SISMO CHILENO DEL 27 DE FEBRERO DE 2010: DAÑOS Y COMPORTAMIENTO DE EDIFICIOS DE MAMPOSTERÍA.

Alcaíno P.1, Valdebenito N.2

RESUMEN En este trabajo se presenta un catastro y análisis de daños sufridos, durante el sismo chileno del 27 febrero de 2010, por edificios habitacionales de interés social: edificios de bajo costo, destinados a la población de menores recursos. Las estructuras estudiadas corresponden típicamente edificaciones de mampostería que no superan los 7 pisos. Un catastro, análisis y clasificación de las estructuraciones, materialidad y de los daños más comunes fue realizado en 218 edificios, incluyendo también efectos de daños no estructurales que comprometen la habitabilidad de éstos. Los daños observados más comunes fueron daños por esfuerzo de corte; fallas de adherencia; daños en zonas de compresión por flexión y columna corta, todas de naturaleza frágil. Una comparación entre antigüedad, altura, materialidad, condiciones locales y nivel de daño ha sido realizada. Como conclusión de este estudio se tiene que el comportamiento de los edificios de mampostería analizados es controlado principalmente por condiciones locales del terreno, detalles de diseño, calidad de materiales y construcción, pudiendo ser observado un comportamiento predominantemente lineal elástico frágil. Dicha fragilidad no se asocia al material, sino que se debe, principalmente a aspectos de estructuración y detalles de diseño. Palabras Claves: Mampostería, albañilería, terremoto chileno.

ABSTRACT

In this work is presented a study and analysis of damages of masonry building due to the Chilean earthquake of February 27th 2010. The studied buildings correspond to government-subsidized low-income dwellings not exceeding seven floors high. A classification of 218 buildings was developed including structuration, materials, structural damages and non-structural damages that disable buildings. The main failures observed were due to adherence, high compression stress, short columns and shear failures, all characterized by their fragility. A comparison between age, height, materials, local ground conditions and damage level was made. The conclusion of this work indicates that the behavior of masonry structures analyzed is mainly controlled by local ground conditions, design details, quality materials and construction. In fact, it is possible to see a predominant linear elastic and fragile behavior, mainly due to the structuration and design details and not by the materials fragility. Keywords: Masonry, Chilean earthquake. El presente artículo hace parte de las memorias del V Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, organizado por la Universidad EAFIT, la Asociación de Ingenieros Estructurales de Antioquia y la Asociación de Colombiana de Ingeniería Sísmica. Medellín, 25 al 27 de mayo de 2011.

1 Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, palcaino@puc.cl 2 Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, nathyyy31@hotmail.com

INTRODUCCIÓN

En la madrugada del 27 de febrero de 2010 a las 03:34 se registró un evento sísmico de magnitud de momento Mw8.8, con epicentro en la zona costera centro sur de Chile (S35.85 W72.71) a profundidad de aproximadamente 35km. Posterior al evento principal, en dichas zonas costeras se registraron tsunamis con diferentes niveles de destrucción. El área de ruptura del sismo se extendió aproximadamente entre las ciudades de Concepción y Matanzas, afectando una población que supera los 8 millones en las ciudades más densamente pobladas del país. Las cifras oficiales aluden a 521 muertos, aproximadamente ½ millón de viviendas afectadas, más de dos millones de damnificados y un costo estimado en treinta mil millones de dólares (aproximadamente 12% del PIB de Chile). Se vieron afectadas gran cantidad de obras críticas como industrias, puentes, carreteras, hospitales, represas, instalaciones mineras, edificios altos y modernos, así como poblaciones de interés social (viviendas subsidiadas por el gobierno) destinadas a población de menor ingreso (viviendas sociales), las que, en la zona en cuestión corresponden típicamente edificios de mampostería (albañilería) de baja a mediana altura (Gómez, 2001, Moroni et al., 2004). El presente trabajo se concentra en el análisis de daños observados más comunes, producto del terremoto del 27 de febrero de 2010, en edificios de mampostería, intentando identificar y separar los aspectos propios del comportamiento, diseño y construcción de los mismos. Un total de 218 edificaciones estructuradas principalmente en base a muros de mampostería, en una o ambas direcciones principales de la misma y con alturas que oscilan entre 2 y 7 pisos, fueron inspeccionadas luego del sismo. La distribución espacial de los edificios estudiados se extiende por dos de las 5 regiones más afectadas por éste: Región del Maule (ciudades de Cauquenes, Constitución, Curicó y Talca) y Región Metropolitana (ciudad de Santiago). Las variables consideradas en este estudio incluyen la antigüedad del edificio (año de construcción), altura (número de pisos), materialidad (tipo y calidad de los materiales, así como sistema estructural: muros de mampostería confinada o reforzada), detalles de diseño (observables), condiciones locales del terreno (observables) y nivel de daño en la estructura. En menor medida se consideró la incidencia de daños no estructurales siempre y cuando éstos comprometieran la habitabilidad de la edificación. Finalmente se relacionó el nivel de daño observado con las variables previamente indicadas.

