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1. Introducción
1.1. Antecedentes
El Ecuador al encontrarse en el Cinturón de fuego del Pacífico es muy sensible a los constantes eventos sísmicos de variadas magnitudes debido a la convergencia de placas tectónicas y también está atravesado por la mega falla geológica denominada Guayaquil-Caracas [1]. Los movimientos sísmicos son eventos recurrentes y las probabilidades de que se presente nuevamente en estos sitios son relativamente altas.
El pasado 16 de abril de 2016, a las 18:58 horas aproximadamente, se produjo un movimiento sísmico con una magnitud de 7.8 grados en la escala de Richter cuyo hipocentro estuvo localizado frente a las costas ecuatorianas, a 29 Km de la ciudad de Muisne, provincia de Esmeraldas, a una profundidad de 19 Km, y sus efectos fueron sentidos en todo el país. Según los registros del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional en la estación de Pedernales (APED) se registró un valor pico de aceleración (PGA) de 13.803 m/s2 (1.407 g) [2]. Este valor casi triplicó el límite inferior de la zona VI del mapa de peligro sísmico de [3], por esta razón, motivaron a una revisión de la amenaza sísmica y la definición de un nuevo mapa de peligro sísmico, para la mejora del diseño sismo resistente, como también la implementación de nuevas metodologías de diseño y evaluación estructural.
El Ecuador actualmente se encuentra en proceso de actualización para los nueve capítulos del eje de Seguridad Estructural de la Norma Ecuatoriana de la Construcción. Parte de los trabajos, se han enfocado en mejorar el diseño sismo resistente de edificaciones con el aumento de la rigurosidad de los parámetros y requisitos mínimos de seguridad estructural, sobre todo en el diseño basado en desplazamiento y desempeño sísmico.
En el mencionado proceso de actualización no se ha considerado el diseño y evaluación basada en resiliencia, por tal motivo existe la necesidad de la implementación de esta metodología, considerando que Ecuador es un país con una alta vulnerabilidad sísmica, y de esta manera se podrá dar un paso más para estar a la vanguardia de la Ingeniería Estructural.
Ecuador no es un caso aislado, dado que se evidencia que países desarrollados como Japón y Estados Unidos, todavía no pueden implementar el concepto de resiliencia sísmica en un 100%, y así poder catalogar sus ciudades como resilientes. Sin embargo, es necesario reconocer su avance, que se convierte en un referente para lograr el objetivo de reducir tiempos de recuperación ante eventos sísmicos.
Para el efecto, el caso de estudio es un edificio de mediana altura de concreto armado, reforzado después del sismo de Ecuador del 16 de abril de 2016, se recopiló los datos utilizados para la evaluación estructural como; estudios geotécnicos, vibración ambiental, ensayos no destructivos, destructivos y resultados de análisis estructurales como parámetros de comparación y análisis de la propuesta planteada de reforzamiento.
Posteriormente se realizó un Análisis No lineal Estático (Push Over), junto con un Análisis No lineal Dinámico (Time History Analysis). Como resultado de los análisis se obtuvieron los desplazamientos máximos en el último piso, para el cálculo de derivas globales y derivas residuales, parámetro necesario para estimar el daño en elementos estructurales y no estructurales, como su desempeño sísmico.
Finalmente, se determinó el tiempo de recuperación funcional a través de un tiempo objetivo y un control de daño. Planteando una tabla con pesos de evaluación de valores ponderados correspondientes al proceso antes descrito se determina un índice de resiliencia.
A través del índice calculado, se realiza una calificación de la estructura para determinar qué tan resiliente es la edificación a un evento sísmico, de esta manera se categoriza entre 0 a 5 estrellas, como se detalla más adelante.
1.2. Estudios de evaluación Estructural realizados en 2016
Posterior al sismo del 16 de abril el gobierno de la República del Ecuador a través del Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda MIDUVI, contrató estudios para la evaluación estructural de edificaciones públicas y de alta concurrencia [4], de esta muestra de edificaciones se seleccionó un edificio de hormigón armado de 7 pisos de uso especial, con un reforzamiento estructural como caso de estudio de esta investigación.
La información de esta edificación se procederá a analizar y servirá de manera didáctica para determinar su correspondiente Índice de Resiliencia y posteriormente calificar qué tan resiliente es ante un evento sísmico.
1.3. Resiliencia Sísmica en el mundo
El concepto de Resiliencia sísmica nace a nivel mundial con la necesidad de tener la capacidad de recuperación ante los eventos catastróficos, que afecten la operatividad de las comunidades, tomando en cuenta las lecciones aprendidas post evento, se describe las acciones más destacadas para implementar la resiliencia sísmica como una metodología y optimizar el desempeño estructural.
