EVALUACIÓN DE DAÑOS DEL TERREMOTO DE

KUMAMOTO- JAPÓN, Abril 2016

Castro, Juan Jose Ingeniero Civil, Ph.D., Profesor

Department of Civil Engineering and Architecture, Faculty of Engineering University of the Ryukyus, Okinawa, Japan.

castro@tec.u-ryukyu.ac.jp

RESUMEN

Este trabajo presenta un analisis de los daños de estructuras de madera, acero y hormigón armado, producidos por los dos terremotos sucesivos ocurridos el 14 y 16 de Abril de 2016, en la Prefectura de Kumamoto, Japón. En todos los casos los mayores daños se produjeron en edificios construidos antes de 1981, que fueron diseñados con el antiguo Código antisismico.

Los mayores daños se produjeron en las estructuras de madera, especialmente en aquellas casas construidas antes de la modificación del código de 1981, con deficiencias en las uniones de viga y columna y falta de elementos diagonales.

En estructuras de acero el colapso se debe a deficiencias en las soldaduras y en edificios de estacionamiento las diagonales de ariostramiento entraron el fluencia y pandeo.

En estructuras de hormigón armado también se observo claramente que los daños se concentran en edificios construidos con el Código antiguo. Se observaron daños en columnas por falta de confinamiento lateral. También hubieron daños en estructuras que ya habían sido reforzadas para adecuarlas al Código actual.

ABSTRACT

This paper presents an analysis of the damage on the wood, steel and reinforced concrete buildings produced by the two strong earthquakes occurred on April 14th and 16th,2016 in the Prefecture of Kumamoto, Japan. In any case most of the damage were produced on structures designed with the old seismic code before 1981.

The wooden structures damages were due to deficient joints elements, and lack of diagonal elements. In the case of steel structures the collapse was due to deficient welded joints. In other case the braces of parking buildings yielded and have buckling failure too.

For the reinforced concrete structures the collapse were on the columns of the first floors due to lack of lateral confinement. Also some structures which were retrofitted also sustain some damages.

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1) INTRODUCCION

La prefectura de Kumamoto, Japón se vio afectada por dos terremotos sucesivos de gran intensidad. El primero de ellos ocurrio el 14 de Abril (21:26 hora local) con una magnitud de Mw=6.1 y el segundo ocurrió el 16 de Abril (01:25 hora local) con una magnitud Mw=7.0 con una profundidad de estimada entre 11 a 12Km.

La prefectura de Kumamoto esta ubicada a 1200 Km al sudoeste de Tokyo, con una población de 1.822.000 habitantes distribuidos en un área de 7404 Km2. Ver Figura 1.

El número de victimas fatales a causa de estos terremotos (incluida replicas) es de aproximadamente 69 personas, con un número aproximado de 1600 personas con heridas de diferente grado. El número de personas refugiadas alcanzo un pico de 110.000 personas, que incluye las que perdieron sus casas como aquellas que por temor disidieron permanecer en centros de refugio.

Figura 1. Ubicacion de la Prefectura de Kumamoto

2) DESCRIPCION DE LOS TERREMOTOS

El despalzamiento de las fallas Futagawa y Hinagu son el origen de estos dos terremotos de campo cercano. La falla de Hinagu que da origen al terremoto del 14 de Abril con Mw=6.1, es una falla lateral derecha sin ruptura de la superficie. La falla de Futagawa origen del terremoto del 16 de Abril con Mw=7.0, es tambien de tipo

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falla lateral derecha y presenta un desplazamiento de 2 m en la superficie. Ambas fallas son consecuencia de la compresión en dirección E-O provocada por la subducción de la placa tectónica de Filipinas que también da origen a la zona montañosa de la zona central de Kyushu donde esta ubicada la Prefectura de Kumamoto.

