observó que las fisuras y grietas existentes en el edificio no son estructurales y no comprometen seriamente la estabilidad del edificio, no obstante estas separaciones deben ser tratadas para impedir su crecimiento y en un futuro ocasionen un daño mayor, así mismo evitar infiltraciones de líquidos o humedad a los elementos estructurales.
7.3 ANÁLISIS DE CARBONATACIÓN
Con el fin de identificar los niveles de carbonatación del concreto en los elementos estructurales principales del INDO, se realizó ensayos sobre la superficie del concreto utilizando una solución líquida de fenolftaleína como agente reactivo. Se llevó a cabo un total de 100 pruebas en distintos puntos del edificio distribuidos entre vigas, columnas y losas, algunos de los cuales presentaban desprendimiento del recubrimiento de concreto y, por tanto, el acero de refuerzo se encontraba expuesto a la atmósfera.
En la viga perimetral del entrepiso localizada sobre el pasillo del primer nivel, por ejemplo, se observó que parte del recubrimiento se había desprendido. Se roció el agente reactivo sobre la superficie y luego de un tiempo se observó que no hubo ningún cambio de coloración incluso en la proximidad del refuerzo de acero, a como se aprecia en la siguiente figura:
Figura 7.5 Reacción con solución de fenolftaleína en viga perimetral del primer entrepiso
En contacto con un medio con un pH alto la fenolftaleína debería mostrar un cambio de coloración a violeta, lo que se debió haber observado en la superficie aplicada puesto que un concreto en condiciones ideales tiene un pH alto capaz de crear una capa pasiva que proteja el acero de la oxidación. En este caso, los resultados observados son congruentes con el estado del acero de refuerzo puesto que debido a que no se observó un cambio de coloración en la superficie se presume que esta se encuentra carbonatada y por este motivo el acero de recubrimiento muestra niveles altos de corrosión. También, se observó que el recubrimiento de concreto es demasiado bajo, inferior a una pulgada.
69
En el caso de las losas se aplicó fenolftaleína en los puntos críticos donde se observó exposición de acero y sus alrededores para evaluar el nivel de carbonatación de la zona afectada. En la figura 7.6 se muestra tres fotografías representativas de los resultados obtenidos en losas.
(a) (b) (c)
Figura 7.6 Reacción con solución de fenolftaleína en (a) losa del primer nivel (b) losa de segundo nivel y (c) losa del tercer nivel
Al igual que en las vigas, se observó descascaramientos del recubrimiento del concreto principalmente en las zonas de borde de las losas y el acero expuesto mostró niveles significativos de corrosión. En estas zonas no se observó cambio de coloración del reactivo por lo que indica la presencia de un medio con bajo pH y altos niveles de carbonatación.
Para las columnas ensayadas se observó en un inicio que el recubrimiento existente era mayor en comparación a lo detectado durante el ensayo de las vigas y losas. En la figura 7.7 se observa un recubrimiento de hasta 3 pulgadas. Luego de aplicar la fenofltaleína (figura 7.7b) se observó que la carbonatación en el concreto había penetrado hasta una profundidad de 2 pulgadas y en el área cercana al refuerzo principal aún se mantuvo un pH alto según se observó en el cambio de coloración de la muestra de concreto. Posiblemente esto se debe a que la profundidad del acero de refuerzo es mayor que en los otros elementos. No obstante el acero de la columna de la figura mostro corrosión debido a la exposición del mismo por el desprendimiento de una parte de la sección de concreto. Es posible que este desprendimiento se debió a algún medio mecánico como impacto, en este caso es posible que se requiera encamisar el elemento para evitar el incremento de la profundidad de carbonatación y rellenar el área que fue desprendida.
70
(a) (b)
Figura 7.7 Ensayo de carbonatación en una columna: (a) Medición de la profundidad del refuerzo (b) resultado de la reacción con fenolftaleína
7.4 EVALUACIÓN DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN POR PRUEBA DE MARTILLO SUIZO
Las propiedades de las secciones de concreto se evaluaron utilizando la prueba no destructiva del martillo suizo o esclerómetro, se realizaron ensayos tanto en las columnas, losas y vigas de los tres niveles del edificio.
En la Tabla 7.4, 7.5, 7.6, 7.7 y 7.8 se aprecia la resistencia promedio a la compresión obtenida del equipo para cada ensayo realizado.
71