1.3.1. Estados Unidos de Norte América
En 2015 en Oregón se realizó un Plan de resiliencia sísmica en el que revela brechas significativas entre el desempeño esperado de los sectores de infraestructura, basado en sus condiciones actuales y los niveles de desempeño deseables tomando en cuenta las necesidades de la comunidad y la recuperación económica.
Además, se plantea el triángulo de resiliencia de Oregón en comparación con otras ciudades con alto peligro sísmico, como Chile y Japón, y muestra que Oregón tiene una baja resiliencia a los terremotos [5].
Posteriormente en Estados Unidos existieron varias réplicas para hacer una política pública, la ocupación inmediata de las edificaciones posterior a un evento sísmico en la que el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST tuvo varias contribuciones:
En el 2016 publicó una Guía de Planificación de Resiliencia Comunitaria para Edificios y Sistemas de Infraestructura, en la misma, indica el Objetivo Nacional de los Estados Unidos, de preparación para los desastres indicado por la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA). Esta guía respalda ese objetivo al abordar el desempeño de los edificios y los sistemas de infraestructura para garantizar la salud y la vitalidad del tejido social y económico de la comunidad [6].
En el 2018 publicó una investigación que indica la importancia del desempeño de un edificio y su funcionalidad después de un evento natural y su amenaza, la cual dependen de múltiples factores, incluido el diseño original, la condición actual y la capacidad del edificio para resistir los riesgos que plantean los peligros. Para abordar esta brecha entre el rendimiento actual y el deseado de los edificios [7].
En 2020 el Consejo de Seguridad Sísmica de Edificios del Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción publicó un artículo científico en el que realiza una recopilación de disposiciones e indica que la política federal ahora exige aumentar la resiliencia ante terremotos a escala comunitaria e identifica los códigos y normas de construcción como herramienta principal. Para las condiciones actuales basadas en seguridad, los criterios para un nuevo edificio asignado a la Categoría de riesgo II deben garantizar que la probabilidad de colapso sea inferior al 10 por ciento, dado el MCER (Sismo Máximo Considerado para Riesgo Objetivo) específico del sitio: P(Colapso) < 10%, dado MCER.
También indica dentro de la capacidad y la demanda de una edificación, se debe plantear los tiempos de recuperación, a través de un tiempo objetivo de recuperación funcional [8].
México
En México se ha introducido ya el concepto de Resiliencia sísmica en la que existe un proyecto impulsando políticas públicas para obtener comunidades resilientes a eventos sísmicos, en la que la Universidad Nacional Autónoma de México UNAM es líder, llevando varios proyectos para desarrollar planes y programas para mejorar el desempeño sísmicos de los edificios y la rehabilitación estructural, y tener edificaciones seguras reduciendo afectaciones socioeconómicas [9].
En otro trabajo realizado en la UNAM resalta un concepto completo de resiliencia sísmica. El autor planteó examinar la capacidad de resiliencia de la infraestructura estratégica en ciudades densamente pobladas y ubicadas en regiones propensas a sufrir terremotos. Identificó la infraestructura importante vulnerable ante eventos sísmicos, se obtuvieron perfiles estratigráficos de las diferentes zonas sismogénicas existentes en el área de estudio y posteriormente se definieron curvas de fragilidad y funciones de recuperación apropiadas para cada tipo de infraestructura existente en el área de estudio. Con los espectros de respuesta obtenidos mediante el análisis probabilístico de respuesta de sitio, las curvas de fragilidad y funciones de recuperación anteriormente seleccionadas, se llevó a cabo la metodología propuesta evaluando distintos aspectos: pérdida de conectividad en la red de transporte, daños estructurales en hospitales y en inmuebles importantes, afectaciones en túneles, puentes, pasos a desnivel, puntos de alta demanda y en sistemas de transporte (metro, tren ligero y Metrobús) [10].
Chile
De la experiencia del caso chileno se destacan dos trabajos. Por un lado, en [11] toma en particular la experiencia que dejó el terremoto de Maule de 2010, que afectó a la zona centro y sur del país, para realizar recomendaciones más generales para la región.
Principalmente plantea 3 puntos importantes que se debe considerar para obtener estructuras resilientes:
Obtener datos fidedignos y de acceso público.
Aprender del daño y de lo que falla, como lo es también aprender de lo que sí funciona correctamente.
