Metal19 - La NSR-10 by PROSPERTECH SA

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La NSR-10

en el reforzamiento de bienes patrimoniales Análisis, alcance y propuesta de intervención. Segunda entrega. Por Ing. Elizabeth Acero Matallana

La reglamentación actual contempla dos métodos de diseño para reforzamiento. El método por estabilidad que se propone como alternativa representa una solución que bien vale contemplar para estructuras patrimoniales. Guía de diseño.

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l literal A.10.9.2.5 es la herramienta que contempla la NSR-10 para el reforzamiento de un bien de interés cultural con el mínimo impacto posible y en concordancia con la autenticidad de los materiales y el contexto. No obstante, para darle sustento a esa mínima intervención es necesario analizar la estructura desde un método distinto a los dos avalados en la actualidad (de esfuerzos admisibles de trabajo y de resistencia última), pero sin desconocer los pasos que hoy establece la norma.

Propuesta de intervención: Método de estabilidad Siguiendo la metodología establecida por la reglamentación actual (NSR-10), los pasos que se consideran pertinentes y válidos se ajustan aquí para analizar y diseñar una edificación patrimonial. Estas son las modificaciones que se sugieren paso por paso.

Paso 1 Corresponde a la localización del riesgo sísmico y la aceleración pico efectiva para diseño (Aa). Para edificaciones de interés

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cultural, es válido y muy importante este paso, haciendo uso del parágrafo A.10.9.2.5.

Los grupos de uso han sido restringidos para bienes de interés cultural: I, II y parcialmente III, en la NSR-10.

PREDIMENSIONAMIENTO Y COORDINACIÓN CON LOS OTROS PROFESIONALES

De los mapas de zonificación sísmica (paso 1)

Diseño de edificaciones nuevas Definición del sistema estructural y de las dimensiones tentativas para evaluar las diferentes solicitaciones: masa de la estructura, cargas muertas, cargas vivas, efectos sísmicos y fuerzas de viento. El resultado y uso de esas dimensiones preliminares se coordinan con los otros profesionales que participan en el diseño.

Coeficiente de aceleración

Perfil de suelo

Coeficiente de sitio

Diseño de edificaciones nuevas Con las dimensiones de los elementos de la estructura definidas como resultado del paso 1, se evalúan todas las solicitaciones que pueden afectar la edificación de acuerdo con los requisitos del Título B del reglamento NSR-10. Estas incluyen: el efecto gravitacional de la masa de los elementos estructurales, o peso propio, las cargas de acabados y elementos no estructurales, las cargas muertas, las fuerzas de viento, las deformaciones impuestas por efectos reológicos de los materiales estructurales y asentamientos del suelo que da apoyo a la fundación. Asimismo se debe determinar la masa de la edificación y su contenido cuando así lo exija el reglamento. Esta información será empleada en la determinación de los efectos sísmicos, de acuerdo con los pasos siguientes.

S Periodo de vibración en segundos

Roca

b. Una familia de acelerogramas At t (s)

Grupos de uso

Coeficiente de importancia

Edificaciones declaradas patrimonio

EVALUACIÓN DE LAS SOLICITACIONES DEFINITIVAS

a. Un espectro de diseño

Superficie

Además de la coordinación con otros profesionales, es necesario establecer si la intervención está comprendida dentro del alcance dado en A.10.1.3. Si está cubierta, se deben realizar las etapas 1 y 2 de A.10.1.4 y, con esa información, ejecutar la etapa 3 de ese numeral.