Tabla 7.4 Resistencia a la compresión obtenida con el esclerómetro para las columnas principales
Eje Angulo Columna Cara G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 PROMEDIO RESISTENCIA
f'c (psi) MODULO DE
ELASTICIDAD
J
0°
J1
1 38 38 39 40 42 32 33 39 43 42 40 36 39 5,131 336665.69
0° 3 43 34 43 37 40 35 37 43 43 40 38 41 40 5,131 336665.69
0°
J3
1 41 26 23 31 35 33 28 23 34 36 33 41 32 3,114 262275.16
0° 4 27 27 25 25 27 28 30 24 30 22 30 29 27 2,028 211656.61
0°
J6
1 43 37 36 35 40 40 37 41 37 34 43 43 39 4,815 326133.94
0° 2 41 39 38 43 41 33 28 42 43 26 39 39 38 4,493 315040.27
K
0°
K13
1 39 43 40 41 34 41 40 40 36 39 38 40 39 5,131 336665.69
0° 2 41 42 43 40 39 37 39 38 31 34 36 41 38 4,805 325795.10
0°
K22
1 38 36 39 37 33 28 37 29 41 42 43 43 37 4,492 315005.21
0° 4 36 47 49 46 42 36 35 49 37 39 41 35 41 5,821 358588.75
H
0°
H26
1 39 30 31 37 35 34 31 31 39 47 44 38 36 3,904 293665.39
0° 2 37 32 39 43 40 38 36 41 39 38 41 39 39 4,805 325795.10
A
0°
A33
1 42 43 43 43 27 32 31 31 28 28 30 22 33 3,365 272640.51
0° 2 40 34 41 42 42 43 42 41 36 35 40 42 40 5,131 336665.69
L2
0°
L21
1 25 30 33 35 36 33 36 34 30 27 33 34 32 3,114 262275.16
0° 4 35 34 34 35 33 31 35 35 35 34 37 36 35 3,626 283016.50
0°
L24
1 34 39 31 35 39 34 35 34 31 36 37 31 35 3,629 283133.56
0° 4 39 40 38 35 31 41 36 39 33 28 33 36 36 3,904 293665.39
0°
L16
1 21 22 21 22 23 23 20 22 21 23 25 20 22 1,293 169004.05
0° 2 23 20 21 23 21 24 21 21 22 24 20 22 22 1,268 167362.24
0°
L6
1 22 22 21 20 25 26 24 22 23 26 21 24 23 1,302 169591.21
0° 4 22 23 22 21 20 26 25 22 21 20 20 22 22 1,246 165904.01
0° L2 1 25 25 22 20 26 26 26 24 29 26 24 22 25 1,506 182393.91
0°
L35
1 31 34 28 29 39 38 34 40 36 33 39 30 34 3,365 272640.51
0° 3 41 35 40 37 34 36 35 42 37 33 26 42 37 4,192 304304.58
0°
L41
1 42 42 41 40 39 42 39 36 42 35 36 38 39 5,131 336665.69
0° 3 41 39 43 41 37 36 35 33 34 41 40 40 38 4,805 325795.10
30
0°
(30)-5
1 28 36 28 40 40 35 21 43 35 39 41 42 36 3,629 283133.56
0° 2 37 33 33 36 32 35 33 31 31 41 43 38 35 3,904 293665.39
0°
(30)-2
1 24 15 13 19 14 26 30 38 33 24 35 38 26 1,670 192068.48
0° 2 26 25 21 28 24 26 25 30 18 16 24 25 24 1,506 182393.91
72
Tabla 7.5 Resistencia a la compresión obtenida con el esclerómetro para las columnas principales (continuación)
Eje Angulo Columna Cara G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 PROMEDIO RESISTENCIA
f'c (psi) MODULO DE
ELASTICIDAD
(L3)
0°
(L3)-1
2 40 37 33 43 42 34 33 39 41 43 43 37 39 5,131 336665.69
0° 4 31 24 34 41 43 42 39 33 38 38 43 42 37 4,492 315005.21
0° (L3)-7 3 31 29 27 29 32 28 27 25 27 27 27 22 28 2,028 211656.61
0°
(L3)12
1 25 29 29 30 24 27 27 24 23 26 22 25 26 1,670 192068.48
0° 2 24 23 26 23 24 25 28 24 26 27 24 24 25 1,506 182393.91
B
0°
(B3)-27
1 33 40 42 41 38 38 43 41 40 40 43 42 40 5,470 347609.41
0° 3 40 38 37 32 37 37 34 37 34 25 30 31 34 3,629 283133.56
D
0°
(D3)-27
1 35 27 40 40 35 33 33 36 32 26 35 40 34 3,904 293665.39
0° 4 24 20 21 24 22 23 22 25 26 24 25 24 23 1,353 172880.80
F
0°
(F3)-27
1 43 42 43 32 38 43 43 43 42 43 37 43 41 5,470 347609.41
0° 2 36 37 33 41 38 39 36 34 35 36 35 42 37 4,192 304304.58
El valor máximo de resistencia obtenido fue de 5,470 psi correspondiente a una columna del segundo nivel, se observó resistencias similares para otras columnas del primer y segundo nivel con valores variables entre 3,000 5,000 psi. La resistencia mínima obtenida fue de 1,246 psi correspondiente a columnas del área de escaleras de la parte de dos niveles. En promedio se obtuvo que la resistencia a compresión de columnas de 3,574 psi. Es de esperarse que debido el concreto ha disminuido su durabilidad debido a los años de servicio, se podría asumir que inicialmente las columnas fueron diseñadas para brindar una resistencia a la compresión en promedio cercana a los 4,000 psi, en este caso la perdida la durabilidad residual del concreto para columnas sería:
Las columnas aproximadamente han disminuido su durabilidad un 12%, por lo que el peso volumétrico en la sección equivaldría a un 88% de su valor inicial, teniendo un peso volumétrico residual de 2114 kg/m3.
Para la obtención del módulo de elasticidad del concreto, se hizo uso de la formula descrita en la sección 8.5.1 del ACI 318-08, para concretos de peso normal:
El módulo de elasticidad promedio para columnas es de: 273,983 psi De las pruebas realizadas con el esclerómetro a los elementos estructurales principales de vigas se obtuvieron los siguientes resultados.