La implementación del concepto de resiliencia no solo a nivel de edificaciones si no a nivel Político-Institucional para obtener infraestructuras Resilientes.
Por otro lado, en [12] utilizan la relación Ho/Tcr donde, Ho es la altura de la edificación y Tcr es el primer periodo natural traslacional de la edificación en la dirección de análisis que se lo puede interpretar como el índice la rigidez y desempeño de los edificios a carga horizontal, según la Tabla 1.
En este artículo señalan que el desafío de los ingenieros estructurales en Chile es que las estructuras al menos una vez debe resistir el sismo de diseño en su vida útil y su desempeño debe ser de ocupación inmediata.
1.3.4. Ecuador
En Ecuador posterior al sismo del 16 de abril del 2016, el Gobierno de la república del Ecuador con el apoyo de la Agencia de cooperación Internacional del Japón JICA, trabajaron en el proyecto “Construcción de Ciudades Seguras y Resilientes contra Desastres Naturales por Terremotos y Tsunami” como uno los productos del componente 2, Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda MIDUVI en conjunto de la Academia, Gremios Profesionales y otros sectores, se publicó un manual para la regulación de procesos constructivos el contenido del mismo es una herramienta y un apoyo práctico para la construcción sismo resistente, con ejemplos de ordenanza, formularios de revisión, contenidos de planos y memorias estructurales y otros materiales didácticos, para que los Gobiernos Autónomos y Descentralizados puedan controlar el cumplimiento de los capítulos del eje de Seguridad Estructural la Norma Ecuatoriana de la Construcción, aportando a comunidades Resilientes. Dentro del proyecto antes mencionados se trabajó también con socialización del manual a la comunidad y se elaboró también un plan de implementación para la regulación de los procesos constructivos [13] y [14].
En [15] se evidenció que los autores, realizaron un diseño por desempeño y se calificó su resiliencia sísmica de una edificación de hormigón armado de 6 pisos, en el mismo se determinaron variables de decisión como: costos de reparación, tiempo de rehabilitación, fatalidades - heridos y carteles de seguridad; mediante un análisis dinámico lineal modal espectral se calcularán las demandas sísmicas, además de un análisis PUSHOVER, para obtener la curva de capacidad de la estructura, valores que servirán para el ingreso de datos en el software PACT del FEMA P-58. Finalmente lograr una certificación según el Consejo de Resiliencia de los Estados Unidos (USRC) en función de los resultados obtenidos.
Tabla 1 Rigidez de edificios representativos de la practica chilena
| Fuera de Rango | Flexible | Normal | Rígido | Fuera de Rango |
|---|---|---|---|---|
| H0=Tcr/11 | H0/Tcr: 11-21 | H0/Tcr: 21-43 | H0/Tcr: 43-80 | H0=Tcr.80 |
Fuente: Adaptado de [12].
Evaluación sísmica basada en resiliencia
Para realizar una propuesta de evaluación sísmica basada en resiliencia, este estudio consideró principalmente los tiempos de recuperación que debe tener una estructura de uso público o que necesite una operación inmediata posterior a un evento sísmico.
Para lo que, adicionalmente, se incluyó el control de los daños en elementos estructurales como no estructurales que pueden presentarse posterior a un evento sísmico.
2.1. Información de la Edificación, Evaluación y propuesta de Reforzamiento Estructural
El edificio para el caso de estudio está ubicado en la ciudad de Bahía de Caráquez, provincia de Manabí de la República del Ecuador. La edificación está compuesta de pórticos de hormigón armado con vigas banda, repartidos en una planta baja y 7 plantas altas, en su segunda planta alta tiene una piscina que afecta la estabilidad estructural. Como se indica en las Figs. 1a. y 1b. y 2.
Tabla 2 Resumen de prospección: Estado Actual, Ensayos No destructivos y destructivos
| Acción | Resultado | Observaciones |
|---|---|---|
| Inspección Visual | Daño severo aparente solo en elementos no-estructurales | Nivel de daño importante en mampostería |
| Suelo | Tipo D, T~0.523s, qa~44 t/m2 | Arenas limosas |
| Período estructura | Ttrans=0.95 [s], Tlong=0.89 [s], Ttor=0.73 [s] | Segundo modo torsional |
Fuente: MIDUVI, 2016.
A continuación, se muestra el resumen de los datos recopilados de [4] referente a los ensayos destructivos y no destructivos en la Tabla 2.
De la evaluación Estructural de [4] obtuvieron los siguientes resultados por métodos lineales estáticos.