Paso 2

Movimientos sísmicos de diseño expresados como:

Intervención de edificaciones existentes

Recopilación de información existente (geotécnica y estructural), proceso de construcción, posteriores modificaciones, exploraciones en la edificación, calidad de la construcción y estado de la estructura.

c. Resultados de un estudio de microzonificación

De acuerdo con la importancia para la recuperación con posterioridad al sismo

Paso 3 El sistema estructural equivale a muros de carga: mampostería no reforzada. Ante la ausencia de capacidad de disipación de energía, la NSR-10 únicamente permite mampostería no reforzada en zonas de amenaza sísmica baja, en el grupo de uso I. Se propone entonces que las edificaciones patrimoniales sean reconocidas ante la norma. Por lo tanto, se requiere un cuadro de disipación de energía para edificaciones patrimoniales. OBTENCIÓN DEL NIVEL DE AMENAZA SÍSMICA Y LOS VALORES DE Aa Y Av Diseño de edificaciones nuevas Este paso consiste en localizar el lugar donde se construirá la edificación dentro de los mapas de zonificación sísmica dados en el Capítulo A.2 del reglamento y en determinar el nivel de amenaza sísmica del lugar, de acuerdo con los valores de los parámetros Aa y Av obtenidos en los mapas de zonificación sísmica del Capítulo A.2. El nivel de amenaza sísmica se clasificará como alta, intermedia o baja. En el Apéndice A-4 se presenta una enumeración de los municipios colombianos, con su definición de la zona de amenaza sísmica, y los valores de los parámetros Aa y Av, entre otros.

Intervención de edificaciones existentes

Realizar la etapa 4 de A.10.1.4 para, entre otros aspectos, determinar una información real análoga a la exigida para edificaciones nuevas, pero con base en la edificación existente de acuerdo con lo indicado en A.10.4.2.6.

Dentro del alcance de la etapa 4 de A.10.4.1, para las edificaciones existentes los movimientos sísmicos de diseño se determinan de igual forma que para edificaciones nuevas, con la excepción de las edificaciones a las cuales el reglamento les permite acogerse al uso de movimientos sísmicos para el nivel de seguridad limitada para rehabilitación sísmica. Para el uso de movimientos sísmicos para el nivel de seguridad limitada debe consultarse A.10.9.23, el cual solo aplica a edificaciones declaradas como patrimonio histórico y bajo las condiciones impuestas allí. En este caso se permite el uso de Ae, en vez de los valores de Aa y Av tal como se indica en A.10.3.

Edificaciones declaradas patrimonio Se permite un nivel menor de seguridad sísmica A.10.3. Movimientos sísmicos de diseño con seguridad limitada Ae.

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Edificaciones declaradas patrimonio Se permite un nivel menor de seguridad sísmica A.10.3. Movimientos sísmicos de diseño con seguridad limitada Ae.

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Paso 4 Si el material estructural es la tapia pisada, adobe y/o la mezcla de ambos, se puede combinar con entrepisos y cubiertas de madera, ladrillo y piedra o solo ladrillo cocido. Este procedimiento es válido para bienes de interés cultural y muy aplicable a este tipo de edificaciones porque los grados de irregularidad en planta y en altura son un factor preponderante en la incidencia de la vulnerabilidad de una estructura. Además, por la altura de este tipo de edificios el método de la fuerza horizontal equivalente es muy cercano a lo que puede suceder. MOVIMIENTOS SÍSMICOS DE DISEÑO

Diseño de edificaciones nuevas Deben definirse unos movimientos sísmicos de diseño en el lugar de la edificación, de acuerdo con los requisitos del Capítulo A.2 del reglamento y, en el caso de edificaciones cubiertas por A.1.2.3.3, con los requisitos del Capítulo A.12, tomando en cuenta: (a) La amenaza sísmica para el lugar determinada en el paso 3, expresada a través de los parámetros Aa y Av, o Ad, según sea el caso, los cuales representan la aceleración horizontal pico efectiva y la velocidad horizontal pico efectiva expresada en términos de aceleración del sismo de diseño, (b) Las características de la estratificación del suelo subyacente en el lugar a través de unos coeficientes de sitio Fa y Fv, y (c) La importancia de la edificación para la recuperación de la comunidad con posterioridad a la ocurrencia de un sismo a través de un coeficiente de importancia I. Las características de los movimientos sísmicos de diseño se expresan por medio de un espectro elástico de diseño. El reglamento contempla descripciones alternativas del sismo de diseño, ya sea a través de familias de acelerogramas, o bien por medio de expresiones derivadas de estudios de microzonificación sísmica, las cuales deben determinarse siguiendo los requisitos dados en el Capítulo A.2.