73
Tabla 7.6 Resistencia a la compresión promedio en vigas calculadas con esclerómetro
Eje Angulo Vigas Cara G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 PROMED
IO f'c (psi) MODULO DE
ELASTICIDAD
1
90°
K-J Intermedia
2 37 43 39 43 40 35 28 32 38 42 24 39 33 2,993 257129.09
0° 1 27 30 30 32 29 32 35 34 28 28 32 33 28 2,646 241764.64
3 90° 3 Intermedia 2 39 40 31 35 32 42 32 34 42 38 33 36 33 2,993 257129.09
(4-5)
90°
5 Lateral
2 41 49 39 37 41 42 42 34 42 49 26 35 37 3,788 289269.63
0° 3 34 29 41 31 38 37 40 37 33 32 40 22 33 3,629 283133.56
9
90°
9 Intermedia
2 41 42 42 42 42 43 42 42 42 43 42 38 39 4,689 321838.48
0° 3 37 31 31 36 33 31 35 33 32 30 32 30 30 3,114 262275.16
(13-14)
90°
Lateral
2 28 31 26 31 28 24 28 24 26 24 26 28 25 1,283 168349.25
0° 1 21 14 21 22 20 25 15 18 18 20 23 28 18 951 144939.95
(27-28)
0°
28 Pasillo
2 26 28 28 24 17 22 25 27 25 27 22 23 23 1,506 182393.91
90° 3 38 33 36 36 38 36 42 39 36 39 35 38 34 3,244 267693.78
(L-K)2 90° 21 Pasillo 2 18 35 34 32 37 34 36 30 35 32 22 30 29 1,927 206318.76
(6-7)2 90° 5 Aula 2 36 36 36 33 36 34 33 31 34 29 31 33 31 2,316 226186.74
(2-3)2 90° 1 Intermedia 2 38 36 38 39 41 42 40 38 37 38 32 37 35 3,509 278413.02
(L-M)2 90° 37 Aula 2 26 26 18 24 21 26 27 20 21 22 20 31 21 1,302 169591.21
(L-M)3
90° 15
Intermedia
2 40 42 43 36 32 37 35 33 39 43 42 36 35 3,509 278413.02
0° 1 31 29 31 30 28 34 31 31 33 34 35 38 29 3,114 262275.16
(L-M)3
0° 7
Aula
3 27 33 22 30 28 35 27 30 24 27 25 32 26 2,223 221598.89
90° 2 30 29 29 28 25 29 28 32 30 32 33 35 27 1,749 196558.92
(27)2
0°
Lateral
1 35 31 30 34 24 30 30 30 28 25 21 22 27 2,223 221598.89
90° 2 42 42 43 40 40 39 42 41 40 42 43 36 38 4,081 300248.71
(27)1
0°
Lateral
3 34 33 33 32 35 28 29 35 34 27 33 28 29 2,874 251965.59
90° 2 39 39 37 39 42 40 39 41 41 36 40 42 36 3,788 289269.63
(7)2 90° Pasillo 2 40 28 36 42 34 42 42 42 39 39 34 36 35 3,509 278413.02
(27)1
0°
Lateral
1 32 34 34 35 35 34 28 26 27 37 36 33 30 3,114 262275.16
90° 2 40 38 29 38 37 31 38 43 37 42 43 40 35 3,509 278413.02
(H)2 90° Pasillo 2 35 23 32 34 35 34 33 30 32 43 40 43 31 2,529 236359.07
(20-21)1
0°
Lateral
3 37 40 39 37 36 39 38 36 39 38 38 40 35 4,805 325795.10
90° 2 43 38 39 43 42 42 40 39 42 43 42 42 38 4,089 300542.86
(F)3 0° Aula 3 32 33 36 34 34 32 32 37 30 35 28 33 30 2,316 226186.74
(D)3 90° Pasillo (27-28) 2 37 39 34 38 37 36 36 36 37 33 36 34 33 2,993 257129.09
(B)3 90° Aula 1 42 42 42 43 42 41 42 41 36 41 42 38 38 4,389 311372.78
74
Tabla 7.7 Resistencia a la compresión promedio en vigas calculadas con esclerómetro (continuación)
Eje Angulo Vigas Cara G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 PROMEDI
O f'c (psi) MODULO DE
ELASTICIDAD (18-19)1 0° Lateral 3 28 20 22 21 20 21 20 19 18 18 27 27 20 1,075 154099.81
(28-29)1
0° Interme
dia
1 22 25 23 23 24 27 21 21 28 25 18 26 21 1,353 172880.80
90° 2 32 30 29 29 35 35 31 32 30 31 32 31 29 1,927 206318.76
(27)1 0° Lateral 1 21 19 19 18 25 24 24 26 24 25 23 23 21 1,209 163422.18
(27-28)3
0°
Pasillo
1 19 27 38 32 26 26 26 27 33 27 27 24 26 1,844 201826.56
90° 2 33 38 31 37 34 36 32 40 31 38 32 28 32 2,529 236359.07
(27)3 0° Lateral 3 29 28 29 24 31 25 25 25 34 28 25 25 25 2,028 211656.61
( 27)3 90° Lateral 2 29 29 32 33 30 33 31 28 29 27 28 36 27 1,749 196558.92
El valor máximo de resistencia obtenido en vigas fue de 4,805 psi correspondiente a una viga lateral y la resistencia mínima fue de 951 psi. En promedio se obtuvo que la resistencia a compresión de vigas de 2,710 psi. Asumiendo una resistencia a compresión inicial de 3,000 psi la pérdida de durabilidad en los años ha sido de:
Las vigas han disminuido su durabilidad un 11%, por lo que el peso volumétrico en la sección equivaldría a un 89% de su valor inicial (2144 kg/m3). En este caso, el módulo de elasticidad promedio para vigas es de 239,949 psi.
Para las losas de concreto armado se obtuvo una resistencia a la compresión promedio de 2,105 psi y el módulo de elasticidad de 210,410 psi;. La máxima resistencia alcanzada fue de 5,821 psi correspondiente a un panel de losa del primer nivel y la resistencia mínima obtenida fue de 1,012 psi correspondiente a un panel de losa del segundo nivel. En la tabla 7.5 se muestra el detalle de las mediciones realizadas en las losas y los cálculos finales obtenidos.
75
Tabla 7.8 Resistencia a la compresión promedio calculado en losas según ensayo con esclerómetro
Angulo Nivel G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 PROMEDIO RESISTENCIA f'c (psi) MODULO DE
ELASTICIDAD
90° 1
31 29 32 34 32 39 29 33 42 42 35 40 35 2,529 236359.07
25 26 22 20 22 23 24 28 27 25 27 35 25 1,075 154099.81
33 28 26 24 27 31 31 29 26 30 30 32 29 1,420 177109.57
30 30 31 35 30 26 23 25 29 28 22 21 28 1,148 159246.10
34 35 26 26 35 27 35 28 29 31 29 25 30 1,749 196558.92
30 29 29 28 31 29 33 28 29 29 28 27 29 1,583 186998.58
35 32 31 31 36 34 32 33 31 34 31 35 33 2,316 226186.74
39 43 43 43 41 41 42 42 41 41 43 41 42 5,821 358588.75
40 36 37 40 40 36 38 37 34 37 30 38 37 2,993 257129.09
25 25 27 26 25 25 29 23 27 25 30 29 26 1,148 159246.10
90° 2
37 33 15 28 24 33 32 30 31 35 18 27 29 1,428 177607.77
36 32 32 33 31 35 31 31 30 25 30 30 31 1,927 206318.76
32 34 33 30 35 37 37 37 37 37 35 38 35 2,754 246649.27
27 37 27 23 22 34 32 26 31 22 26 25 28 1,148 159246.10
39 21 27 21 18 21 24 21 26 32 31 25 26 1,023 150326.54
21 24 25 27 26 28 29 28 26 24 24 21 25 1,012 149516.15
21 29 34 34 31 40 29 33 37 30 38 28 32 1,583 186998.58
33 31 38 35 37 41 41 38 26 29 36 32 35 2,521 235984.94
36 31 29 30 32 36 34 34 37 34 35 31 33 2,316 226186.74
32 34 32 38 37 30 28 39 27 34 35 36 34 2,316 226186.74
90° 3
34 31 39 24 35 31 30 33 34 26 32 37 32 2,116 216200.00
34 36 41 42 36 30 36 37 35 42 42 35 37 3,244 267693.78
40 35 35 35 35 38 30 32 31 32 31 31 34 2,529 236359.07
27 30 29 32 30 33 31 30 28 37 33 33 31 1,927 206318.76
37 38 36 37 40 38 26 40 36 39 34 36 36 2,993 257129.09
Considerando una resistencia inicial a la compresión promedio de 3,000 psi la perdida la durabilidad residual del concreto en losas sería:
En consecuencia, el peso volumétrico en la sección equivaldría a un 57% de su valor inicial, teniendo un peso volumétrico residual de 1379 kg/m3.