En las Figs. 3 y 4 se observa [3]que las derivas de piso en el sentido “X” como en el sentido “Y”, de la edificación antes del reforzamiento, en la que superan considerablemente el límite permitido por la normativa vigente. También se identifica las derivas de piso posterior al reforzamiento estructural, claramente se visualiza el aumento de rigidez de la edificación donde se observa que disminuye los desplazamiento y derivas de piso.
Fuente: Adaptación de MIDUVI, 2016
Figura 3 Derivas de Piso estado Actual y Propuesta de Reforzamiento
2.2. Metodología de evaluación del Caso de Estudio
2.2.1. Modelamiento de la Edificación
Para realizar la simulación de la estructura del presente caso de estudio y efectuar los Análisis no lineales tanto estáticos como dinámicos, se definió en primer lugar los modelos constitutivos de los materiales: Para el acero se utilizó el modelo de Menegotto-Pinto, 1973 y para el hormigón se utilizó el de modelo no lineal de Mander ,1998, de esta manera permitió capturar el comportamiento no lineal de los mismos. Posteriormente se realizó la verificación de secciones y armadura de refuerzo, tanto de vigas, columnas, losas y muros de cortes. Previo al Análisis Estructural.
2.2.2. Análisis estructural No Lineal
Para el análisis Estructural No lineal se realizó los recomendados por [16], los cuales son los siguientes:
En el Push Over, se realizó para determinar los desplazamientos máximos definiendo los objetivos de desempeño mínimos según [17], para estructuras de alta concurrencia más 2 niveles de desempeño: Operacional y Ocupación Inmediata para una mejor visualización de los resultados. Como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Objetivos de Desempeños utilizados para el Análisis No lineal Estático
Fuente: Adaptado de [16]
Nota: (1-A) Operacional, (1-B) Ocupación Inmediata (3-C), Seguridad de Vida (5-D), Prevención de Colapso
Tabla 4 Factores de escalamiento y registros de aceleraciones del PEER
| Evento/Estación | RSN | Factor de Escala |
|---|---|---|
| Imperial Valley-06/EC County Center FF | 170 | 1.704 |
| San Salvador/National Geografical Inst | 569 | 0.986 |
| Imperial Valley-06/El Centro Array #4 | 179 | 1.421 |
| Imperial Valley-06/El Centro Array #7 | 182 | 1.207 |
| Parkfield-02, CA/Parkfield - Cholame 1E | 4098 | 1.654 |
| Imperial Valley-02/El Centro Array #9 | 6 | 1.955 |
| Erzican, Turkey/Erzincan | 821 | 1.071 |
| Imperial Valley-06/Delta | 169 | 1.793 |
| Superstition Hills-02/Westmorland Fire Sta | 728 | 1.882 |
| Imperial Valley-06/El Centro Array #6 | 181 | 1.452 |
| Westmorland/Westmorland Fire Sta | 319 | 1.199 |
Fuente: Los autores
Se aplicó una carga impuesta de 100 kN, definida en función de la carga vertical y el desplazamiento objetivo definidos según [16], necesaria para llegar a la falla del edificio, la misma que se distribuye uniformemente en todos los nudos tanto en la dirección “X” como en la dirección “Y” definiendo un desplazamiento objetivo.
Para el Análisis No lineal Dinámico se realizó la selección de 11 pares de registros de aceraciones sísmicas, con estas aceleraciones se determinó sus respectivos espectros de respuesta identificados con RSN y un espectro objetivo en este caso el correspondiente a &0#91;3], como se muestra en la Fig. 5.
Acorde a las recomendaciones de [16] se realizó el escalamiento de los espectros RSN al Espectro objetivo, de esta manera se obtuvieron los factores de escala que se indica en la Tabla 4.
Los factores de escalas calculados se los ingresó en el programa de análisis estructural y determinar los desplazamientos del Edificio y los demás resultados.
3.1. Análisis No Lineal Estático (Push Over)
Posterior al análisis Push Over se muestra a continuación la deformación de la edificación tanto en la dirección “X” como en la dirección “Y”, además se observa la formación de rótulas plásticas en vigas, cabeza y pies de columnas. En la figura 6 a y 6b. se puede visualizar la clave de colores que permite apreciar los daños producidos por la carga horizontal representando el sismo estático.
A continuación, en la Figura 7 se muestra la curva de Capacidad, Fuerza vs. Desplazamiento en el sentido “X”.
