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1 Introducción
La evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificaciones escolares en la última década ha sido un tema de interés debido a que varios sismos alrededor del mundo han demostrado la alta vulnerabilidad de este tipo de estructuras. Un alto número de menores ha perdido su vida debido al colapso de escuelas, como ocurrió en los sismos de Wenchuan, China (2008), Armenia (1988) y Cachemira, Pakistan (2005), en donde 7,000, 16,000 y 18,000 menores perdieron la vida, respectivamente 1. El sismo de Cariaco de 1997 (Mw = 6.9) de Venezuela que causó la muerte de 22 estudiantes y un profesor, generó el colapso de cuatro escuelas, todas ellas de pórticos de hormigón reforzado con muros de mampostería no reforzada, con alturas de dos y tres pisos y construidas entre 1960 y 1970 2.
Un gran porcentaje de escuelas del inventario mundial lo constituyen pórticos de hormigón reforzado. Del total de 48,503 escuelas italianas 19,637 tienen esta tipología 3. Verbicaro et al. 4 mencionan como edificio escolar típico en América Central estructuras de pórticos de hormigón de uno a dos pisos. Por su parte, una escuela típica en Algeria corresponde a una estructura de pórticos de concreto con losa de concreto y muros de mampostería hueca 5. López et al. 6 identificaron 10,000 escuelas venezolanas (30% de la totalidad de escuelas) como similares o idénticas a las escuelas colapsadas en el sismo de Cariaco de 1997. Ferreira y Poença 7 identificaron 48% de las 470 escuelas en Bucarest como estructuras de uno o dos pisos en donde el material de construcción predominante es el concreto reforzado. Un estimado de las tipologías estructurales de la Región Andina en Sur y Centro América 8 indica que más de la mitad de las escuelas en México y Chile son edificios de hormigón reforzado (60 y 55%, respectivamente). Otros países reportados con un número considerable de escuelas de hormigón reforzado son Colombia y Honduras (30%), y Perú y Argentina (20%).
La importancia de la evaluación y mitigación del riesgo sísmico ha tomado fuerza en los últimos años, siendo la evaluación de la vulnerabilidad clave para el análisis del riesgo. Idealmente todos los edificios del inventario deberían ser evaluados. Como lo anterior es una tarea imposible de realizar, los esfuerzos se deben concentrar inicialmente en aquellas estructuras de mayor importancia para la sociedad. Las escuelas son estructuras críticas al concentrar un alto número de menores cuyas vidas son invaluables. Adicionalmente, este tipo de estructuras podrían usarse como refugios y centros de atención en el momento de un desastre.
Una evaluación completa de la vulnerabilidad de cada una de las escuelas de una región implicaría una inversión muy elevada de tiempo y de recursos. Por lo anterior se han desarrollado varias metodologías para identificar, dentro de un grupo de estructuras, aquellas con el mayor riesgo y que, por lo tanto, requieren de un estudio de vulnerabilidad detallado. Independiente de la metodología a utilizar es necesario diferenciar la tipología estructural (pórtico de hormigón reforzado, mampostería, tierra, etc.) para poder evaluar de manera correcta la capacidad estructural. Varias metodologías pueden aplicarse a estructuras de concreto tales como DBELA 9, Índice Prioritario 10, Grado Mínimo de Daño (Mean Damage Grade) según la metodología basada en la escala macrosísmica europea 11, entre otras. Gran parte de los parámetros que requiere cada una de las mencionadas metodologías se presentan y analizan en este informe.
2 Información recolectada
La información presentada en este documento fue recolectada por un grupo de tres personas (un estudiante de maestría y dos estudiantes de pregrado en ingeniería civil) que visitaron cada una de las escuelas en un periodo aproximado de dos horas. Se desarrolló un formato en donde se recolectó la información general (localización, año de construcción, grado de mantenimiento y características geométricas). Durante la visita se levantó un plano de la estructura, se recopiló información y se tomaron fotografías. La información recopilada fue procesada por los autores de este documento y se divide en las siguientes clases: información general, configuración estructural, características de los materiales, parámetros de capacidad, características geométricas e información adicional.
2.1 Información general
De cada estructura se recopiló información sobre la municipalidad donde se encuentra, dirección, coordinadas geográficas, año de construcción y fecha de la visita.