76
En resumen, se presenta los valores promedios finales de las propiedades mecánicas obtenidas con el esclerómetros para vigas, columnas y losas.
Tabla 7.9 Resumen de ensayos no destructivos con el esclerómetro
Elemento F'c promedio PSI
Ec promedio
PSI
Perdida de durabilidad
Peso unitario Kg/m3
Columnas 3,574 273,983 12% 2,114 Vigas 2,710 239,949 11% 2,144 Losa 2,105 210,410 43% 1,379
77
8. RESPUESTA DINAMICA DE LA ESTRUCTURA
Para el análisis dinámico se modeló la estructura del INDO en el programa ETABS 9.5, considerando las cargas, presiones de viento y espectro de diseño símico correspondiente al destino y características del sitio del edificio. Igualmente, se consideró los tamaños de secciones y las propiedades de los materiales, que se obtuvieron con el ensayo realizado con el esclerómetro (Resistencia del concreto, módulo de elasticidad, peso unitario).
Figura 8.1 Modelo numérico del INDO en ETABS
A través de los resultados obtenidos en el análisis dinámico, se detectó que la estructura actualmente no cumple con los requisitos de solicitaciones de cargas. Según el RNC, por ser una estructura del Tipo A, de gran importancia, las aceleraciones sísmicas se incrementan en un 50%, en esas condiciones la estructura actualmente no es capaz de cumplir con los requisitos de resistencia, un ejemplo se observó en el chequeo de columnas. La figura 8.2 muestra un detalle en elevación del análisis de las columnas en el eje L, se observa de manera general que las columnas correspondiente al primer, segundo y la mayoría del tercer nivel se encuentra trabajando por encima de su capacidad máxima. En la Figura 8.3 se observa un detalle de una de las columnas críticas, en ella se aprecia que para la combinación crítica (Combo #9: 1.2CM +1.0CV+Sx) la sección requiere una cantidad de acero que excede el máximo permitido para evitar el
78
congestionamiento de la sección, en ese caso se requiere un aumento de sección de manera que se permita incrementar la cuantía de acero para cumplir con los esfuerzos experimentados debido a las cargas de servicio y la fuerza sísmica. Este mismo comportamiento se observó en el resto de columnas principalmente del primer y segundo nivel.
Figura 8.2 Chequeo de secciones de concreto, eje L
79
Figura 8.3 Revisión de columna critica del primer nivel sobre eje L
Otro análisis que se llevó a cabo consistió en cuantificar las derivas o máximos desplazamientos de traslación por nivel. Se encontró que para un sismo en la dirección X-X se experimentan desplazamientos relativamente grandes por nivel. Para el primer nivel se tiene un desplazamiento máximo de 15.2 cm, para el segundo entrepiso la deriva es de 23.74 cm y finalmente para el tercer nivel el máximo desplazamiento es de 28.54 cm.
80
Figura 8.4 Máximos desplazamientos por nivel debido a sismo en la dirección X-X
Para el análisis de un sismo en la dirección Y-Y se observó un incremento en los máximos desplazamientos, resultando 21.03 cm para el primer nivel, 31.22 cm para el segundo y 38.27 cm para el tercer nivel.
Figura 8.5 Máximos desplazamientos por nivel debido a sismo en la dirección Y-Y
Esta diferencia en los desplazamientos se justifica debido a que la dirección Y-Y es la más débil de la estructura puesto que es donde se encuentra menos elementos resistentes en la dirección paralela al sismo, por el contrario en la dirección X-X debido a su configuración en planta hay una mayor cantidad de elementos resistiendo las fuerzas sísmicas por lo que los desplazamientos son menores en esta dirección de análisis.
81
Las revisiones y análisis dinámico llevado a cabo muestra que el edificio requeriría de intervenciones significativas para que pueda prestar servicio como un edificio Tipo A, principalmente debido a las altas solicitaciones a las que es sometida la estructura por razones de seguridad y durabilidad posterior a eventos sísmicos fuertes. En las condiciones actuales, los elementos estructurales principales (columnas) no satisfacen los criterios de diseño de secciones de concreto sometidas a sismos.
82
9. PROPUESTA DE INTERVENCION
9.1 CONSIDERACIONES GENERALES
Debido a la importancia que representa el antiguo edificio INDO, tanto en valor histórico como cultural para la ciudad de Granada, su recuperación toma gran relevancia. Sin embargo, en el capítulo anterior se determinó que la estructura actual no es capaz de cumplir con los requisitos estipulados en el código de construcción vigente, puesto que las solicitaciones sísmicas son demasiado altas para una estructura con un destino de gran relevancia. Por tanto, se decidió elaborar una propuesta en base a un cambio de destino de manera que la estructura no requiera ser sometida a solicitaciones sísmicas mayores de la de una estructura de importancia intermedia (Grupo B según RNC-07).