El terremoto del 14 de abril registro una intensidad de grado 7 (escala JMA) en la Villa de Mashiki (en adelante Mashiki) con un pico de aceleración de suelo de 1580 gals. Este terremoto se produjo en el extremo Norte de la falla de Hinagu. Ver Figura 2. Precisamente al Norte y Noreste del epicentro se encuentran, respectivamente, la Ciudad de Kumamoto (en adelante Kumamoto) y Mashiki donde se registro la maxima intensidad de grado 7 (JMA).

El terremoto ocurrido el 16 de Abril, tambien registro una intensidad de grado 7 (JMA) en Mashiki, Kumamoto y alrededores, con registros que indican una aceleración de suelo de 1320 gals.

Este ultimo fue causante de de los grandes daños estructurales sufridos a lo largo de la Falla de Futagawa. Además esta ruptura de la falla se propago en dirección ENE, provocando también grandes daños y 14 muertes en Minami-Aso, una villa ubicada a los pies del Volcán Aso. Los daños tambien se propagaron hacia la Prefectura de Oita, ubicada al noreste de Kumamoto.

Figura 2. Fallas en el norte de Isla de Kyushu

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La Figura 3 muestra las distribuciones de intensidades registradas para los dos terremotos. En esta se puede apreciar que durante el primer terremoto las mayores intensidades se concentraron en la zona central de Kyushu, es decir Kumamoto y Mashiki. Según puede apreciarse en la Figura 3b, durante el segundo terremoto, altas intensidades se registraron incluso en la parte Norte de Kyushu, como la Prefectura de Oita, donde también se registraron intensidades de grado 6.

La Tabla 1, muestra la relación entre las escala de Shindo (JMA) y la escala de Mercali. Tambien esta señala una correlación aproximada con la aceleración de suelo.

La Figura 4, muestra los acelerogramas con sus valores máximos de aceleración de suelo en las direcciones Norte-Sur (N-S), Este –Oeste (E-O) y dirección vertical (U-D) así como también los espectros de respuesta en términos de de pseudo velocidad.

a)

Terremoto

2016-04-14 b)

Terremo

to 2016-04-16 Figura 3. Distribución de intensidades (Shindo, JMA)

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Tabla 1. Relación entre las Escalas de Intensidad

Escala Grado Shindo

(JMA)

1 2 3 4 5

Lower

5

Upper

6

Lower

6

Upper

7

Mercali I - II II - IV IV - V V - VII VII - VIII VIII - IX IX- XII

Aceleracion de Suelo

[Gals] 1-2 2-6 6-20 20-70 70-200 200-700

Mas de 700

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Fecha Aceleración de suelo

Acelerograma Espectro de pseudo velocidad

14 de Abril, 2016

Mashiki N-S 760 gals E-W 925 gals U-D 1400 gals

Kumamoto N-S 574 gals E-W 381 gals U-D 326 gals

16 de Abril, 2016

Kumamoto N-S 653 gals E-W 1157 gals U-D 873 gals

Kumamoto N-S 827 gals E-W 616 gals U-D 534 gals

Figura 4. Acelerogramas y espectros de pseudo velocidad

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3) CONDICIONES DEL SUELO

Kumamoto y Mashiki están ubicadas en la parte Norte de la planicie aluvial de la Prefectura de Kumamoto. La parte Sur y Este de esta planicie esta formada por aluviones holocenicos con suelos extremadamente húmedos, que en su mayoría son usados como campos de cultivo de arroz. La parte Norte de la planicie donde se ubican Kumamoto y Mashiki esta conformada por terrazas aluviales pleistocenas. Estudios anteriores mostraban una gran amplificación de de la onda sísmica debido a las condiciones de suelo.