2.2 Conftguración estructural
Esta clase incluye los siguientes parámetros: altura del edificio, número de pisos, altura promedio de entre-piso, longitud del edificio en la dirección principal (X) y en la dirección secundaria o transversal (Y), longitud de voladizos en ambas direcciones, número de ejes y espaciamiento promedio entre ejes en ambas direcciones, configuración en planta y en altura, tipo de irregularidad en planta (irregularidad torsional, de diafragma, sistemas no paralelos y desplazamiento del plano de acción) y en altura (piso flexible, irregularidad geométrica, distribución de masas y desplazamiento dentro del plano de acción), tipo de losa (aligerada o maciza) y tipo de techo (concreto, acero o madera).
2.3 Características de los materiales
Las características de los materiales incluyen el tipo de mampostería adosada (ladrillo hueco de concreto, ladrillo hueco de mampostería o ladrillo sólido de mampostería) y apreciación sobre la conservación del techo y la calidad de los materiales y la construcción.
2.4 Parámetros de capacidad
En esta clase se agruparon aquellas características que afectan directamente la capacidad de la estructura. Se incluyó la presencia o ausencia de columnas cortas, el peso del edificio, la carga lateral de diseño y la aceleración espectral de diseño, el tipo de suelo y la existencia de intervenciones de repotenciación.
Para la definición de la carga lateral y la aceleración espectral de diseño se consideraron las especificaciones del código de diseño sísmico vigente en el año de construcción de la estructura. Para aquellas escuelas construidas antes del año 1984 (año en que se publicó la primera norma de construcción sismo resistente del país) se consideró un valor de cero en ambos parámetros.
El tipo de suelo se definió según el estudio de microzonificación sísmica de Medellín y su área metropolitana 12. El tipo de suelo incluye depósitos aluviales, flujos de escombros, terrazas aluviales, llanura aluvial, terraza aluvial, depósitos de ladera, depósitos aluviales y depósitos aluviales torrenciales.
2.5 Características geométricas
Las características geométricas incluyen área promedio de piso, área del piso inferior, dimensiones de las columnas, sumatoria de áreas de columnas del primer piso, longitud de muros, sumatoria de áreas de muros en las dos direcciones principales y espesor de muros.
2.6 Información adicional
Para cada estructura se calculó la relación entre la aceleración espectral para la cual fue diseñada y la aceleración espectral de diseño de acuerdo a la norma sismo resistente vigente NSR-10 13. Adicionalmente se especificó el nivel de instrucción de la institución (pre-escolar y elemental, elemental, secundaria, elemental y secundaria). Para cada estructura se cuenta con un archivo de fotos, el plano de la planta y notas que describen el nivel de mantenimiento de cada estructura.
La Figura 1 presenta la planta de una de las escuelas y los valores de los principales parámetros relacionados con la configuración estructural y las características geométricas.
La mayoría de los edificios encuestados son de uno o dos pisos. La configuración típica en planta es de forma rectangular, con una relación menor o igual que dos entre la longitud principal y la longitud transversal, con dos o tres ejes en la longitud mayor. Los pórticos longitudinales están unidos por pórticos perpendiculares con o sin voladizo (el voladizo se usa normalmente como corredor). El piso está conformado por losas de concreto (84% aligeradas, 16% macizas) y los muros son hechos principalmente de mampostería hueca de arcilla (73% de los edificios). La mayoría de los edificios visitados presentan columnas cortas debido a las ventanas localizadas en la parte superior de los muros con fines de ventilación e iluminación (65% de las estructuras tienen columnas cortas). Se encontró el techo de madera como el más común (64% de las estructuras), seguido de techo metálico y de concreto (21 y 16%, respectivamente). La Figura 2 presenta la configuración típica estructural con dos pórticos longitudinales (52% de las estructuras evaluadas). La Figura 3 muestra un ejemplo de una estructura con irregularidad en planta y la Figura 4 presenta un ejemplo de una escuela con irregularidad en planta y en altura.