Por lo que se consideró un nuevo destino para el edificio como área de oficinas destinadas en el primer nivel para áreas de despacho y archivo, y el segundo y tercer nivel para áreas de despacho únicamente además del área de azoteas existente, considerando nuevas cargas las cuales se detallan a continuación:
Tabla 9.1. Carga viva del primer nivel
Destino CVMáx (Kg/m2) CVR (Kg/m2)
Oficinas: Despachos 250 100
Salas de Archivo 500 250
83
Tabla. 9.2 Carga muerta del primer nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Ladrillo de Cerámica ( 2 cm de espesor) 30
Bondex para pegar cerámica 10.8
Losa 480
Repello y fino en el fondo de la losa 40
580.8
Tabla 9.3 Carga viva del Segundo nivel
Destino CVMáx (Kg/m2) CVR (Kg/m2)
Oficinas: Despachos 250 100
Salas de Archivo 500 250
84
Tabla 9.4 Carga Muerta del Segundo Nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Ladrillo de Cerámica ( 2 cm de espesor)
30
Bondex para pegar cerámica 10.8
Losa 480
Repello y fino en el fondo de la losa 40
580.8
Tabla 9.5 Carga Viva de la Azotea del segundo nivel
Carga CVMáx (Kg/m2) CVR (Kg/m2)
Techos de losas con pendiente no mayor de 5%
100 40
Tabla 9.6 Carga Muerta de la Azotea del segundo nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Losa 480
Impermeabilizante 56
Repello y fino en el fondo de la losa 40
596
85
Tabla 9.7 Carga Viva de la Azotea del Tercer nivel
Carga CVMáx (Kg/m2) CVR (Kg/m2)
Techos de losas con pendiente no mayor de 5%
100 40
Tabla 9.8 Carga Muerta de la Azotea del Tercer nivel
Cargas Peso (Kg/m2)
Instalaciones Eléctricas 10
Instalaciones Sanitarias 10
Losa 480
Impermeabilizante 56
Repello y fino en el fondo de la losa 40
596
Se calculó un nuevo espectro de aceleraciones sísmicas en base a las características del nuevo uso propuesto para el edificio, en la Figura 9.1 se muestra tanto el espectro de aceleraciones del suelo y el espectro reducido por ductilidad de la estructura, se observa una fuerte disminución en las máximas ordenadas espectrales en relación al espectro calculado inicialmente en base a una estructura del grupo A
86
Figura 9.1 Espectro de respuesta sísmica para la ciudad de Granada, estructura grupo B, suelo tipo III
9.2 CHEQUEO Y DISEÑO DE COLUMNAS
9.2.1 Propuesta de secciones y área de acero de encamisado
El ACI318-08, en el artículo 21.6.3.1 indica que el área de refuerzo longitudinal, Ast no debe ser menor que 0.01Ag ni mayor que 0.06Ag.
Sin embargo, por criterio de diseño sísmico y según lo aconsejado por diseñadores, se recomienda utilizar . En la tabla 9.9 se muestra una propuesta nueva de sección basada en el análisis dinámico en ETABS. Inicialmente se muestra la sección original y un aproximado del acero correspondiente estimado en base a la cuantía mínima estipulado en el ACI, luego se detalla las dimensiones en centímetros de la sección propuesta y el acero requerido para la misma. Finalmente, la diferencia de acero entre la nueva sección y la original corresponde al área adicional requerida por encamisado detallándose el arreglo de varillas propuesto para alcanzar el área óptima de acero de la sección.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Acel
erac
ion
espe
ctra
l a
(g)
Periodo estructural T (s)
Espectro segun RNC-07 Suelo tipo III Suelo tipo III , Granada , Nic Reducido por Q = 1.8
87
Tabla 9.9 Cálculo de encamisado y reforzamiento de columnas
Nivel Columna Sección Original asumido As (cm2) Sección
propuesta
As requerido
según etabs (cm2)
Cuantía mínima
según ACI
Cuantía máxima
según ACI asumido As (cm2) As (cm2) requerida Refuerzo
Propuesto
Primero K-1 36x54 0.01 19.44 50x60 30 0.01 0.06 0.015 45 26 10#6
Primero J-1 36x54 0.01 19.44 50x60 30 0.01 0.06 0.015 45 26 10#6
Primero J-3 36x55 0.01 19.44 50x60 30 0.01 0.06 0.015 45 26 10#6
Primero K-6 33X33 0.01 10.89 50X60 30 0.01 0.06 0.015 45 34 12#6
Primero k-9 33x33 0.01 10.89 40x40 35 0.01 0.06 0.015 24 13 4#7
Primero K-13 33x33 0.01 10.89 40x40 28 0.01 0.06 0.015 24 13 4#7
Primero K-16 33x33 0.01 10.89 40x40 16 0.01 0.06 0.015 24 13 4#7
Primero K-21 33x33 0.01 10.89 40x40 16 0.01 0.06 0.015 24 13 4#7
Primero G-27 39X39 0.01 15.21 50x50 25 0.01 0.06 0.015 38 22 8#6
Primero B-27 39X39 0.01 15.21 50x50 25 0.01 0.06 0.015 38 22 8#6
Segundo L-7 27X30 0.01 8.1 40X40 16 0.01 0.06 0.015 24 16 6#6 Segundo-Escaleras L'-15 20x20 0.01 4 30x30 9 0.01 0.06 0.015 14 10 4#6 Segundo-Escaleras L"-14' 26X26 0.01 6.76 30x30 9 0.01 0.06 0.015 14 7 4#5
Segundo L-27 27x30 0.01 8.1 45x45 20 0.01 0.06 0.015 30 22 8#6
Segundo Entre L18-
L19 27x30 0.01 8.1 45x45 20 0.01 0.06 0.015 30 22 8#6
Tercero Entre L22-
L23 27x30 0.01 8.1 40X40 16 0.01 0.06 0.015 24 16 6#6
Tercero L-27 27x30 0.01 8.1 40X40 16 0.01 0.06 0.015 24 16 6#6
Tercero Entre L28-
L29 27x31 0.01 8.1 40X40 16 0.01 0.06 0.015 24 16 6#6
88
Como se están proponiendo secciones mayores a las existentes, el encamisado de las columnas del primer nivel se realizara desde la cimentación, las del segundo y tercer nivel no se picara la losa para el anclaje del encamisado, el encamisado se realizara solamente a la columna sin incrustar las varillas. Todos los encamisados se realizaran apuntalando los niveles que se intervendrán.
