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ESTUDIO PRELIMINAR DE LAS CAUSAS Y DAÑOS DEL SISMO DE CHILE DEL 27/02/2010 Ruben Edelstein Ingeniero Civil Córdoba Ex-Profesor Titular de Estructuras II de F.A.U.D. y Ex-Profesor Adjunto de Construcciones de Hormigón Armado de la F.C.E.F y N. ambas de la U.N.C..- Profesor Visitante en el Depto.Ingeniería Civil de la University of Southern California (L.A.,U.S.A.). Autor de 4 libros sobre Diseño y Cálculo Estructural, y cerca de 40 trabajos publicados en Congresos de Estructuras. Director de varios Proyectos de Investigación en U.N.C. Su actividad profesional se desarrolla en el Diseño y Cálculo Estructural - Resumen Este estudio tiene como objetivo difundir las enseñanzas obtenidas del Sismo de Chile del 27/02/2010, que atento a su Magnitud de 8,8 en la Escala de Richter,su duración de 140 segundos, las réplicas posteriores y la gravedad de los daños producidos puede ser considerado como un Megasismo.- La metodología empleada es del relevamiento de la información existente a la fecha del presente estudio, para lo cual se examinan los siguientes aspectos: 1.-Registro del Espectro de Respuesta en nueve estaciones donde las componentes horizontales y vertical se comparan con las previsiones de la Norma Chilena NCh 433 Of 96.- 2.-Examen de los daños producidos en las construcciones,agrupándose la casuística según se hayan registrado en construcciones de alta, mediana y baja altura como así tambien la respuesta de diferentes tipologías de estructuras con tabiques y pór ticos de hormigón armado, estructuras de hormigón armado prefabricado, pórticos de acero y mamposterías.- Los resultados preliminares permiten anticipar que las demandas de las componentes horizontales han excedido las previsiones reglamentarias, según registros de dos de las nueve estaciones.- Se adjuntan las fotos de daños en diferentes edificios, que han afectado tabiques de hormigón armado, han rotulado secciones críticas de vigas y columnas de hormigón armado descubriendo insuficiencia de estribos en zonas críticas y congestión de armaduras longitudinales, fallas de anclaje en estructuras prefabricadas, grietas diagonales en mamposterías y en otros casos, vuelco lateral de mamposterías.- Se verifican daños por variación brusca de rigidez,daños por efecto “rocking”, colapsos parciales y totales. Se examinan edificios entre otros: O’Higgins,Centro Mayor y Alto Río.-

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ESTUDIO PRELIMINAR DE LAS CAUSAS Y D AÑOS DEL SISMO DE CHILE DEL 27/02/2010

Ruben Edelstein Ingeniero Civil

Córdoba Ex-Profesor Titular de Estructuras II de F.A.U.D. y Ex-Profesor Adjunto de Construcciones de Hormigón Armado de la F.C.E.F y N. ambas de la U.N.C..-Profesor Visitante en el Depto.Ingeniería Civil de la University of Southern California (L.A.,U.S.A.). Autor de 4 libros sobre Diseño y Cálculo Estructural, y cerca de 40 trabajos publicados en Congresos de Estructuras. Director de varios Proyectos de Investigación en U.N.C. Su actividad profesional se desarrolla en el Diseño y Cálculo Estructural - Resumen Este estudio tiene como objetivo difundir las enseñanzas obtenidas del Sismo de Chile del 27/02/2010, que atento a su Magnitud de 8,8 en la Escala de Richter,su duración de 140 segundos, las réplicas posteriores y la gravedad de los daños producidos puede ser considerado como un Megasismo.- La metodología empleada es del relevamiento de la información existente a la fecha del presente estudio, para lo cual se examinan los siguientes aspectos: 1.-Registro del Espectro de Respuesta en nueve estaciones donde las componentes horizontales y vertical se comparan con las previsiones de la Norma Chilena NCh 433 Of 96.- 2.-Examen de los daños producidos en las construcciones,agrupándose la casuística según se hayan registrado en construcciones de alta, mediana y baja altura como así tambien la respuesta de diferentes tipologías de estructuras con tabiques y pór ticos de hormigón armado, estructuras de hormigón armado prefabricado, pórticos de acero y mamposterías.- Los resultados preliminares permiten anticipar que las demandas de las componentes horizontales han excedido las previsiones reglamentarias, según registros de dos de las nueve estaciones.- Se adjuntan las fotos de daños en diferentes edificios, que han afectado tabiques de hormigón armado, han rotulado secciones críticas de vigas y columnas de hormigón armado descubriendo insuficiencia de estribos en zonas críticas y congestión de armaduras longitudinales, fallas de anclaje en estructuras prefabricadas, grietas diagonales en mamposterías y en otros casos, vuelco lateral de mamposterías.- Se verifican daños por variación brusca de rigidez,daños por efecto “rocking”, colapsos parciales y totales. Se examinan edificios entre otros: O’Higgins,Centro Mayor y Alto Río.-