ANTECEDENTES Hasta finales de la década de 1920, en Chile, en la construcción de viviendas predominaba el uso edificaciones bajas estructuradas en base a gruesos muros de adobe y/o combinación de adobe y madera. Dado que, en la zona central del país, esta técnica había fracasado en resistir los sismos

de 1575 (Ms 7.6), 1647 (Ms 8.5), 1730 (Ms 8.7), 1822 (Ms 8.5) (Lomnitz, 1970 ) y 1906 (Ms8.6), la construcción de edificios habitacionales de mampostería de ladrillos y/o bloques de hormigón bajo la concepción moderna, fue introducida a Chile en la década de 1930, como una técnica que usa materiales de construcción alternativos al adobe y de menor costo que el hormigón armado.

Inicialmente ante la ausencia de códigos de diseño y poca o nula experiencia de la ingeniería y mano de obra nacional en la ejecución de este tipo de obras (de mampostería), se construyeron estructuras de muros sin ningún tipo de refuerzo, las que durante el terremoto de Chillán de 1939 experimentaron severos daños. Considerando la lección aprendida a partir de esta experiencia, comenzó el uso masivo estructuras de muros de mampostería confinada por pilares y cadenas de hormigón armado. Adicionalmente, a partir de la década de 1960 e inicios de la década de 1970 se comenzaron a construir en Chile edificios estructurados en base a muros de mampostería reforzada (albañilería armada), hechos de unidades (ladrillos cerámicos o bloques de cemento) con huecos por los cuales pasan barras verticales de acero dúctil (armadura de flexión) y con barras de acero horizontales embebidas en el mortero de pega. Sin embargo, nuevamente la inexperiencia del medio y la falta de códigos de diseño y construcción favorecieron la incidencia reiterativa de daños severos en estos edificios producto de numerosos terremotos destructivos ocurridos en ese periodo. Así, la insatisfactoria experiencia recopilada en los sismos de Chillán (1939, Magnitud 8.0), La Ligua (1965, Magnitud 7.1), Papudo (1971, Magnitud 7.5) y Llolleo - Viña del Mar (1985, Ms7.8) (Moroni et al., 2004, Cruz et al., 1988) llevó a desarrollar el primer código chileno de diseño en mampostería en 1986, la norma NCh 1928 (INN, 1986), para diseño de edificios de mampostería reforzada (albañilería armada), la que luego fue modificada en 1993 (INN, 1993) y en 2003 (INN, 2003). Paralelamente, se procedió a publicar en 1997 la norma NCh 2123 (INN, 1997) para diseño de edificios de mampostería confinada (albañilería confinada), que también fue modificada en 2003 (INN, 2003). Todas estas normativas adoptaron la filosofía de diseño por tensiones admisibles (ASD), situación comparable a algunos códigos existente en países como Perú (Ministerio de vivienda, 2006) o Colombia (AIS, 1998). Es importante recordar que bajo esta filosofía solo es posible controlar el comportamiento de la estructura hasta que en algún punto de ella alcance la tensión máxima admisible. Desde ese instante en adelante, la metodología de diseño por tensiones admisible no permite evaluar con certeza los modos de falla. Con todo lo anterior y a pesar del desarrollo científico y de ingeniería, durante sismos recientes, como en Punitaqui (1997, Magnitud 6.8), Iquique (2005, Magnitud 7.9), Tocopilla (2008, Magnitud 7.7) (Alcaíno y Santa María, 2008) y el del 27 de febrero de 2010 en la zona del Maule (Mw 8.8) (Alcaíno et al., 2010), se produjeron daños significativos en edificios de albañilería, mostrando claras deficiencias en la concepción de estos proyectos. Por lo anterior, el presente trabajo se concentra en un análisis de daños comunes, producto del terremoto del 27 de febrero de 2010, en edificios de albañilería, intentando identificar y separar los aspectos propios del comportamiento, diseño y construcción.