Intervención de edificaciones existentes Se debe seguir el mismo procedimiento que para edificaciones nuevas. Para el caso de edificaciones declaradas como patrimonio histórico, y bajo las condiciones que lo permite A.10.9.25, se pueden utilizar los movimientos sísmicos para el nivel de seguridad limitada definido en A.10.3.

Edificaciones declaradas patrimonio Se pueden utilizar los movimientos sísmicos para el nivel de seguridad limitada.

Paso 5 CARACTERÍSTICAS DE LA ESTRUCTURACIÓN Y DEL MATERIAL ESTRUCTURAL EMPLEADO

Diseño de edificaciones nuevas El sistema estructural de resistencia sísmica de la edificación debe clasificarse dentro de uno de los sistemas estructurales prescritos en el Capítulo A.3: sistema de muros de carga, sistema combinado, sistema de pórtico, o sistema dual. El reglamento define limitaciones en el empleo de los sistemas estructurales de resistencia sísmica en función de la zona de amenaza sísmica donde se encuentre localizada la edificación, del tipo de material estructural empleado (concreto estructural, estructura metálica, mampostería estructural o madera) de la forma misma como se disponga el material en los elementos estructurales según esté en posibilidad de responder adecuadamente ante movimientos sísmicos como los esperados por medio de su capacidad de disipación de energía, de la altura de la edificación y de su grado de irregularidad.

Intervención de edificaciones existentes Dentro del alcance de la etapa 4 de A.10.4.1, para las edificaciones existentes se debe determinar, de acuerdo con las características del sistema estructural empleado originalmente en su construcción, una correspondencia con los sistemas estructurales que se permiten para edificaciones nuevas de acuerdo con lo prescrito en A.10.4.2.

Este procedimiento es válido para los bienes de interés cultural en general, para determinar la distribución de fuerzas sísmicas. Masa edificación Peso propio estructura Peso acabados Peso equipos permanentes

Masa de la edificación

Cortante sísmico en la base

g M

Características vibratorias de la estructura Masa Rigidez

Periodo de vibración

Movimientos sísmicos de diseño

Aceleración espectral

Distribución de las fuerzas sísmicas en la altura

Sa Vs

Parágrafo A.10.9.2.5 “Cuando se trate de intervenciones estructurales de edificaciones declaradas por la autoridad competente como patrimonio histórico, de conservación arquitectónica o de interés cultural, donde existan restricciones severas para lograr un nivel de seguridad equivalente al que el Reglamento exigiría a una edificación nueva o al que se obtendría al utilizar lo prescrito en A.10.4.2.2 para movimientos sísmicos de seguridad limitada, excepto que se trate de edificaciones pertenecientes al grupo de uso IV o cubiertas por los literales (a), (b), o (c) del grupo de uso III, tal como los define A.2.5, se permitirá un nivel menor

de seguridad sísmica siempre y cuando se justifique por parte del ingeniero diseñador y se acepte por parte del propietario, incluyendo dentro de los documentos que se presentan para solicitar la respectiva licencia de construcción, un memorial firmado en conjunto en el cual se incluyan las razones que motivan la reducción, el nivel de seguridad sísmica propuesto, y las medidas que se adoptarán para restringir el acceso al público en general o los procedimientos colaterales que se adoptarán para proveer seguridad apropiada a los ocupantes. Este memorial se debe protocolizar mediante escritura pública en Notaría”.