4) HISTORIA DE LOS TERREMOTOS EN KUMAMOTO

Los terremotos históricos de la zona de Kumamoto muestran registros con magnitudes de M=6.0 a M=6.5 ocurridos cada 50 a 100 años. Ver Tabla 2. Esto indica que estos terremotos ocurridos este año no son inusuales para la zona. Por otra parte estudios de las fallas de Futagawa-Hinagu indicaban la posibilidad de ocurrencia de terremotos de magnitud 7 con desplazamientos superficiales de 2m a lo largo de una longitud de falla de 19 Km. La Figura 5 muestra un desplazamiento

lateral de 1.5m. Figura 5. Desplamiento del suelo observado la Falla de Futagawa

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Tabla 2. Terremotos historicos en Kumamoto

6) REGULACIONES ANTISISMICAS EN JAPÓN

El primer código antisismico en Japón fue introducido en 1924 un año después del gran terremoto de Kanto en 1923, que dejo un saldo de 100,000 victimas entre muertos y desaparecidos. El Código de diseño antisismico ha sido revisado después de cada terremoto que hubiera causado grandes daños.

El primer Código antisismico consideraba la fuerza sísmica como el 10% de las fuerzas verticales que actuaban en el edificio. Las fuerzas verticales incluían el peso propio y las cargas vivas.

En 1950, se modifico el Codigo de construcción de edificios y la fuerza sísmica se incremento a un 20% de las fuerzas verticales. Además se introdujo el método de diseño por solicitaciones admisibles y los edificios debían tener menos de 31 m de altura. Con algunas excepciones que permitía que algunos de ellos tuvieran hasta 45m de altura. En 1964 se elimina esta regla y se construyen edificios de gran altura como el Kasumigaseki Building de 36 pisos, con una altura de 147 m, de estructura de acero, que fue terminado de construir en 1968.

El terremoto de Tokachi-oki en 1968 (M=7.9) causo el colapso de 673 edificios y hubieron otros 3000 con grandes daños. Estos edificios que se suponía tenían suficiente resistencia sísmica, colapsaron principalmenete debido a fallas por corte de las columnas. Esto llevo a que en 1971 se cambiara la regulación del espaciamiento de los estribos de las columnas de 30 cm a 10 cm.

El terremoto de Miyagi-oki de 1978 causo daños similares a los de Tokachi-oki, con el agregado de que en muchos de los casos el colapso se debió las fallas por torsión impuestas por las fuerzas sismicas.

Las eneseñanzas dejadas por estos terremotos llevo a una drástica revisión del Codigo para estructuras antisismicas que esta en vigencia desde 1981.

Año/Mes Terrremoto Magnitud Victimas/ Daños

1619/Mayo Kumamoto 5.0 - 6.0 50 muertos

1723/Dic. Higo 6.5 2muertos, 25 heridos

1889/Julio Kumamoto 6.3 20muertos,54 heridos

1894/Agosto Norte Pref. Kumamoto 6.3 -

1895/Agosto Norte Pref. Kumamoto 6.3 -

1907/Marzo Kumamoto 5.4 -

1968/Febrero Ebi 6.1 -

1975/Enero Aso 6.1 10 heridos

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En el nuevo Codigo de diseño antisismico se introdujeron las siguientes pautas. (1) Introducción de dos tipos de terremotos de diseño. El primero es un terremoto

moderado que se define como aquel que puede ocurrir algunas veces durante la vida útil del edificio. Durante estos terremotos el edificio deberá comportarse en el rango elástico y sin daños.

El segundo, es un terremoto severo, que ocurriría solo una vez durante la vida de servicio del edificio. En estos terremoto se aceptaran daños pero sin el colapso del edificio.

(2) Propone una formula simple para evaluar la fuerza sísmica y su distribución en altura, considerando los periodos naturales.

(3)Usa un coeficiente sísmico de corte en cambio de un coeficiente sísmico (4) Considera el balance de la estructura tanto en planta como en altura

(deformaciones de piso, factor de forma que considera la rigidez y la excentricidad de piso)

(5) Usa un factor de ductilidad de acuerdo a la caracteristica de la estructura. La validez de esta revisión del Código antisismico se pudo comprobar recién

durante el terremoto de Kobe. Durante el terremoto de Kobe los edifcios de hormigón armado diseñados con el

Código de 1981, tuvieron un buen comportamiento de manera que no se hicieron modificacioes en el diseño de estas estructuras. Si embargo hubieron una gran cantidad de casas de madera que colapsaron en la zona de Kobe y Osaka. Esto llevo en el año 2000 a hacer algunas modificaciones en este tipo de estructuras, sobre todo en el diseño de las uniones de viga y columna con placas metalicas y la cantidad de diagonales que son necesarias por piso.