El concreto nuevo del recubrimiento del encamisado de las columnas será SIKAGROUT 202 (ver anexo Figura VI.IV, Figura VI.V, Figura VI.VI), usando un aditivo que facilite la adherencia del concreto viejo con el fresco SIKADUR_32 GEL (ver anexo Figura VI.I, Figura VI.II, Figura VII.III).
Ver detalles de secciones de columnas con encamisados propuestos en Anexo IV.
El resultado del nuevo moldeamiento, nos indica que con el nuevo destino y las secciones propuestas, el edificio cumple con las solicitaciones de cargas requeridas a como se muestra en las siguientes figuras:
Figura 9.2 Chequeo de Columnas del eje J
89
Figura 9.3 Chequeo de Columnas del eje K
Figura 9.4 Chequeo de Columnas del eje 27
90
Figura 9.5 Chequeo de Columnas del eje L
9.2.1 Chequeo de acero por diagramas de iteración
Para los elementos críticos se realizó una revisión manual de la cuantía de acero por medio del uso de diagramas de iteración con el fin de validar los resultados obtenidos en ETABS, utilizándose los diagramas de iteración mostrados en el apéndice A del Arthur Nilson (Nilson, 2004), los cuales según el autor, fuero retomados del ACI.
Del análisis dinámico se observó que la columna con mayor requerimiento de acero era la columna K-9 (Figura 9.6), se determinó la combinación de carga más crítica (Figura 9.7), y del programa se retomó los valores de momento y carga axial calculados (Figura 9.8) expresados en unidades del sistema inglés.
Figura 9.6 Eje K, columna crítica K-9
91
Figura 9.7 Combinación crítica para columna K-9
Figura 9.8 Esfuerzos internos para combinación crítica por sismo, columna K-9
92
Para el cálculo de la cuantía inicialmente se determinó el momento resultante a como se muestra:
La carga axial obtenida es de:
Las dimensiones de la sección con encamisado son:
Luego se procede a calcular los factores para entrar al diagrama de iteración:
93
Figura 9.9 Diagrama de interacción con una relación d/h = 0.90, concreto de diseño de 4000 psi y acero grado 60 (Nilson, 2004)
Al interceptar en el diagrama de interacción las ordenadas y abscisas correspondientes se obtiene una cuantía de:
Por tanto, el área de acero calculada es:
94
La sección original cuenta con un área total de acero asumido de 10.89 cm2, se propuso un encamisado con un arreglo de 4 varillas #7 que equivale a un área de 15.51 cm2, por lo que el área total de acero de la sección con encamisado sería:
Por tanto, se optó por aprobar la propuesta de encamisado de 4#7 puesto que se garantiza que la nueva sección cumple con la cuantía de acero requerida en base a la fuerza axial y momento con que trabajara la columna.
Este procedimiento se repitió para la columna J-1 puesto que correspondía a la sección más grande de concreto, pero no necesariamente era el elemento que más acero requería según ETABS, a como se aprecia en la siguiente imagen:
Figura 9.10 Eje J, columna J-1
95
Figura 9.11 Columna J-1, análisis de combinación crítica según ACI 318-08
Figura 9.12 Esfuerzos internos para combinación crítica por sismo, columna J-1
96
Para entrar al diagrama de interacción:
Intersectando los puntos en el diagrama de la Figura 9.9 se obtiene que en este caso la cuantía de acero es demasiado pequeña (inferior a 0.01), por lo que se asume por criterios de diseño, ya que según el capítulo 21 del ACI la cuantía no puede ser menor a 0.01 ni mayor a 0.06 del área de la sección. Estas columnas en el edificio actual corresponden a las mayores secciones y presentaron grietas y desprendimiento de concreto, por lo que aunque no serán sometidas a las mayores solicitaciones de las cargas factoradas, se opta igual por realizar un encamisado y reforzamiento ligero de las mismas con el fin de cumplir con los códigos de diseño y aumentar la durabilidad de las secciones actuales.
9.3 PROPUESTA DE REFORZAMIENTO DE VIGAS
De la inspección visual se observó que, en general, las vigas no presentaron patologías que evidenciaran daños severos que comprometieran sustancialmente la estabilidad estructural del edificio. No obstante puesto que se observó carbonatación y poco recubrimiento de concreto se optó por realizar un reforzamiento de las secciones incrementando el peralte efectivo con su respectivo recubrimiento, y se realizó un estimado de acero requerido para mantener una cuantía de acero congruente con las proporciones de la sección de concreto.
Se realizó una propuesta de reforzamiento en base a las secciones críticas observadas en la inspección visual, las cuales correspondía con las secciones con mayores requerimientos de acero de refuerzo según el modelamiento dinámico que se realizó en ETABS, las cuales se observan en la siguiente imagen:
97
(a)
(b)
Figura 9.13 Acero requerido para vigas según ETABS para viga crítica del eje J
98
(a) (b)
(c)
Figura 9.14 Acero requerido para vigas según ETABS para viga crítica del (a) segundo nivel en el área de aulas, (b) segundo nivel en el área de azotea y (c)
tercer nivel
De los valores obtenidos en ETABS se procedió a estimar el acero de las secciones originales de concreto basados en el acero mínimo requerido según las normativas del ACI, en la tabla 9.10 se muestra para cada viga crítica el área de acero requerido según ETABS para cada tramo del elemento, luego se presenta los valores mínimos de acero requerido utilizando tres criterios distintos definidos en el ACI, se consideró como condición dominante aquella que presentara un mayor requerimiento de acero mínimo.