La configuración típica arquitectónica de las escuelas visitadas es muy similar a la configuración descrita para escuelas de Algeria 5 y de Centro América 4. Adicionalmente, las características principales de las escuelas que colapsaron en el sismo de Cariaco (1997) en Venezuela se asemejan a las características principales de las escuelas dentro de la base de datos presentada. Bendimerad 5 indica cuatro errores comunes en la configuración de las escuelas de Algeria que también se observan en las escuelas colombianas y latinoamericanas: i) algunas conexiones viga-columna no se diseñan o construyen para transmitir de manera adecuada cargas laterales y el detallado inadecuado de los elementos de pórtico inhibe un comportamiento dúctil; ii) diferencias en la localización del centro de masa y el centro de rigidez debido a la presencia de los corredores generan efectos torsionales que normalmente no se consideran en el diseño; iii) en el diseño se desconocen los altos niveles de esfuerzos cortantes que se generan en las columnas cortas debido a la interacción del pórtico y los muros; iv) la configuración irregular en planta genera concentración de esfuerzos que pueden causar colapso estructural si no se consideran en el diseño. Adicional a los problemas mencionados, la mala calidad de los materiales, mano de obra inadecuada, movimientos fuertes del terreno inesperados y la falta de cumplimiento de normas sísmicas afectan de manera negativa la capacidad sísmica de las estructuras.
La primera norma sismo-resistente colombiana data del año 1984 (Código Colombiano de Construccion Sismo Resistente, CCCCSR-84 14). Es muy probable que las estructuras construidas antes de dicho año no hayan incluido consideraciones sísmicas. Este código ha sido actualizado en dos ocasiones: inicialmente en el año 1998 (Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente, NSR-98 15), y posteriormente en el año 2010 (Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente, NSR-10 13). Las consideraciones sísmicas de los códigos de 1998 y 2010 tienen diferencias considerables con respecto a las consideraciones del primer código. Por lo anterior, se espera que estructuras construidas después del año de 1998 tengan un mejor comportamiento que aquellas construidas entre 1984 y 1998. Desafortunadamente, para muchas escuelas construidas después de 1984 la existencia de códigos de diseño no implica necesariamente el cumplimiento cabal de sus regulaciones.
3 Procesamiento de la información
En esta sección se presenta el análisis general de la información. La Figura 5 presenta el año de construcción de las edificaciones agrupadas por décadas. La escuela más antigua de la base de datos se construyó en el año de 1961, mientras que la más reciente se construyó en el año 2013. Las tres fechas de importancia de la base de datos son: año 1984, en el cual se aprobó el primer código sismo resistente del país (CCCCSR-84); el año de 1998, cuando se actualizó por primera vez el primer código (NSR-98); y el año 2010, correspondiente a la más reciente actualización del código (NSR-10).
El año de construcción es un indicador del tipo de diseño en el momento de construcción de las estructuras. Se puede asumir que todas las escuelas construidas antes del año de 1984 no incluyeron diseño sísmico. Se debe tener en cuenta que el hecho de que exista un código vigente no implica un cumplimiento total de sus especificaciones.
Los edificios en la base de datos tienen entre uno y cuatro pisos. La Figura 6 muestra la distribución del número de pisos. Se puede observar que la mayoría de las escuelas (el 51% del total) son estructuras de dos pisos.
Las Figuras 7 a 12 muestran el histograma de frecuencia de diferentes parámetros de las estructuras de la base de datos: altura promedio de piso, relación largo-ancho, área del primer piso, relación de la suma de las columnas del primer piso con respecto al área de piso y relación de la suma de las áreas de muros de mampostería con respecto el área de piso en las direcciones principal y secundaria. Todos los parámetros mencionados presentan una distribución normal o log-normal. La Tabla 1 presenta el tipo de distribución y los valores de la media y la desviación estándar de los parámetros analizados.
El 26% de las escuelas visitadas tienen una altura promedio de piso de 2.8 m, valor que corresponde a la media de la distribución (Figura 7). La irregularidad en planta se puede definir por la relación largo-ancho: 42% de las estructuras (32 edificios) se clasificaron como regulares en planta (relación largo-ancho entre 1.0 y 2.8); 24% de los edificios presentan efectos torsionales, mientras el restante 34% presentan otro tipo de irregularidad (Figura 8). El valor máximo de la distribución log-normal corresponde a una relación longitud-ancho entre 1.5 y 1.99 (17% de las estructuras encuestadas).
La Figura 9 presenta la distribución del área del primer piso de las estructuras de la base de datos, parámetro que presentó un promedio de 280 m2. Para la mayoría de los edificios (62% del total), la suma de las áreas de las columnas del primer piso se encuentra entre 0.5 y 0.99% del área del primer piso (Figura 10).
Figura 10: Distribución de la relación de la suma del área de columnas del primer piso con respecto al área del primer piso.