7 COMPORTAMIENTO DE LOS EDIFICIOS 7.1 Estructuras de Madera

La mayoría de las construcciones de madera que sufrieron daños están ubicadas en la zona de Mashiki, Nishihara y Minami Aso donde los terremotos registraron intensidad de shindo 7 en la escala JMA. La figura 6 muestra un analisis de los danos de las casa de madera en la zona de Mashiki de acuerdo a la epoca en que fueron construidas.

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Figura 6. Daños de estucturas de madera en Mashiki (entre parentesis se indica el numero de la muestra)

El colapso de estructuras de madera de 40 años ó mas, con grandes aberturas en

la parte inferior. Generalmente estas casas son estructuras tradicionales con techos de tejas muy pesados. Este tipo de construcciones hechas principalmente para resistir los grandes tifones que azotan la parte sur de Japón. En general este tipo de casas no usan soportes metalicos en las juntas de elementos.

Colapso de casas de dos pisos de entre 20 y 40 años de antiguedad, con estructuras tipo esqueleto viga columna. Generalmente son casas construidas antes de la molificación de la norma para casas de madera del año 2000. En este tipo de casas las uniones de viga y columna son uniones con clavos y en muchos casos no tienen la suficiente cantidad de elementos diagonales para resistir las fuerzas horizontales.

En algunos casos las casas colapsaron durante el primer terremoto y otras después del segundo. Pero en el primero ya habrían sufrido deformaciones permanentes que les impido afrontar el segundo.

El colapso de las casas construidas entre los años 1981 y 2000, se debió en muchos casos a un desbalance de los elementos diagonales. En el codigo no había especificación en cuanto a que estas deben ser colocadas en forma simétrica para evitar efectos de torsion.

En la mayoria de los casos a pesar de las recomendaciones e incentivos economicos de hacer trabajos de refurerzo, este tipo de refuerzos no se habían realizado.

Las casas relativamente nuevas, construidas después del año 2000, casi no Página 10 de 20

presentan daños. Se estima que esto se debe a la correcta utilizacion de placas de acero y tornillos o clavos en las uniones de viga y columna.

El colapso de las casas construidas después de la modificación de la norma del año 2000, se debe fundamentalmente a problemas constructivos o de diseño tales como discontinuidad de paredes entre el primer y el segundo piso. En otros casos los las uniones se realizaron usando placas metálicas pero no cumplen con las especificaciones de la norma actual.

Figura 7. Colapso de estructuras de madera (mas de 40 años de construidas)

Figura 8. Uniones sin juntas metalicas

Figura 9. Uniones sin juntas metalicas

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Figura 10. Deficiencia en las juntas y ubicacion de riostras diagonales

Figura 11. Casas construidas despues del año 2000 sin daños . (Mashiki)

7.2 Estructuras de Acero

La Figura 12 indica el detalle de los daños de estructuras de acero en Mashiki, que es una zona de tipo residencial con edificios de poca altura. En correlación con las estructuras de madera la mayoria de los daños se concentra en aquellos edificios construidos antes de 1981.

Figura 12 Daños de Estucturas de Acero en Mashiki Página 12 de 20

(entre parentesis se indica el numero de la muestra)

El colapso o fallas de las estructuras de acero se puede resumir como a continuacion. (1) El colapso de los edificios de acero se debió fundamentalmente al tipo de soldadura utilizada para la columna y el diafragma. En ese caso se uso soldadura de filete simple en vez de la recomendada soldadura a tope con bisel. Este tipo de fallas fue encontrada en ocasión del terremoto de Kobe. (2) De aquellos edificios con daños importantes se observo en aquellos que tienen columnas tipo caja conformadas con perfiles doble T. (3) En Kumamoto, donde los edificios son mas altos, las estructuras metálicas que presentaron mas daños fueron los edificios de estacionamiento donde las diagonales de ariostramoento entraron el fluencia y pandeo.