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Summary The main object of this study is to show lessons reached trough the 27/02/2010 Chilean Earthquake,to take into consideration it 8,8 Magnitude on Richter Scale,the first shock was about 140 seconds, multiple aftershocks and too larges damages magnitud,therefore it can be considered as a Mega Earthquake.- The Metodology assumed was to carry out a survey of the information available by the time of this study,in order to examine the followings subjects: 1.-Acceleration Response Spectra derived from 9 stations,where the horizontals and vertical components are matched with Chilean NCh 433 Of 96 Regulations.- 2.-Damages studying in constructions,according high, meadle and lowrise buildings were affected and the behavior of different structural types as well reinforced con crete shear walls and frames,precast reinforced concrete structures,steel frames and masonry structures.- The first preliminary results allow us to anticipate that both horizontals components exceeded the Chilean Regulations,at least in 2 stations.- Photos taken from several buildings show that damages affecting reinforced shear walls,as well as failure mechanism in reinforced concrete beams and columns,show ing lack of stirrups,longitudinal bars congestion,precast reinforced concrete with an chorage failure,masonry with diagonals cracks as well as lateral failure in masonry walls.- Damages caused by stiffness sudden changes,damages by rocking vibration,partial and total failures.-Studying buildings cases among others O’Higgins,Centro Mayor and Alto Río.-

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SISMO DE CHILE DEL 27/02/2010

1.-Introducción: Este estudio tiene como objetivo difundir las enseñanzas obtenidas del Sismo de Chile del 27/02/2010, que atento a su Magnitud de 8,8 en la Escala de Richter,su duración de 140 segundos, las numerosas réplicas posteriores y la gravedad de los daños producidos puede ser considerado como un Megasismo.- Este evento resulta de la ruptura del equilibrio entre la Placa de Nazca y la Sudamericana, placas que se indican en Figura N°1.-

Figura N° 1 La metodología empleada es del relevamiento de la información existente a la fecha del presente estudio, para lo cual se examinan los siguientes aspectos: a.-Registro del Espectro de Respuesta en nueve estaciones,donde las componentes horizontales y vertical,se comparan con las previsiones de la Norma Chilena NCh 433 Of 96.- b.-Examen de los daños producidos en las construcciones,agrupándose la casuística según se hayan registrado en construcciones de alta,mediana y baja altura como así tambien la respuesta de diferentes tipologías de estructuras con tabiques y pór ticos de hormigón armado,estructuras de hormigon armado prefabricado,pórticos de acero,y mamposterías.- 2.-Registro del Espectro de Respuesta: En la Figura N° 2 se delimitan las áreas de diferen te magnitud de las sacudidas del sismo.-Así se tiene la línea de color sepia, que encierra el área de mayor intensidad, y hasta la línea de color verde que limita el área más moderada, pasando por dos líneas, la de color amarillo y la de color verde amarillento que limitan áreas de intensidad intermedia.- La Norma Chilena establece un espectro de demanda según la zona,y el tipo de suelo y se la compara con lo demandado según el registro de la estación.-Se han examinado registros espectrales de 9 estaciones, de las cuales dos en Santiago, presentan demandas que superan las previsiones de la Norma, para períodos superiores a 0,75 segundos y esto sucede también, en menor medida en la Estación Hospital Valdivia, para períodos entre 0,9 y 1,3 segundos, y en las seis estaciones restantes se verifican demandas superiores a la Norma en una amplia gama de períodos.- En la Figura No 3 se tiene el Espectro de Respuesta de la Estación Maipú,donde se advierte que la demanda de las componentes horizontales exceden el espectro de la

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Figura N° 2

Figura N° 3

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Norma en forma notoria, resultados que a la fecha del presente estudio, están siendo revisados, en aspectos de interacción suelo-estructura.-