PROCEDIMIENTO DEL ESTUDIO Luego del terremoto chileno del 27 de febrero de 2010, en cinco de las ciudades más afectadas por el sismo, Cauquenes, Constitución, Curicó, Talca y Santiago se realizaron inspecciones visuales a un total de 218 edificaciones estructuradas principalmente en base a muros de mampostería. Estas 218 edificaciones contienen un total de 3810 unidades de vivienda, correspondientes tanto a

departamentos como casas, las que fueron inspeccionadas por equipos de ingenieros civiles y ayudantes debidamente capacitados. La inspección, realizada tuvo como objetivo inicial reconocer la estructuración, calificar cualitativamente la calidad de construcción en cuanto a materiales, ejecución, disposición de elementos resistentes, identificar condiciones locales especiales en el terreno (como presencia de napa freática alta, posibles efectos de amplificación topográficos, licuefacción, entre otros) y evaluar en terreno los posibles daños estructurales, para de acuerdo a los mecanismos de falla observados, niveles de severidad, porcentaje de ocurrencia y extensión de daños, emitir un juicio profesional sobre el estado de dichas estructuras principalmente desde un punto de vista estructural. En la Tabla 1 se presentan algunos aspectos generales de las edificaciones inspeccionadas: los nombres de las villas y/o poblaciones inspeccionadas han sido reemplazadas pues esa información debe ser manejada con prudencia en pos de la tranquilidad y bienestar de la población afectada. En las Fotografías de la Figura 1 se muestran vistas representativas de los diferentes tipos (alturas) de edificaciones inspeccionadas.

(a) (b) (c)

(d) (e)

Figura 1. Vistas de edificios tipo de (a) 2, (b) 3, (c) 4, (d) 5, (e) 6 pisos. Los niveles de severidad del daño se determinaron según las recomendaciones de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS, 2002), las que, para efectos de este estudio, fueron comparadas con escalas o índices de daño propuestos por Tomazevic (1999) y Figueroa (2000). En la Tabla 2 se presenta una descripción resumida de los diferentes índices o grados de daño estudiados. Una vez realizadas las inspecciones, se clasificaron los edificios por altura (cantidad de pisos) y estructuración: fundamentalmente se observaron estructuraciones en base a muros de mampostería reforzada o confinada en ambas direcciones principales del edificio; o en base a muros de mampostería reforzada en una y confinada en la otra, estructuración que en este documento es denominada “mixta” (ver Tabla 1). Ocasionalmente, se encontraron marcos de concreto reforzado (hormigón armado, H. A.) los que se indican en cada caso.

Tabla 1. Detalle de edificaciones inspeccionadas

Ciudad Villa Pobl.

Construido (año)

# Pisos

Estruct. Unidad de

mampostería # Edif.

# Deptos o casas

Cauquenes A1 1993 2(1) (2) M. Conf. L. Artesanal 31 61

Constitución A2 1997 2(1) (2) Mixta L. Artesanal L. Cerámico

3 20

Constitución A3 1993 2 M. Ref. L. Cerámico 3 28

Subtotal 37 109

Cauquenes B1 1993 3 Mixta L. Artesanal L. Cerámico

4 60

Cauquenes B2 1997 3 Mixta L. Artesanal L. Cerámico

9 102

Constitución B3 1997 3 M. Conf. L. Cerámico 10 84

Constitución B4 1995 3 M. Conf. L. Cerámico 10 210

Curicó B5 1994 3 M. Conf. L. Artesanal 10 108

Curicó B6 1996 3 M. Conf. L. Artesanal 14 108

Santiago B7 1960 3 M. Conf. Bloq. Cemento 1 36

Subtotal 58 708

Constitución C1 1995 4 M. Conf. L. Artesanal 4 84

Talca C2 2003 4 M. Conf. L. Cerámico 8 256

Talca C3 1967 4 M. Conf. L. Artesanal 13 144

Talca C4 1970 4 Marcos H. A.