Figura 13. Colapso por soladura deficiente

Figura 14. Pandep de Columna

Figura 15. Pandeo de riostras diagonales

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7.3 Estructuras de Acero en Edificios Escolares

En Japón los gimnasios de las escuelas primarias y media tienen la misión de ser centros de refugio en el caso de terremotos o grandes tormentas como tifones que azotan regularmente el archipiélago.

En Kumamoto hay 136 escuelas cuyos gimnasios están designados como centros de refugio. De estos, 24 edificios, sufrieron daños que les impidieron cumplir con la misión para la cual estaban designados. Los principales daños sen indican a continuación. (1) Daños en las diagonales verticales: En gimnasios que han sido reforzados, los perfiles componentes de las diagonales no presentan signos de fluencia pero se observo en algunos casos la rotura de los agujeros que contienen a los pernos. En gimnasios diseñados por el Codigo de 1981 se observo que las diagonales con tornillos tensores presentaban grandes deformaciones y rotura de las juntas. (2) Daños de las diagonales horizontales en el techo: Rotura por corte de los pernos de las juntas. (3) Daños en los soportes del techo: Daños en los anclajes de hormigon.

Figura 16. Rotura por corte de las riostras diagonales del techo

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Figura 17. Rotura por corte de los pernos de las juntas.

Figura18. Daños en los anclajes de hormigon.

7.4 Estructuras de Hormigon Armado

La mayoría de los daños en edificios de hormigon armado se produjo en la zona de Kumamoto, Udo, Mashiki, Nishihara y Minami Aso. La Figura 19 muestra el detalle de las fallas de los edificios inspeccionados por los grupos de tarea donde los edificios que colapsaron fueron construidos antes de la modificación del Código en 1981. (1) Edificios construidos antes de 1981

Los edificios que colapsaron fue por graves daños principalmente en la columnas y uniones de viga columna. Las columnas fallaron por compresión debido falta de confinamiento lateral. Los refuerzos laterales, estribos, se usaron aceros sin estrías y con poca longitud de translape. En algunos caso también pudo observarse una muy pobre calidad de hormigon.

Este tipo de fallas ya se había observado en ocasión de los terremotos de Kobe en 1995 y Tohoku en 2011.

También se observo el colapso edificios de viviendas tipo piloti, con grandes aberturas en la primera planta, para estacionamiento o locales comerciales. Algunos de estos edificios concentran las cajas de escaleras en un extremo, lo que provoco una gran torsión y el colapso de las columnas.

Una parte de los edificios con daños importantes ya habían han sido reforzados para cumplir con el Código actual. A pesar de ello no se pudo evitar que sufrieran daños importantes. Esto debe ser objeto de estudios para determinar las causas

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reales de los daños.

Figura 19. Daños de Estucturas de Hormigon Armado (entre parentesis se indica el numero de la muestra)

Figura 20. Colapso de las columnas del piso inferior

Figura 21. Colapso del primer nivel

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Figura 22. Colapso de las columnas del piso inferior

Figura 23. Colapso de las columnas interiores del 4 to nivel (torsion)

Figura 24. Fallas por corte Figura 25. Fallas por corte

Figura 25. Falla de columnas en edificio reforzado (universidad)

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Figura 26. Falla de columnas en edificio reforzado (escuela)

(2) Edicios construidos después de 1981

La gran mayoria de los edificios de hormigón armado construidos despues de 1981 con el nuevo codigo no sufrieron colapso. Sin embargo varios sufrieron daños en elementos no estructurales. Especialmente los edificios de viviendas sufrieron fallas por corte en las paredes no estructurales así como también en las juntas de expansión.

Entre los edificios inspeccionados hay 3 que sufrieron daños importantes, especialmente en la columna de la primera planta ya sea por flexión en o en otro caso falla por adherencia de las barras longitudinales. Estudios posteriores determinaran los verdaderos motivos de estas fallas.