Figura N° 4 En la Figura No 4 se tiene el Espectro de Respuesta de la Estación Metro Mirador Santiago, donde si bien la demanda de las componentes horizontales son importantes para períodos inferiores a 0,75 segundos, no exceden el espectro de la Norma y para períodos superiores a 0,75 segundos, si bien las demandas que exceden el espectro de la Norma, dichas demandas, no son importantes.- Los Espectros de Respuesta de ambas estaciones, como es práctica habitual, registran períodos de vibración y pseudo aceleración, que como es bien conocido no debe confundirse con la aceleración del sismo.- Resulta importante destacar,que el Sismo del 27/02/10,alcanzó aceleraciones máxi mas,en la Estación Maipú,en sus componentes horizontales de 0,56 y verticales de 0,24 ambos referidos a la aceleración de la gravedad,en tanto en la Estación del Hos pital Tisne los valores máximos fueron de 0,30 y 0,28.- Los valores precedentes, y los Espectros de Respuesta reproducidos demuestran la importante magnitud del sismo.- 3.-Examen de los daños producidos en las construcciones de edificios: 3.1.-Daños en las construcciones multipisos de hormigón armado: Se han seleccionado una serie de edificios que presentan desde colapso total, a daños de importancia.- Edificio Alto Río:ubicado en la Ciudad de Concepción,de 14 pisos que se muestra en Figura N° 5, donde se advierte colapso total por vu elco lateral y según trascendidos causado por una estructura con gran predominio de tabiques de hormigón armado de espesores reducidos,tal como se puede observar en Figura N° 6.- En general se advierte en muchos edificios el amplio uso de la tipología tabiques y que en los últimos años se registró la tendencia de disminuir el espesor de los

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mismos, de 30cm a 15cm, y con algunos problemas de armaduras longitudinales y transversales, estas últimas con separaciones exageradas .-

Figura N° 5 Figura N° 6

Torre en construcción

Planta

Sección A

Sección B

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Edificio O’Higgins: ubicado en Concepción,con fuertes daños en sus fachadas a partir de pisos altos, posibles efectos torsionales, contribución de modos superiores de vibración y variaciones bruscas de rigidez, donde se advierte colapso de varios pisos.-

Figura N° 7

Figura N° 8

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Figura N° 9

Figura N° 10

Figura N°11

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Las Figuras N° 7,8,9,10 y 11 pertenecen a este edif icio, donde todas ellas revelan fuertes daños en elementos estructurales.- Edificio Centro Mayor: ubicado en la ciudad de Concepción, donde se advierten daños en tabiques de hormigón armado y columnas tal como se indica en Figuras N° 12,13 y 14.- Se trata de un edificio de 15 pisos, donde los daños producidos en tabiques en los que se verifica pérdida de material.-

Figura N° 12 En la Figura N° 13 se muestra la magnitud del daño en dos tabiques de planta baja, donde se advierte el uso de secciones rectangulares, es decir sin refuerzo de borde; en cambio, el uso de secciones en doble te, le hubiera otorgado mayor capacidad resistente.- Además se observa pandeo de armaduras longitudinales, como consecuencia de una separación excesiva entre estribos y seguramente falta de adecuada longitud de adherencia, evidenciada por el tipo de gancho en los mismos.- En la Figura N° 14 se advierte daños en columna de fachada, donde se puede obser

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Figura N° 13

Figura N° 14 var la escasa densificación de estribos y el consiguiente pandeo de armaduras longitudinales.- Edificio Emerald: ubicado en Santiago, es un edificio de pisos muy esbelto, cuya estructura está integrada básicamente por tabiques de hormigón armado.- En la Figura N° 15 se tiene una imagen del edificio , donde se puede comprobar su esbeltez y como consecuencia del sismo un apreciable apartamiento de la vertical que se evidencia por la deformación horizontal bien visible.-

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Figura N°15

Figura N° 16 En la Figura N° 16, se tiene una vista de la fachad a de mayor dimensión.-

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Figura N° 17

Figura N° 18 En la Figura N° 17, se advierte tabique de hormigón armado de sección rectangular, muy dañado, con exposición de armaduras, tanto longitudinales como estribos.- La misma Figura N° 17 muestra la presencia de una v iga perpendicular al plano que contiene al tabique de hormigón armado y esta viga representa una carga concentrada en el borde del tabique, que al ser de sección rectangular, se encuentra

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en condiciones desfavorables, que seguramente una sección doble te habría sido una solución mas adecuada.- En la Figura N° 18 se tiene otro tabique de hormigó n armado, donde se advierte pandeo y flexión del mismo, al igual que pandeo de sus armaduras longitudinales.- Estos daños son consecuencia de espesor insuficiente del tabique, que se habrían evitado con una sección de tipo doble te e insuficiencia de estribos transversales.- La Figura N° 19 muestra otro tabique de hormigón ar mado, donde se observan armaduras expuestas, como consecuencia de la deformación por flexión y pandeo.-

Figura N° 19 Edificio en Concepción:edificio de pisos, con partido arquitectónico en “ele”,con junta sísmica, y existe alguna probabilidad que en uno de sus cuerpos ,el sismo haya producido efecto de rocking, tal como se esquematiza en Figura N° 20.- Figura N° 20 En la Figura N° 21 se observa la volumetría en “ele ” de este edificio.-