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Paso 6

Paso 8 GRADO DE IRREGULARIDAD DE LA ESTRUCTURA Y PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

ANÁLISIS SÍSMICO DE LA ESTRUCTURA

Diseño de edificaciones nuevas

Definición del procedimiento de análisis sísmico de la estructura de acuerdo con la regularidad o irregularidad de la configuración de la edificación, tanto en planta como en alzado, su grado de redundancia o de ausencia de ella en el sistema estructural de resistencia sísmica, su altura, las características del suelo en el lugar, y el nivel de amenaza sísmica, siguiendo los preceptos dados en el Capítulo A.3 del reglamento.

El análisis sísmico de la estructura se lleva a cabo aplicando los movimientos sísmicos de diseño prescritos a un modelo matemático apropiado de la estructura, tal como se define en el Capítulo A.3. Este análisis se realiza para los movimientos sísmicos de diseño sin ser divididos por el coeficiente de capacidad de disipación de energía (R) y debe hacerse por el método que se haya definido en el paso 6. Deben determinarse los desplazamientos máximos que imponen los movimientos sísmicos de diseño a la estructura y las fuerzas internas que se derivan de ellos.

Intervención de edificaciones existentes Se aplican los mismos principios que para edificaciones nuevas.

Edificaciones declaradas patrimonio Realizar análisis cualitativo, ir a ficha de inventario y a nivel de intervención permitido. Realizar análisis cuantitativo, por el método establecido por la NSR-10. Complementar la información de los dos análisis.

Intervención de edificaciones existentes Se debe cumplir lo indicado en la etapa 5 de A.10.1.4.

Paso 7 DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS SÍSMICAS

Los métodos de reforzamiento por estabilidad han sido implementados en otros países, considerando que las fallas por resistencia no son las más recurrentes. Las principales se dan por pérdida de integridad y conexión.

Diseño de edificaciones nuevas Obtención de las fuerzas sísmicas (Fs) que deben aplicarse a la estructura, para lo cual deben usarse los movimientos sísmicos de diseño definidos en el paso 4.

Intervención de edificaciones existentes Dentro del alcance de la etapa 4 de A.10.4.1, para las edificaciones existentes se determinan unas solicitaciones equivalentes a las de edificaciones nuevas, pero ajustadas a las propiedades de la estructura existente. Ver A.10.4.2.

Edificaciones declaradas patrimonio Usar método de esfuerzos admisibles o resistencia última, conscientes de que es un supuesto de que el material se esté comportando elásticamente o cuando se comportó así.

Análisis de la estructura para las fuerzas sísmicas de diseño empleando el procedimiento de análisis del paso 3

Desplazamientos de la estructura δ yi δ xi piso i

torsión accidental

Fuerzas internas de la estructura

Fix

fuerzas axiales momentos flectores

Fiy

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fuerzas cortantes torsión

Este procedimiento es válido para bienes de interés cultural, analizando la estructura mediante métodos cuantitativos dentro del rango elástico (puede contar cómo se comporta la estructura mientras se mantiene en ese rango).

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Paso 9 Para muros de mampostería no reforzada el coeficiente de disipación de energía es 1, el menor de todos los sistemas. Esto implica que no hay disipación de energía; es decir, que nunca pasa al rango inelástico, dada la ductilidad del material. Sin embargo, algunos investigadores consideran que sí hay disipación de energía en un menor grado en este tipo de edificaciones. Es importante anotar que en la NSR-10 se involucró el criterio de redundancia y que este es un factor importante para analizar el comportamiento estructural del edificio. DESPLAZAMIENTOS HORIZONTALES Diseño de edificaciones nuevas Evaluación de los desplazamientos horizontales, incluyendo los efectos torsionales de toda la estructura, y las derivas (desplazamiento relativo entre niveles contiguos), utilizando los procedimientos dados en el Capítulo A.6 y con base en los desplazamientos obtenidos en el paso 8.

Intervención de edificaciones existentes Se debe cumplir lo indicado en la etapa 9 de A.10.1.4.