Se puede observar que el edificio tiene un comportamiento inelástico a partir del desplazamiento 0.007m, además, se puede visualizar que los niveles de desempeño están en el rango inelástico. En la curva bilineal se observa que los niveles de desempeño: Operacional y Ocupación Inmediata, están en los rangos elásticos y los niveles de desempeño Seguridad de Vida y Prevención de Colapso, están en el segundo tramo de la curva bilineal correspondiente al rango inelástico.
De la misma manera se presenta la curva de capacidad en el sentido “Y”, como se muestra en la figura 8.
Se observa que la edificación tiene un comportamiento inelástico a partir de 0.0074 m y los niveles de desempeños se producen en el rango inelástico de la curva. En la curva bilineal en este caso los tres niveles de desempeño Operacional, Ocupación Inmediata, Seguridad de Vida están en el rango elástico y el nivel Prevención de Colapso están en la parte inelástica. Al comparar las dos gráficas se aprecia que en la dirección Y tiene una mayor ductilidad por esta razón se generan mayores desplazamientos para cada nivel de desempeño.
Los valores de desplazamiento de los niveles de desempeño ocupación inmediata para un sismo del 20% de excedencia en 50 años, serán los utilizado para calcular las derivas globales como se muestra en la Tabla 5, debido que este es el desempeño que debe tener una edificación para minimizar los daños y la recuperación funcional sea inmediata siendo así una estructura resiliente.
Tabla 5 Derivas Globales para el análisis Estático No Lineal (Push Over)
| Derivas Globales | ||
|---|---|---|
| Nivel de Desempeño | Dirección “X” (%) | Dirección “Y” (%) |
| Operacional (1-A) | 0.040 | 0.160 |
| Ocupación Inmediata (1-B) | 0.050 | 0.200 |
| Seguridad de Vida (3-C) | 0.070 | 0.260 |
| Prevención de colapso (5-D) | 0.080 | 0.310 |
Fuente: Los Autores
Con esta información de derivas globales se realizará la evaluación para la estimación de daño y posterior ponderación para el índice de resiliencia de la edificación.
3.2. Análisis No Lineal Dinámico (Time History Analysis).
Del análisis de la estructura con los 11 pares de sismos se determinó el desplazamiento máximo en el último piso con el sismo de Imperial Valley-06/El Centro Array #6 tanto en la dirección “X” y la dirección “Y” como se muestran en las Figs. 9 y 10.
A continuación, se observa la formación de rótulas plásticas en vigas, muros en la planta baja y la fluencia de los elementos como se indica en la clave de colores que se muestra en la Fig. 11.
Tabla 6 Derivas Globales y Residuales del Análisis Tiempo Historia
| Derivas Análisis tiempo Historia | |||
|---|---|---|---|
| Deriva Global % | Deriva Residual % | ||
| DgX | DgY | DrX | DrY |
| 0.0115 | 0.0233 | 0.000650 | 0.00035 |
Fuente: Los Autores
Con los resultados de este análisis se determinó los desplazamientos máximos en el último piso, realizando un promedio de los 11 análisis en cada dirección, para el cálculo de las derivas globales, posteriormente se calcularon derivas residuales con los valores de desplazamiento residual al final del registro sísmico, en la Tabla 6 se indica los valores de las derivas mencionados.
Como se puede observar las mayores derivas globales son en el sentido “Y”, sería una alerta para optimizar y mejorar el diseño del reforzamiento estructural.
Estimación de daño
Para la estimación de daño se realizó en los elementos estructurales y los elementos no estructurales como se detalla a continuación.
3.3.1. Elementos no estructurales
Los límites de deriva para la comparación y determinación de daño en elementos no estructurales son acordes a la Tabla 2-1 correspondiente a los límites de deriva de piso para diferentes niveles de desempeño en edificios considerando elementos no estructurales de [18], en la que indica que el límite de deriva para DS1: Ocupación Inmediata para Edificios con elementos no estructurales dúctiles es 0.7%. El nivel de DS1 corresponde a daño leve, Desempeño que se define como requisito a una edificación para considerarla resiliente.
Con este parámetro se realizó la comparación con las derivas globales para cada análisis estático y dinámico tanto para el caso lineal y no lineal, para determinar su estado de Daño, como se muestra en la siguiente Tabla 7.