Figura 27. Colapso de la columna del primer nivel

Figura 28. Falla en la junta de expansion

8) CONCLUSIONES

1) Con los terremotos de intensidad 7 registrados en Mashiki y sus alrededores, gran cantidad de casas de madera colapsaron. Especialmente aquellas que deterioradas por envejecimiento con pasados techos de tejas tradicionales sufrieron grandes daños. Casas relativamente nuevas con diagonales de arriostramiento también sufrieron daños por problemas de diseño.

Los daños en las casas de madera mostraron la misma característica que se Página 18 de 20

observo durante el terremoto de Kobe. Después de este en 1995, se aconsejo el uso de placas metálicas para las uniones de elementos, sin embargo la mayoria de las que colapsaron no tenían este tipo de elementos o en otro caso fueron deficientes. 2) Los edificios de acero y hormigón armado que sufrieron daños o colapsaron, corresponden a edificios construidos antes de 1981 con el antiguo Código antisismico. Varios edificios de viviendas con grandes aberturas en la primera planta ya sea para estacionamiento o locales comerciales colapsaron a causa de la falta de confinamiento lateral de las columnas. Además estos edificios usaban barras de acero sin estrías lo que les daba una pobre adherencia con el hormigón.

En otros casos se observo el colapso del edificio por torsión debido a una deficiente distribución de las cajas de escaleras ubicadas en uno de los extremos del edificio. Este tipo de fallas fue observada también en el terremoto de Miyagi-oki en 1978, que fue objeto de la molificación del Código. En Sendai (Prefectura de Miyagi) estos edificios fueron reforzados para cumplir con las exigencias del nuevo Código. Sin embargo en Kumamoto no se llevaron a cabo estos trabajos de reforzamiento, especialmente el edificios privados donde las ordenanzas no son compulsivas sino sugestivas. 3) Respecto a los edificios públicos, en particular las escuelas que por un projecto nacional fueron reforzadas convenientemente solo sufrieron daños menores. 4) Otro tipo de edificios públicos como los edificios municipales sufrieron grandes daños o colapsaron, creando una situación caótica en la administración de los trabajos de restauración de las villas o ciudades. Esta situación también fue observada en el terremoto de Kobe donde colapso uno de los pisos del edificio municipal.

Es de esperar que aquellos edificios que han sido diseñados con el código antiguo sean reforzados apropiadamente para cumplir con el código en vigencia. 5) En un futuro cercano y teniendo en cuenta este caso de Kumamoto donde dos terremoto ocurrieron en forma sucesiva, además de la cantidad de replicas que ponen en riesgo la seguridad de los edificios debido a las deformaciones permanentes que se producen, se hace necesario implementar un sistema de monitoreo de los edificios.

También se espera una modificación del Código que contemple los terremotos de campo cercano.

9) REFERENCIAS

[1] Japan Meteorological Agency: Shindo Data Base [2] Aydan O., Castro JJ, Tomiyama J., Matsubara H. : Report of Kumamoto Earthquake, University of the Ryukyus Survey Team, May 2nd ,2016

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[3] Ministry of Land Infrastructure, Transport and Tourism: Report of Kumamoto Earthquake, June 26th 2016 [4] Yamakawa T.: Great Hanshin Earthquake Disaster and Buildings in Okinawa, May 1995 [5] Ministry of General Affairs, Fire Department, Report on Kumamoto Earthquake (No.55), May 24th, 2016 [6] Ministry of General Affairs, Fire Department, Report on Tohoku Earthquake (No.153), June 3rd, 2016 [8] Ministry of General Affairs, Fire Department, Final Report on Hanshin Awajishima Earthquake, May 2006 [9] Saito T.: Report of Kumamoto Earthquake, Toyohashi Institute of Technology, May 28th ,2016 [10] Usami, T. (1996), Materials for Comprehensive List of Destructive Earthquake in Japan (in Japanese), 605 pp., Univ. of Tokyo Press

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