99
Tabla 9.10 Cálculo de acero mínimo de refuerzo para vigas críticas
Nivel Sección Área de refuerzo
(cm2) Asmin1 Asmin2
Asmin3 Área de refuerzo Asumido (cm2) Chequeo de Porcentaje Acero
As (-) As (+) As (-) As (-) As (+) As (-) As (-) As (+) As (-) pmax pb pmax=0.75*pb preal
Primero 16X55 0.474 0.252 0.399 2.429 0.158 0.084 0.133 2.933 2.94 2.94 2.94 0.025 0.019 0.014 0.003
Primero 16x55 0.317 0.346 0.713 2.429 0.106 0.115 0.238 2.933 2.94 2.94 2.94 0.025 0.019 0.014 0.003
Segundo 16x35 1.223 0.532 0.836 1.546 0.408 0.177 0.279 1.867 1.9 1.9 1.9 0.025 0.019 0.014 0.003
Segundo 16X55 0.967 0.468 0.506 2.429 0.322 0.156 0.169 2.933 2.94 2.94 2.94 0.025 0.019 0.014 0.003
Tercero 16X28 0.624 0.21 0.244 1.237 0.208 0.07 0.081 1.493 1.5 1.5 1.5 0.025 0.019 0.014 0.003
100
En la tabla 9.11 se muestra las vigas críticas con el peralte propuesto, luego se presenta los valores mínimos de acero requerido utilizando tres criterios distintos definidos en el ACI, también se muestra el área de acero propuesto y el chequeo correspondiente de la cuantía con respecto a los valores máximos permitidos según define el ACI (0.025 ó 0.75pb). Los detalles del aumento de peralte en las vigas se muestran en ANEXO V.
Tabla 9.11 Cálculo de acero requerido y propuesta de reforzamiento de vigas
Nivel Sección Propuesta Asmin1 Asmin2 Asmin3 AsAsumido As
Requerido Refuerzo Propuesto
As de Refuerzo Propuesto
As total de
Seccion Propuesta
Chequeo de Porcentaje Acero
pmax Pmax= 0.75*pb
preal Chequeo
Primero 16 65 2.871 0.957 3.467 3.5 0.56 2#3 1.426 4.366 0.025 0.014 0.004 Ok
Primero 16 65 2.871 0.957 3.467 3.5 0.56 2#3 1.426 4.366 0.025 0.014 0.004 OK
Segundo 16 45 1.987 0.662 2.400 2.5 0.60 2#3 1.426 3.326 0.025 0.014 0.005 OK Segundo 16 65 2.871 0.957 3.467 3.5 0.56 2#3 1.426 4.366 0.025 0.014 0.004 OK Tercero 16 35 1.546 0.515 1.867 1.9 0.40 2#3 1.426 2.926 0.025 0.014 0.005
101
9.4. PROPUESTA DE REFORZAMIENTO DE LOSAS
La propuesta de intervención de losas consiste en colocar un recubrimiento aproximadamente de 3 cm en los paños que no lo tienen, con un concreto adecuado como es SIKAGROUT 202 (ver anexo Figura VI.IV, Figura VI.V, Figura VI.VI), usando un aditivo el cual facilite la adherencia del concreto viejo con el fresco como es SIKADUR_32 GEL (ver anexo Figura VI.I, Figura VI.II, Figura VI.III), también se reemplazara del acero corroído y expuesto por acero de las mismas dimensiones.
En las losas no se observaron grandes deflexiones, por tanto no es necesario disminuir los claros.
A continuación se muestra un detalle del reforzamiento en losas:
Figura 9.15 Detalle de losa de entrepiso
En las losas de azotea se debe eliminar y limpiar toda impureza y organismo vegetales, posteriormente quitar el ladrillo de barro, aspirar y lavar, e impermeabilizarlas con SARNAFIL F610-12 (ver anexo Figura VI.VII, Figura VI.VIII) y de esta manera evitar infiltraciones y el paso de la humedad a las losas de entrepisos, vigas y columnas.
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9.5. REVISIÓN DE PARÁMETROS DINÁMICOS
9.5.1 Análisis modal Por medio de ETABS se determinó los periodos y formas de vibración del edificio a partir del cálculo de la masa estructural actuante para cada modo posible. En la figura 9.16 se muestra los resultados obtenidos en el programa para 12 modos de vibración con los respectivos porcentajes de participación de masa en cada dirección de análisis:
Figura 9.16 Factores de Masa efectiva
De la figura 9.16 se observa que el mayor porcentaje de participación de masa ocurre en la dirección Y, para el primer periodo de vibración de la estructura. En consecuencia se asume que el periodo dominante corresponde al primer modo el cual es de 2.01 S, es decir cuando la estructura vibra con este periodo se alcanzan los mayores desplazamientos y se dan las máximos esfuerzos de los elementos estructurales.
La mayor participación de masas de las fuerzas se da en el eje Y (que es donde se alcanzan los mayores porcentajes en la figura anterior) la cual corresponde a la dirección donde se ubicó los ejes fuertes de las columnas, es decir los momentos de inercia mayores.
9.5.2 Desplazamientos Máximos
En cuanto a los desplazamientos máximos por nivel se efectuó una revisión para las dos direcciones de análisis (eje X y eje Y), considerando el efecto del sismo en cada dirección. En la figura 9.17 se muestran los diagramas de desplazamientos por nivel obtenidos en ETABS:
103
(a) (b)
Figura 9.17 Máximos desplazamientos, en centímetros, por nivel (a) dirección del eje X y (b) dirección del eje Y
En la figura 9.17 (a) se observa en color celeste los mayores desplazamientos que corresponden al eje X, el valor máximo de desplazamiento del nivel se da para el tercer entrepiso con un valor de 19.84 cm. Para el eje Y, que es donde anteriormente se observó que se daba la mayor participación de masa, el desplazamiento máximo es de 23.04 cm correspondiente al tercer nivel (Línea en color rojo, figura 9.17 (b).
Se observa que los desplazamientos obtenidos en el resultado del modelamiento dinámico son elevados, esto se justifica en el hecho de que no se consideró la rigidez que aportan los muros confinados entre vigas y columnas. Esto no se realizó, puesto que no se llevaron a cabo las pruebas pertinentes para determinar la resistencia de estos elementos, si se considerara la rigidez que aportan estos elementos, los desplazamientos podrían disminuir. Por lo tanto, para un futuro estudio en el INDO se deberá considerar la rigidez que aportan los muros y en caso de ser necesario se deberá de arriostrar los elementos si los desplazamientos resultasen altos.