Estabilidad contra resistencia Se pueden adoptar dos enfoques fundamentales para mejorar el desempeño sísmico de las construcciones de adobe: • Un diseño basado en la resistencia para tratar de fortalecer el material del adobe y las conexiones entre los muros cambiando la configuración estructural general, que puede hacerse agregando muros de corte o diafragmas. Presupone el comportamiento elástico del edificio y se centra en la aplicación de medios tradicionales para retardar la aparición de grietas. • Un diseño basado en la estabilidad, que se centra en el comportamiento general del edificio y procura asegurar la estabilidad estructural del mismo durante la fase inelástica y última. Las características del diseño basado en la estabilidad pueden reducir el potencial de daño estructural grave

y de colapso aún después de que los materiales hayan sobrepasado el límite elástico. El enfoque de la ingeniería convencional para la adecuación sísmica se basa en la resistencia; es decir, se proveen elementos estructurales como para resistir las fuerzas generadas por la respuesta elástica de la edificación durante un terremoto de diseño (definiéndose este como el grado de terremoto máximo que un edificio es capaz de resistir sin dejar de exhibir una respuesta elástica o reversible). Se entiende que las fuerzas generadas durante un evento sísmico mayor pueden exceder las generadas durante el terremoto de diseño. Sin embargo, también se presupone que las deformaciones no lineales del material y sus conexiones habrán de presentar una ductilidad suficiente como para disipar la energía adicional en caso de un terremoto mayor.

El segundo enfoque (el de un diseño basado en la estabilidad) se ocupa de manera específica de la respuesta inelástica postfisuración del edificio. La aplicación de este enfoque hace necesario comprender las características dinámicas de una estructura de adobe dañada como la aplicación de técnicas que eviten daños severos o colapso. Dicho enfoque considera la aparición de daños severos en las construcciones, y la estabilidad de los muros agrietados de la estructura con relación al colapso. Estas dos estrategias de diseño no son mutuamente excluyentes: el enfoque basado en la resistencia se ocupa del comportamiento elástico de la estructura, en tanto que el enfoque basado en la estabilidad se ocupa del comportamiento post-elástico de la misma. De hecho, ambos enfoques pueden ser complementarios.

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proyecto nacional

Paso 10

Adecuación basada en resistencia Sin adecuación

VERIFICACIÓN DE DERIVAS

Adecuación basada en estabilidad

Daños no reparables

Diseño de edificaciones nuevas Comprobar que las derivas de diseño obtenidas no excedan los límites dados en el Capítulo A.6. Si la estructura excede los límites de deriva calculada, incluyendo los efectos torsionales de toda la estructura, es obligatorio rigidizarla, llevando a cabo nuevamente los pasos 8, 9 y 10, hasta cuando cumpla la comprobación de derivas.

Paso 11 COMBINACIÓN DE LAS DIFERENTES SOLICITACIONES

Diseño de edificaciones nuevas Las diferentes solicitaciones que deben ser tenidas en cuenta se combinan para obtener las fuerzas internas de diseño de la estructura, de acuerdo con los requisitos del Capítulo B.2 del reglamento, por el método de diseño propio de cada material estructural. En cada una de las combinaciones de carga requeridas, las solicitaciones se multiplican por el coeficiente de carga prescrito para esa combinación en el Capítulo B.2. En los efectos causados por el sismo de diseño se tiene en cuenta la capacidad de disipación de energía del sistema estructural, lo cual se logra empleando unos efectos sísmicos reducidos de diseño (E), obtenidos dividiendo las fuerzas sísmicas (Fs) determinadas en el paso 7, por el coeficiente de capacidad de disipación de energía (R) (E = Fs R). El coeficiente de capacidad de disipación de energía (R), es función de: (a) El sistema de resistencia sísmica de acuerdo con la clasificación dada en el Capítulo A.3, (b) Del grado de irregularidad de la edificación, (c) Del grado de redundancia o de ausencia de ella en el sistema estructural de resistencia sísmica, y (d) De los requisitos de diseño y detallado de cada material, para el grado de capacidad de disipación de energía correspondiente (DMI, DMO, o DES), tal como se especifica en el Capítulo A.3.