Tabla 7 Estimación de Daño en función de Derivas Globales
| Análisis Lineal Estático | |
|---|---|
| Chequeo con DgX | Daño Leve |
| Chequeo con DgY | Daño Moderado |
| Análisis Lineal Dinámico | |
| Chequeo con DgX | Daño Leve |
| Chequeo con DgY | Daños Leves |
| Analisis No Lineal Estático (Push Over) | |
| Chequeo con DgX | Daño Leve |
| Chequeo con DgY | Daño Leve |
| Analisis No Lineal Dinámico (Time Hystory 11 Pares de Sismos) | |
| Chequeo con DgX | Daño Moderado |
| Chequeo con DgY | Daño Excesivo/Completo |
Fuente: Los Autores
Esta estimación de daño se reflejará en la calificación de la estructura para determinar su índice de resiliencia.
Elementos Estructurales
Para los elementos Estructurales y siguiendo los lineamientos de [18], para estimar el daño, el parámetro de comparación son las derivas residuales, teniendo como valor límite para el nivel DS1: Ocupación Inmediata 0.2%, por lo que al realizar la evaluación con los resultados del análisis se determina que los elementos estructurales tienen un daño es leve.
De la misma manera siguiendo las recomendaciones [19], de la tabla C-1 para la estimación de daño en función de la deriva residual, indica que para DS1: Operacional tiene un límite del 0.2% y para DS2: Ocupación Inmediata, tiene un límite 0.5%, los cuales son desempeños necesarios para una estructura resiliente. Comparando con derivas residuales obtenidas del análisis dinámico no lineal, se tiene un valor menor al límite, por lo que el daño de los elementos estructurales es Leve.
También se realizó una estimación de daño para derivas globales según las recomendaciones de [20], en la que plantea curvas de fragilidad para la determinara la probabilidad de daño en función de la deriva de piso.
En la Fig. 12. Se muestra mencionadas curvas y los valores.
Tabla 8 Probabilidad de daño y Nivel de desempeño
| Nivel de Daño | Probabilidad de Daño “X” | Probabilidad de Daño “Y” |
|---|---|---|
| DS0.5: No conocido | 0.00% | 0.00% |
| DS1: Leve | 10.00% | 25.00% |
| DS2: Moderado-OI | 2.00% | 45.00% |
| DS3: Excesivo-SV | 0.00% | 2.50% |
| DS4: Completo PC | 0.00% | 2.50% |
| Mayor Probabilidad de Daño | 10.00% | 45.00% |
| Resultado de Desempeño | DS1: Leve Operacional | DS2: Moderado Ocupación Inmediata |
Fuente: Los Autores
Con estos valores se determinó la probabilidad de daño para cada nivel de desempeño tanto en la dirección “X” como en la dirección “Y”, en la que se obtuvo la Tabla 8.
Como se observa en la tabla anterior la mayor probabilidad de Daño corresponde a Leve en la dirección “X”, y Moderado para la dirección “Y” y los niveles de desempeño obtenidos son Operacional para “X” y Ocupación Inmediata para la dirección “Y”.
Con todos esto parámetros de estimación de daño y desempeño sísmico procedemos a calcular los tiempos de recuperación funcional y el Índice de Resiliencia.
3.4. Índice de resiliencia
Para definir el índice de resiliencia y determinar qué tan resiliente es la edificación del caso de estudio, se utilizaron dos parámetros importantes según las recomendaciones de [21], la primera indica que una estructura es resiliente, si la probabilidad de colapso es menor del 10% dado el MCER, (Máximo Sismo Considerado para un riesgo objetivo), para la evaluación de este parámetro se consideró el sismo de diseño, debido que en el país no se dispone de estos datos, y se revisa el valor obtenido en de la probabilidad de colapso DS4 de la Tabla 8 de la anterior sección.
El segundo indica que se debe plantear un tiempo de recuperación objetivo dependiendo de la categoría de la estructura, para el caso de estudio es Categoría III de uso Especial, Con esta consideración se plantea la Tabla 9 correspondiente al tiempo objetivo de recuperación según [8] y [22].
Par el nivel de DS2: Daño Moderado y Categoría III corresponde el tiempo objetivo de recuperación de 15 días y nivel de desempeño Ocupación inmediata.
Para la determinar el tiempo de recuperación funcional en función del tiempo objetivo se utilizó las recomendaciones de [23], en la tabla del A3 correspondiente a la Distribución de probabilidad de los tiempos de reparación de los estados de daño como se muestra en la Fig. 13.
Tabla 9 Tiempo Objetivo de Recuperación en días
| Categoría | DS1: Leve | DS2: Moderado | DS3: Excesivo | DS4: Completo |
|---|---|---|---|---|
| IV | 0.04 | 1 | 7 | 30 |
| III | 7 | 15 | 30 | 60 |
| I-II | 15 | 30 | 60 | 150 |
Fuente: Los autores, adaptado de [23] .