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Figura N° 21

Figura N° 22

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En Figura N° 22 se observa en primer plano, uno de los cuerpos, con grietas en tabiques de hormigón armado.- En Figura N° 23, del mismo edificio, se advierten g rietas en el pavimento adyacente al mismo cuerpo de este mismo edificio, que puede atribuirse a efecto de vibración tipo “rocking” y también se observan daños en el tabique de hormigón armado.-

Figura N° 23

Figura N° 24 3.2.-Daños en construcciones religiosas, de vivienda de escasa altura y museo: Se han seleccionado una serie de casos, que se examinan a continuación.-

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Iglesia de la Sagrada Familia:ubicada en el Valle de Curico, región donde las pseudo aceleraciones excedieron en forma notoria las previsiones reglamentarias, observándose en Figura N° 24, los daños producidos en las mamposterías.- Iglesia Corazón de María: ubicada en Linares, observándose en la Figura N° 25,algunos de los daños, donde una de las torres ha sido gravemente afectada, al extremo de hallarse próxima al colapso, en tanto otra similar, aparentemente sin daño.- El efecto de variación brusca de rigidez, aparece como una de las causas probables.-

Figura N° 25

Figura N° 26

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Iglesia de la Divina Providencia: ubicada en Santiago, se observa en Figura N° 26, la imagen de la izquierda, aparece el daño producido mientras que a la derecha se tiene su estado, antes del sismo.-La probable causal es la variación brusca de rigidez.-

Figura N° 27

Figura N° 28 Vivienda de dos plantas: ubicada en Valparaíso, se observa en Figura N° 27,donde un sector de la mampostería de fachada en planta alta y de planta baja, ha sufrido vuelco lateral, siendo causal probable, la falta de adecuada vinculación al plano de techo, y al plano de entrepiso, incapaz de equilibrar las fuerzas dinámicas perpendiculares al plano del muro.-

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Museo Militar: ubicado en Santiago, donde se observa en la Figura N° 28, que un sector de la mampostería de fachada en planta alta, ha sufrido vuelco lateral ,siendo causal probable, la falta de adecuada vinculación a los planos de entrepisos.- 4.-Conclusiones: En base a los antecedentes reunidos,es posible formular las siguientes conclusio nes,siempre en el marco de estudio preliminar: a.-Los Espectros de Respuesta han permitido comparar las previsiones de la Norma con las demandas del sismo,habiéndose constatado que estas demandas excedie ron en algunos casos,dichas previsiones.- Prueba de ello,la magnitud del sismo,en ciudades como Concepción,produjo acele raciones del orden del 60% g.- b.-Edificios de importancia,que por razones de espacio no han sido incluídos en el presente estudio,pero que tuvieron una buena performance estructural.- c.-En Chile existe una larga experiencia en el uso de tabiques de hormigon armado, pero que en algunos casos,y en especial en los últimos años,ha existido una ten dencia a disminuir espesores,con el agravante de enfatizar el uso de secciones rectangulares,secciones que se encuentran en inferioridad de condiciones en rela ción a secciones doble “te” o de borde reforzado.- d.-La reducción de espesores de tabiques de hormigón armado,las desventajas de la sección rectangular,unido a la exagerada separación de estribos,con longitudes y detalles de anclaje de los mismos,han contribuído a la producción de daños.- La ausencia o insuficiente cantidad de estribos transversales,es decir arriostrando armaduras longitudinales de ambas caras,ha sido causal reiterada de pandeo de dichas armaduras longitudinales.-

Figura N° 29 Es por ello, que a modo de síntesis, se adiciona la Figura N° 29, se observa un tabique fuertemente dañado durante el Sismo de Chile de 2010, sin especificar su

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pertenencia a edificio determinado y se han agregado a fines de poner en evidencia, los dos tipos de secciones previamente comentadas.- e.-La interacción sismo y tipo de suelo, como siempre,juega un rol muy importante,al igual,del registro de casos de liquefacción de suelos.- f.-En las construcciones de mampostería la falta de una adecuada vinculación de mu ros a los planos resistentes horizontales, ha producido vuelco lateral.- g.-Las variaciones bruscas de rigidez son causales de daños, tal como se verifica en algunos de los casos comentados.- h.-Finalmente, el Sismo de Chile de 2010, ha incluído efectos de tsunami.- Bibliografía: [1].-Red Nacional de Acelerógrafos;Universidad Nacional de Chile,Informe Preliminar de R.Boroschek y otros.- [2].-Earthquake Engineering Research Institute: a.-Informe del Equipo Estructural de Jack Moehle y otros.- b.-Informe del Equipo Estructural de Roberto Leon y otros.- c.-Informe del Equipo Estructural de Francisco Miranda y otros.- [3].-The New York Times.-