B I Daños reparables H A

Intervención de edificaciones existentes Se debe cumplir lo indicado en la etapa 10 de A.10.1.4.

Índice de daños

G Severidad de terremoto

Gráfica del índice de incremento de daños versus la severidad del terremoto en estructuras sin reforzar (ABC), así como en estructuras reforzadas sobre la base de criterios de estabilidad (GHI) y criterios de resistencia (DEF).

Paso 12 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Diseño de edificaciones nuevas Se lleva a cabo de acuerdo con los requisitos propios del sistema de resistencia sísmica y del material estructural utilizado. Los elementos estructurales deben diseñarse y detallarse de acuerdo con los requisitos propios del grado de capacidad de disipación de energía mínimo (DMI), moderado (DMO), o especial (DES) prescrito en el Capítulo A.3, según corresponda, lo cual le permitirá a la estructura responder ante la ocurrencia de un sismo en el rango inelástico de respuesta y cumplir con los objetivos de las normas sismorresistentes. El diseño de los elementos estructurales debe realizarse para los valores más desfavorables resultantes de las combinaciones obtenidas en el paso 11, tal como prescribe el Título B de este reglamento.

Intervención de edificaciones existentes Se debe cumplir lo indicado en las etapas 8, 11 y 12 de A.10.1.4, donde se indica cómo interpretar la resistencia efectiva de la edificación a la luz de las solicitaciones equivalentes y cómo se define la resistencia a proveer para reducir la vulnerabilidad de la edificación, cuando es vulnerable, para diseñar la intervención de la estructura.

Intervención de edificaciones existentes Se debe cumplir lo indicado en las etapas 6 a 8 de A.10.1.4.

Edificaciones declaradas patrimonio La combinación de análisis cualitativo y cuantitativo por cualquiera de los métodos establecidos permite tomar decisiones más acertadas sobre la forma de disminuir la vulnerabilidad de la edificación.

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Edificaciones declaradas patrimonio Debe tenerse en cuenta que el índice de vulnerabilidad es contemplado para los sobreesfuerzos más altos y con este valor se considera el índice global. Este dato numérico no puede interpretarse como un valor general sino particular, para el peor escenario. El análisis cualitativo ayuda a tomar decisiones sobre el cómo reforzar, y el análisis cuantitativo, a entender dónde reforzar. Complementar estos dos métodos permite comprender el comportamiento del edificio.

Para edificaciones patrimoniales es necesario cambiar criterios de diseño y combinar métodos cualitativos, que muestren en dónde pueden estar las fragilidades del sistema, con los modos de ejecutarlos, que pueden leerse con la interpretación cuantitativa. Sin embargo, es necesario tener un criterio y conocimiento claro del comportamiento del edificio para definir el reforzamiento compatible con sus valores patrimoniales, es decir, lograr coherencia entre lo analizado en las fichas del inventario y lo estudiado cuantitativamente por la norma. FUENTES 1. Reglamento Colombiano de Construcción Sismorresistente. NSR-10. 2. Tesis de maestría: Aproximación al comportamiento estructural de las edificaciones en tierra de la arquitectura colonial. Consideraciones para el manual de inventarios del Ministerio de Cultura y la norma de sismorresistencia colombiana. Elizabeth Acero Matallana. Universidad Nacional de Colombia. 3. Guías de planeamiento e ingeniería para la estabilización sismorresistente de estructuras históricas de adobe. E. Leroy Tolles, Edna E. Kimbro, William S. Ginell. The Getty Conservation Institute.

Ing. Elizabeth Acero Matallana Ingeniera civil con Maestría en Conservación del Patrimonio Cultural Inmueble. Asesora del Instituto Distrital de Patrimonio Cultural IDPC.