Figura 13 Probabilidad de Recuperación Funcional con un tiempo objetivo
Tabla 10 Probabilidad de recuperación funcional en función del daño
| Estado de Daño | Porcentaje de Recuperación Funcional |
|---|---|
| DS1: Leve | 40.00% |
| DS2: Moderado-OI | 6.50% |
| DS3: Excesivo-SV | 3.50% |
| DS4: Completo P.C. | 1.50% |
| Mayor Probabilidad | 40.00% |
| Funcional a Daño | DS1: Leve |
Fuente: Los Autores
Como se puede apreciar en la gráfica se ingresa el valor del tiempo objetivo, para determinar las probabilidades de funcionalidad correspondiente a cada estado de daño, obteniendo como resultado un 40 % de probabilidad que la edificación se puede recupera a un daño leve y un 6.5 % a un daño moderado si mi tiempo objetivo es de 15 días. Lo cual se resume en la Tabla 10.
Con este estado daño Leve, se realiza una comparación con los daños obtenidos en función de las derivas globales y residuales según las recomendaciones [18-20]. Para su posterior calificación.
Por ejemplo, con la estimación de daño de la Tabla 8, se obtuvo que en la dirección “X” la Edificación tiene un daño leve por lo que obtiene la máxima puntuación, sin embargo, en la dirección “Y”, tiene una Daño Moderado por lo que su calificación no será la máxima si no según la tabla de ponderación que se muestra en Anexo 1.
Todos los parámetros descritos en el punto 3 de este documento, se resumen en una tabla de evaluación y determinación del Índice de Resiliencia (IR), cuyo procedimiento se detalla en el Anexo 1.
Para la calificación de la estructura y la obtención del mencionado Índice se aplican 12 pesos de evaluación que se les asigna una ponderación correspondiente a valores máximos, mínimos y si cumple con ciertos requisitos de desempeño, según el caso. Principalmente y los mayores pesos de Evaluación corresponde a la ponderación de los parámetros de resiliencia.
A continuación, se describe brevemente lo que corresponde a cada peso de evaluación:
El peso 1, califica con el puntaje máximo si se han realizado Estudios Geotécnicos, Estáticos y Dinámicos.
Para el peso 2 de igual manera se califica la edificación en función de los periodos de la estructura, para determinar su rigidez y desempeño sísmico.
En los pesos 3, 4, 5 y 6, tiene un valor de ponderación máximo, si se realiza el Análisis Estructural estático y dinámico tanto lineales como no lineales, para el cálculo de desplazamientos máximos en el último piso, derivas globales y residuales correspondiente a cada análisis.
En los pesos 7, 8, 9, y 10 se determina el desempeño de la estructura y se estima el daño en función de las derivas calculadas en los pesos anteriores, tendrán el puntaje máximo si el nivel de desempeño de la edificación corresponde a Operacional.
Finalmente, en los pesos 11 y 12 corresponde a los Parámetros de Resiliencia descritos anteriormente siendo este peso de evaluación que tiene mayor ponderación. Lo antes mencionado se resume en la Tabla 11.
También en la Tabla 11 se muestra la calificación de la estructura del caso de estudio una vez realizada la evaluación con todos los pasos antes descritos con un valor de 9.23 /10.
Tabla 11 Resumen de evaluación para Índice de Resiliencia Sísmica
| Pesos de Evaluación | Descripción | Ponderación | Calificación |
|---|---|---|---|
| 1 | Estudios Geotécnicos | 0.20 | 0.20 |
| 2 | Periodo/Rigidez | 0.1 | 0.09 |
| 3,4,5,6 | Análisis/Evaluación Estructural | 0.7 | 0.7 |
| 7,8,9,10 | Desempeño y Estimación de Daños | 4 | 3.4 |
| 11,12 | Parámetros de Resiliencia | 5 | 4.83 |
| Índice de Resiliencia (IR) | 10.00 | 9.23 | |
Fuente: Los Autores
Una vez obtenido el índice de Resiliencia (IR), se debe determinar su grado de resiliencia de la edificación, por lo que se definió una tabla de valores con diferentes parámetros en relación de las ponderaciones mínimas y máximas que pueda tener el mencionado Índice (IR), midiendo así su desempeño y resiliencia sísmica del caso de estudio, como se muestra a continuación en la Fig. 14.