M. Conf. L. Artesanal 8 144

Santiago C5 1960 4 M. Conf. L. Artesanal 10 240

Subtotal 43 868

Talca D1 1958 5 M. Conf. L. Artesanal 4 60

Talca D2 1970 5 M. Conf. L. Artesanal 31 155

Santiago D3 1960 5 M. Conf. Bloq. Cemento 6 120

Santiago D4 1960 5 M. Conf. Bloq. Cemento 20 400

D5 1950 5 Marcos H. A.

M. Conf. L. Artesanal 14 840

Subtotal 75 1575

Santiago E1 1950 6 Marcos H. A.

M. Conf. L. Artesanal 3 270

Subtotal 3 270

Santiago F1 1960 7 Marcos H. A.

M. Conf. L. Artesanal 2 280

Subtotal 2 280

Totales 218 3810 (1) Primer piso: mampostería reforzada; Segundo piso: material ligero. (2) Muros cortafuego de mampostería confinada.

Se incluye también en la Tabla 1, la ciudad en que se emplaza el conjunto de edificios, el año aproximado de construcción, el tipo de material que compone la mampostería, la cantidad de edificios las unidades de vivienda (casa y/o departamentos) que cada conjunto habitacional representa.

Tabla 2. Equivalencia entre escalas de daño consideradas en este estudio.

AIS Figueroa Tomazevic

Daño Grado Descripción Id Descripción

Sin daños

0 Sin daño

0 Sin daño 1

Finas grietas horizontales en más del 50% de base del muro. Caída de trozos

pequeños de estuco

Leve 2 Grietas horizontales cubren el 100% de

la base del muro. Grietas diagonales cortas (e<0.4 mm)

0.25 Formación de primera fisura

Diagonal importante (70% de altura del muro)

Moderado 3 Grietas diagonales entre armaduras Horizontales no entran en cabezas

de compresión (e<1.5 mm) 0.5

Presencia de red de fisuras diagonales. Se alcanza

resistencia máxima

Fuerte 4

Grietas diagonales (e<5mm) en zona de compresión. Corte de algunas armaduras horizontales. Grietas

verticales en encuentro de muros

0.75

Aumenta espesor de fisuras. Aplastamiento y agrietamiento de ladrillos y mortero en 50%

del muro

Severo 5

Fuerte aplastamiento en zonas de compresión. Grieta principal en muro.

Armaduras horizontales cortadas. Deformación permanente importante.

1.00 Daño intenso, no reparable

o colapso del muro

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Daños estructurales por detallamiento. Los principales daños estructurales observados corresponden a fallas por esfuerzo de corte principalmente en los muros del primer nivel de edificios de 3 o más pisos. Como se puede aprecias en las Fotografías de la Figura 2, esta falla se caracterizó por la presencia de una gran grita en las diagonales principales de los muros, dejando en evidencia la falta de refuerzo horizontal en ellos. Se observaron también deficiencias importantes en el detallamiento de las zonas críticas de pilares y vigas de confinamiento, en los edificios de mampostería confinada (ver Fotografías de la Figura 3), a los cuales no les fue provisto un refuerzo de corte adecuado. Un caso similar se puede observar en la Figura 4, donde una falta de detallamiento adecuado permite la formación de “columnas o muros cortos”, en los que predomina la falla por esfuerzo de corte. Otro de los daños atribuibles a un mal detallamiento corresponde a la falla de compresión por flexión. En las Fotografías de la Figura 5 se pueden observar dichos efectos. Es posible notar también una pobre adherencia o traba mecánica entre el elemento de confinamiento y el ladrillo,

lo cual se debe, en estos casos, a una combinación de la baja resistencia de la unidad de mampostería y a deficiencias constructivas.