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10. CONCLUSIONES
La edificación del INDO ha sido afectada por fenómenos importantes de degradación, entre los que más se destacan: Corrosión del acero, falta de recubrimiento, hongos, fisuras y grietas. Las patologías que presenta la estructura, pueden ser tratadas con técnicas de intervención que permitan preservarla por varios años con un debido mantenimiento preventivo y correctivo. Los elementos estructurales principales han disminuido su vida útil de servicio debido a que se obtuvo una pérdida de durabilidad expresada en las bajas resistencias a la compresión tanto en columnas, vigas y losas. Esto se vio reflejado en el análisis dinámico donde se obtuvieron desplazamientos significativos por nivel, y los elementos no cumplían con los requisitos establecidos en los códigos de diseño (RNC-07 y ACI 318s-08) para el caso de estructuras de gran importancia.
Con el fin de reutilizar la edificación, se requiere reforzar los puntos débiles de esta, con un encamisado en los elementos, como son columnas, las vigas que se encuentran en estado crítico se deben reforzar aumentado su peralte efectivo para dar una mayor resistencia y estabilidad a la estructura, en las losas, se debe de dar el recubrimiento adecuado a los paños que lo han perdido, y cambiar el acero de refuerzo más dañado ya que varios de estos elementos presentan una corrosión profunda. También, el nuevo uso del edificio deberá corresponder a una estructura que no requiera cumplir con altas exigencias sísmicas, es decir estructuras de importancia intermedia. En este caso se propuso un nuevo destino como área de oficinas, los espacios destinados a archivos de documentos deberían ubicarse en la planta baja con el fin de evitar que los mayores pesos se encuentren en los niveles superiores.
La viabilidad de la intervención, se justifica en el hecho de que las patologías observadas no han comprometido completamente la integridad estructural del edificio, puesto que ha logrado permanecer en pie luego de 5 años de inhabilitación, aunque sin la presencia de las cargas vivas generadas por el servicio. Por tanto las acciones de remoción no son requeridas, pero si se requiere el reforzamiento de la estructura existente. Si se aplican las medidas e intervenciones propuestas, contribuiría a mejorar la capacidad de carga del edificio y podría ser reutilizado para prestar servicio, lo cual es del interés de instituciones públicas en la ciudad de Granada. La esencia arquitectónica del INDO debe conservarse y las intervenciones propuestas tienen la única intención de reforzar y reparar los daños observados.
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11. RECOMENDACIONES
Es necesario realizar un estudio de respuesta sísmica del suelo en el sitio del INDO para determinar las propiedades dinámicas del suelo, como lo es el periodo o modo de vibración de manera que se pueda evaluar más acertadamente el efecto de un evento sísmico sobre la estructura del edificio considerando las condiciones reales del sitio.
Debido a que la estructura es antigua, sus materiales han perdido capacidad de carga, disminuyendo su durabilidad, por tanto se debe de aligerar pesos, con el fin de evitar que los materiales trabajen cerca de su estado de límite de carga. Esto se puede conseguir eliminando las paredes de mampostería internas del segundo y tercer nivel y remplazándolas con gypsum u otra partición liviana, eliminando también el ladrillo de barro utilizado para el piso en los entrepisos y azoteas, remplazándolo con cerámica o cualquier otro ladrillo de un menor peso específico.
En las fisuras y grietas existentes en el edificio, es necesario darle un tratamiento adecuado, para que no causen un daño mayor a la estructura. Se recomienda SIIKADUR -31 HI-MOD GEL (Ver anexo, figura VI.IX, Figura VI.X, Figura VI.XI). Con este producto se lograra sellar los espacios, evitando infiltraciones y el paso de la humedad al refuerzo principal.
En las secciones de columnas con encamisado propuesto del segundo y tercer nivel, realizar un detalle en cabeza de columna tipo Abaco, para contrarrestar el efecto de punzonamiento.
En los elementos que el concreto presente carbonatación se deberá aplicar una solución del aditivo FERROGAR-903 (Ver anexo, figura VI.XII, figura VI.XIII, figura VI.VX, figura VI.XV). Este producto garantizara la protección del concreto y del acero de refuerzo contra los ataques del medio ambiente.
Después de haber sido intervenida la estructura del INDO, se recomienda dar un mantenimiento continuo a la misma, para evitar futuros daños en la edificación.
106
12. BIBLIOGRAFÍA
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108
ANEXOS
ANEXO I. LEVANTAMIENTO FOTOGRAFICO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DEL INDO
(a) (b)
Figura I.I Losa de Terraza de concreto armado (a), azotea del tercer
nivel y (b) azotea del segundo nivel
Figura I.II Pared confinada de Mampostería de ladrillo cuarterón
109
(a) (b)
Figura I.III Estructura de ventanas: (a) abatibles de madera y (b) de vidrio con perfiles de aluminio
Figura I.IV Ladrillos de baldosas
Figura I.V Detalles de puertas
110
ANEXO II. PLANTAS ARQUITECTÓNICAS
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ANEXO III. SEÑALIZACION DE COLUMNAS A REFORZAR EN PLANTAS ARQUITECTONICAS
112
ANEXO IV. DETALLES DE SECCIONES DE COLUMNAS PROPUESTAS
113
ANEXO V. DETALLES DE SECCIONES DE VIGAS PROPUESTAS Y LOSA
114
ANEXO VI. FICHAS TECNICAS DE PRODUCTOS SIKA A UTILIZAR
Figura VI.I Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
115
Figura VI.II Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
116
Figura VI.III Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
117
Figura VI.IV Especificaciones de Producto SIKADUR GEL 32
118
Figura VI.V Especificaciones de Producto SIKAGROUT 202
119
Figura VI.VI Especificaciones de Producto SIKAGROUT 202
120
Figura VI.VII Especificaciones de Producto Sarnafil F610-12
121
Figura VI.VIII Especificaciones de Producto Sarnafil F610-12
122
Figura VI.IX Especificaciones de Producto Sikadur -31 Hi-Mod Gel
123
Figura VI.X Especificaciones de Producto Sikadur -31 Hi-Mod Gel
124
Figura VI.XI Especificaciones de Producto Sikadur -31 Hi-Mod Gel
125
Figura VI.XII Especificaciones de Producto Sika FerroGard -903
126
Figura VI.XIII Especificaciones de Producto Sika FerroGard -903
127
Figura VI.VX Especificaciones de Producto Sika FerroGard -903
128
Figura VI.VX Especificaciones de Producto Sika FerroGard -903