Por otro lado, para el 70% de los edificios, la suma del área en planta de los muros de mampostería del primer piso en la dirección principal se encuentra entre 0 y 1.99% del área de piso (Figura 11); mientras que en la dirección secundaria el 68% de los edificios tienen una relación entre la suma del área en planta de los muros de mampostería del primer piso y el área de dicho piso entre 0 y 1.99% (Figura 12).
Figura 11: Distribución de la relación de la suma del área de los muros de mampostería del primer piso con respecto al área del primer piso (dirección principal).
Figura 12: Distribución de la relación de la suma del área de los muros de mampostería del primer piso con respecto al área del primer piso (dirección secundaria).
La Figura 9 presenta la distribución del área del primer piso de las estructuras de la base de datos, parámetro que presentó un promedio de 280 m2. Para la mayoría de los edificios (62% del total), la suma de las áreas de las columnas del primer piso se encuentra entre 0.5 y 0.99% del área del primer piso (Figura 10). Por otro lado, para el 70% de los edificios, la suma del área en planta de los muros de mampostería del primer piso en la dirección principal se encuentra entre 0 y 1.99% del área de piso (Figura 11); mientras que en la dirección secundaria el 68% de los edificios tienen una relación entre la suma del área en planta de los muros de mampostería del primer piso y el área de dicho piso entre 0 y 1.99% (Figura 12).
La Figura 13 muestra la distribución de la relación entre la aceleración espectral de diseño (Sa) y la aceleración espectral actual (según norma vigente). Se asignó un valor de cero a la aceleración espectral de diseño a aquellas estructuras construidas antes del año de 1984 (35% de las estructuras), esto debido a que antes de dicho año no existía ningún código de diseño obligatorio. El tipo de suelo de las estructuras usado en el cálculo de Sa corresponde al tipo de suelo reportado por el estudio de microzonificación sísmica del Área Metropolitana de Medellín 12. 96% de las estructuras tienen una relación de aceleraciones espectrales (diseño/actual) menor que la unidad; 63% de las estructuras tienen una relación menor que 0.75. Es importante tener en cuenta que el factor de importancia para escuelas de la norma vigente (NSR-10) aumentó con respecto a los valores de los códigos anteriores.
La Figura 14 presenta la distribución de las irregularidades en planta y en altura para los edificios irregulares. De los 77 edificios de la base de datos, 45 tienen irregularidad en planta, siendo las más comunes las irregularidades del diafragma y torsional (Figura 14a). Únicamente el 10% de los edificios encuestados presentan irregularidad en altura (ocho edificios), distribuidos según lo indica la Figura 14b.
4 Conclusiones
En este artículo se presentan las principales características de escuelas de pórticos de hormigón reforzado con muros de mampostería adosados ubicadas en los municipios de Medellín, Itagüí y Sabaneta (Colombia). La base de datos recopilada y analizada presenta información relevante que podría usarse para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de este tipo de estructuras. Aunque las escuelas están localizadas principalmente en la ciudad de Medellín, es usual encontrar este tipo de estructuras en otras ciudades del país. Adicionalmente, esta base de datos puede ser útil para dar un indicativo de la vulnerabilidad sísmica de escuelas de Sudamérica y Centroamérica, debido a la similitud de las características estructurales en los países latinoamericanos.
Los parámetros estadísticos relacionados con las características geométricas que se presentan en este artículo podrían usarse para la generación de curvas de capacidad analíticas con la finalidad de realizar modelos de riesgo sísmico.
Dos características a resaltar de la base de datos son: i) debido a que la información fue recolectada por un número reducido de personas, incertidumbres en los criterios individuales de clasificación son reducidos, y ii) las características estructurales se han definido de acuerdo a datos de estructuras reales y no de planos arquitectónicos o estructurales.
La base de datos se beneficiaría si se aumentara el número de escuelas encuestadas. Un análisis sobre las características del inventario de estructuras de hormigón reforzado en Turquía 16 indica que una base de datos confiable para dichas estructuras la constituyen 35 estructuras para un tipo estructural dado. Aunque los autores de este informe desconocen que un estudio de este tipo se haya realizado para las escuelas colombianas, es razonable pensar que un número similar de estructuras constituye una base de datos confiable para la tipología estudiada en esta investigación.
Agradecimientos
Los autores expresan su gratitud a la Dirección de Investigación de la Universidad EAFIT por el apoyo económico, a las directivas de las diferentes instituciones de educación que permitieron incluir las estructuras en la base de datos, y a los valiosos aportes del Doctor Santiago Pujol, profesor de la Universidad de Purdue, en el desarrollo de esta investigación.