Figura 2. Daños por corte observados en los muros de edificios de 3 o más pisos.

Figura 3. Daños zonas críticas de elementos de confinamiento.

Figura 4. Columnas y/o muros cortos.

Figura 5. Daño de compresión por flexión.

Influencia de la altura del edificio. En la Figura 6 se presenta la relación observada (en el espacio muestral que reportó algún daño) entre el nivel de daño y la altura del edificio. Se puede observar claramente que la incidencia de daños fuertes o severos es mayor mientras más alto es el edificio, ante lo cual la restricción presente en los códigos chilenos de diseño de no superar los 4 pisos de altura para edificios de mampostería resulta razonable.

Figura 6. Relación observada entre nivel de daño y altura del edificio.

Influencia de la materialidad del edificio. En la Figura 7 se presenta la relación observada entre el nivel de daño observado y la materialidad del edificio. En este caso no es simple establecer alguna relación concluyente respecto a la influencia del tipo de unidad de mampostería utilizada, ya que, los edificios con daños fuertes a severos se reparten bastante homogéneamente según el tipo de material utilizado en su construcción.

2 p

isos

3 p

isos

4 p

isos

5 p

isos

6 p

isos

7 p

isos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Sin

daño

Leve

Modera

do

Fuert

e

Severo

Alturaedificio

% Edificiosdañados

Nivel de daño

Influencia de la antigüedad del edificio. Según las observaciones realizadas en terreno, los edificios estudiados no presentaron evidencias significativas de daños por efectos del tiempo y del medio ambiente (corrosión, lixiviación del cemento, etc.). Sin embargo, la edad (o data de construcción) resultó ser un parámetro que si tiene una relación interesante con el nivel de daño observado, tal como se observa en la Figura 8. En ella se aprecia los edificios más antiguos presentan daños fuertes (sobre un 20 a 30% de ellos), esto se debe, muy posiblemente a deficiencias conceptuales en la concepción del proyecto producto de la poca experiencia y falta de tecnologías de la época. Llama particularmente la atención que los edificios construidos durante la década de 1990 (ver Figura 8), época en la cual las normativas de diseño de edificios de mampostería entraron en vigencia, así como la norma para el diseño sísmico de edificios NCh 433 Of.1993 (INN, 1993). En esta última norma se detectaron algunas deficiencias, las que fueron corregidas en 1996 (INN, 1996). Posiblemente parte importante de los daños observados en los edificios construidos en esa década se deban a las deficiencias ya mencionadas.

Figura 7. Relación no concluyente entre materialidad y daño en los edificios.

Ladrillo

art

esanal

Ladrillo

cerá

mic

o

Blo

que d

e c

em

ento

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sin

daño

Leve

Modera

do

Fuert

e

Severo

Material

% Edificiosdañados

Nivel de daño

Figura 8. Relación entre antigüedad (fecha de construcción) y daño en los edificios.

Influencia de efectos sitio y/o condiciones particulares del terreno. Fue posible identificar dos tipos de condiciones particulares del terreno, presencias de napa freática relativamente superficial y posibles efectos de amplificación topográfica, producto de la morfología del terreno. Ambos casos se relacionan estrechamente con el nivel de daño observado, tal como se aprecia en la Figura 9.

Figura 9. Relación entre condiciones locales del terreno y daño en los edificios.

1950 a

1959

1960 a

1969

19

70 a

1079

1980 a

1989

1990 a

1999

2000 a

2009

0

20

40

60

80

100

Sin

daño

Leve

Moder…

Fu

ert

e

Severo

Año de construcción

% Edificiosdañados

Nivel de daño

NO

Na

pa

fre

ática

To

po

gra

fía

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Sin

da

ño

Le

ve

Mo

de

rad

o

Fu

ert

e

Se

ve

ro

Condición especial del terreno

% Edificiosdañados

Nivel de daño

Ejemplos de lo anterior se muestran en las Fotografías de la Figura 10. En ellas se puede ver como la cercanía de un canal de regadío, contribuye a la generación de descensos diferenciales de hasta 20 cm así como facilita pequeños deslizamientos de talud en las cercanías de los edificios, produciendo fuertes daños y giro de la estructura.