Como se observa en la figura anterior, los rangos presentados están en función del Índice de Resiliencia (IR), que determinan si la Edificación: No es Resiliente, es medianamente Resiliente y es Resiliente, para facilitar la comprensión de la calificación realizada, se utiliza una simbología de calidad representado por estrellas doradas, las mismas que van de 0 a 5 estrellas.
Al aplicar los pesos de evaluación para el caso de estudio en función del Índice de Resiliencia (IR) se determinó que la estructura tiene una calificación de 5 estrellas, lo que implica que es una estructura resiliente a un evento sísmico como se observa en la Tabla 12.
Al aplicar los pesos de evaluación para el caso de estudio en función del Índice de Resiliencia (IR) se determinó que la estructura tiene una calificación de 5 estrellas, lo que implica que es una estructura resiliente a un evento sísmico como se observa en la Tabla 12.
4. Conclusiones
En el presente trabajo de Investigación se plantea una metodología de evaluación sísmica basada en resiliencia, considerando los tiempos de recuperación funcional, que debe tener una estructura de uso público o que pueda necesitar una operación inmediata posterior a un evento sísmico, el caso de estudio es un edificio de hormigón armado de 7 pisos que fue afectado por el sismo de pasado 16 de abril del 2016, para el efecto, se realizó un control de daños de los elementos estructurales y no estructurales que resultan afectado posterior a un evento sísmico.
Con el aporte del presente trabajo de investigación como fundamento normativo, permitirá dar un paso más adelante de la Ingeniería Sísmica basada en Desempeño y Estructural, implementando nuevos parámetros y conceptos que aportarán a tener Estructuras Resilientes ante eventos Sísmicos, sobre todo a edificaciones Esenciales, Especiales y de alta concurrencia.
El contenido de esta metodología planteada en el presente trabajo es didáctico, de fácil aplicación para cualquier Ingeniero Diseñador y/o Evaluador Estructural, como se detalla en el Anexo 1. Con una planificación clara del proceso, permitirá cumplir parámetros definidos y necesarios para una evaluación estructural completa, iniciando con estudios geotécnicos estáticos y dinámicos, utilizar el periodo de la estructura para determinar su desempeño y rigidez, además hacer hincapié en los Análisis Estructurales recomendados por la ASCE 7-22, lineales, no lineales, tanto estáticos como dinámicos, para posteriormente determinar su desempeño como control de daños y finalmente definir los parámetros de resiliencia con el tiempo de recuperación funcional, y la probabilidad de colapso menor al 10% dado el Sismo de Diseño, Determinando su respectivo Índice de Resiliencia (IR), para su calificación.
La mayor ponderación del Índice de Resiliencia de los pesos de evaluación, corresponden a los parámetros de resiliencia, con una ponderación correspondiente al 50% distribuido de la siguiente manera: si la probabilidad de colapso es menor del 10% dado el sismo de diseño (para este caso), corresponde un 20% y si la mayor probabilidad de recuperación funcional para daños leves y moderados están dentro del tiempo de recuperación objetivo para una estructura de categoría III y IV corresponde un valor del 30%.
El Índice de Resiliencia obtenido para el caso de estudio es de 9.23, este valor corresponde una calificación de 5 estrellas por lo que se puede concluir que es una estructura resiliente dado que ocurra un evento sísmico, puesto que los daños que puedan presentarse en la edificación serán leves y moderados, de la misma manera su tiempo de recuperación funcional estará dentro de lo planificado y permitirá la ocupación inmediata en el peor de los casos.
Cabe recalcar la importancia del reforzamiento estructural para mejorar su desempeño y su resiliencia sísmica en una edificación. Y sobre todo con la adecuada evaluación y rehabilitación estructural se puede controlar los daños y salvaguardar la vida de los usuarios y los bienes materiales.
El manejo del concepto de resiliencia sísmica y la recuperación funcional obviamente disminuirá los costos de reparación, por lo que el aporte de esta investigación, como fundamento normativo, contribuirá notablemente para garantizar edificaciones seguras y aportará a una comunidad resiliente.
Siguiendo el ejemplo y las experiencias de muchos países en el mundo, la inclusión de varios actores tanto públicos y privados para la institucionalización de la normativa sismo resistente, permitirá incluir esta metodología, y más estudios sobre el Diseño y Evaluación Sísmica basada en Resiliencia. Conjuntamente, con el estado se puede lograr que las políticas públicas incentiven a los usuarios a construir edificaciones y ciudades Resilientes ante las amenazas sísmicas latentes, de la misma manera fortalecer a la Ingeniería Estructural del país y al código modelo en la región.