Figura 10. Daños en los edificios por efecto de condiciones locales del suelo: Napa freática.

Análogamente, la presencia de condiciones topográficas particulares como las mostradas en las Fotografías de la Figura 11, incide en la generación de daño. Se observa como edificios emplazados en la cima de un talud de gran altura (que incluso experimentó pequeños deslizamientos) tienen un alto nivel de daño, llegando incluso al colapso. Este nivel de daño decrece en la medida que los edificios se alejan del borde del talud, tal como lo ilustra la Figura 12. En las Fotografías de la Figura 11 también se ve como edificios idénticos emplazados muy cerca uno del otro, pero sólo con pequeñas diferencias de cota, experimentaron niveles de daño muy diferentes (ver también Figura 12).

Figura 11. Condiciones de amplificación dinámica por efectos topográficos y daños (colapso) de

un edificio.

20cm Deslizamiento

Deslizamiento

5m

Edificios con poco daño

Edificio muy dañado

Figura 12. Distribución de edificios de tres pisos en poblaciones con mayores daños.

Comportamiento. La tipología de los edificios estudiados, es la estructuración típica de edificios de viviendas sociales, consiste en una estructura de muros paralelos en ambas direcciones del edificio (ver Fotografías de Figura 1), generando un sistema fuertemente isostático en cada dirección, privilegiando así un comportamiento frágil ya que existe muy poca o nula redistribución de esfuerzos una vez que los elementos estructurales comienzan a experimentar daño. Además, dada la naturaleza frágil de todas las fallas observadas, es razonable inferir que estos edificios desarrollaron un comportamiento fuertemente lineal elástico frágil, como el indicado en la Figura 13. Esta hipótesis permite explicar los casos mostrados en las Figura 10, 11 y 12: conjuntos de edificios prácticamente idénticos entre sí (igual diseño estructural, mismos materiales, misma empresa constructora, igual data de construcción), pero que experimentaron niveles de daño dramáticamente diferentes. Así, la diferencia entre estructuras con poco o mucho daño sólo radica en muy pequeñas diferencias (atribuibles por ejemplo a condiciones muy locales) en el movimiento que éstas experimentaron.

Figura 13. Hipótesis del tipo de comportamiento experimentado por los edificios.

Finalmente si se considera que el diseño de estos edificios está basado en la técnica de las tensiones admisibles, mediante la cual no es posible controlar el modo de falla, el diseño final de estos puede resultar seguro para condiciones de trabajo, pero no es posible analizar con certeza el nivel de seguridad de estas estructuras ante eventos que superan los niveles de diseño. Por lo tanto, utilizar el método de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) parece ser una solución razonable.

Sa ó Q0

Edificio con poco daño

Edificio con daño severo

Zona con diferencia de cotas

CONCLUSIONES

A partir de los resultados de este estudio se puede concluir que las condiciones locales del terreno y altura del edificio (número de pisos) son los factores, que ante el estado del arte actual, presentan mayor influencia en el nivel de daños experimentado por los edificios de mampostería. Por otro lado, más que la antigüedad del edificio mismo, resulta particularmente importante las especificaciones de diseño y nivel de detallamiento considerado. En conformidad con lo anterior, serias deficiencias en el detallamiento del refuerzo al esfuerzo de corte de muros mampostería fueron detectadas, condicionando fuertemente el comportamiento frágil de los edificios. Del mismo modo, deficiencias en el detallamiento de las zonas críticas de cadenas y pilares de confinamiento fueron observadas. Por otro lado, las estructuraciones utilizadas en la construcción de viviendas sociales pueden mejorarse modificando levemente la arquitectura permitiendo generar elementos estructurales con diferente rigidez y resistencia permitiendo redistribución de esfuerzos una vez iniciado el proceso de agrietamiento, logrando un mayor grado de hiperestaticidad generando al mismo tiempo un la posibilidad de un comportamiento más dúctil. Finalmente, como primera aproximación y a partir de estas observaciones realizadas, el suponer que estas estructuras presentaron un comportamiento principalmente lineal elástico frágil aparentemente resulta razonable.

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