Captulo 1

Introduccin

El fenmeno ssmico representa una de las manifestaciones ms impactantes de lanaturaleza. Las prdidas de vidas humanas y la destruccin de las infraestructurascreadas por el hombre, demuestran el potencial devastador de este fenmeno. Aspues, la investigacin del comportamiento de las estructuras frente a la accin ss-mica, representa un objetivo permanente de la ingeniera ssmica (Dumova, 2000).Las ltimas catstrofes ssmicas han puesto en evidencia, una vez ms, el mal fun-

cionamiento de las estructuras existentes, y la necesidad de intervenir todas aquellasestructuras que han sido diseadas con criterios de normativas antiguas, inadecuadaso aquellas que han sido construidas antes de la aparicin de los cdigos de diseo.El avance significativo en nuevos criterios de diseo sismorresistente, debe ser exten-dido a todas las estructuras existentes, para ello, es indispensable identificar su gradode vulnerabilidad ssmica. De igual forma, es necesario comprobar que las nuevasfilosofas de diseo, proporcionan estructuras resistentes que permiten preservar lasvidas humanas y que cumplen con los objetivos bsicos de las normativas para losmovimientos ssmicos de diseo considerados. De esta forma, se avanza en el campopreventivo, evitando catstrofes que dejan como resultado prdidas incalculables einaceptables tanto desde el punto de vista social como econmico.La evaluacin del desempeo y la vulnerabilidad ssmica, supone el desarrollo

de metodologas que puedan ser utilizadas de acuerdo a la informacin disponibleen cada zona, lo cual, est estrechamente relacionado con el nivel de actividadssmica. Adicionalmente, las metodologas deben considerar las incertidumbres enlos parmetros ssmicos y estructurales, tanto para la definicin del modelo de laaccin ssmica como para el modelo utilizado para representar el comportamientode la estructura, debido a la gran sensibilidad de los mtodos ante estas variaciones.En este trabajo, se evala el desempeo y la vulnerabilidad ssmica de edificios

aporticados de hormign armado y edificios de mampostera no reforzada, tpicos delas ciudades de Manizales en Colombia y Barcelona en Espaa, respectivamente. Laciudad de Manizales, est localizada en una zona con un elevado potencial ssmico y,adicionalmente, un gran porcentaje de las estructuras existentes, han sido diseadas

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2 CAPTULO 1. INTRODUCCIN

y construidas sin ningn tipo de consideracin ssmica. Por lo tanto, esta ciudadse encuentra expuesta a un riesgo ssmico considerable, el cual debe ser reducidomediante una evaluacin apropiada tanto de la amenaza como de la vulnerabilidadssmica de las principales tipologas existentes. En este caso, la metodologa desarro-llada para la evaluacin del dao, incorpora la informacin instrumental disponiblede la accin ssmica y la informacin correspondiente a las caractersticas propiasde las tipologas estructurales.En cuanto a la ciudad de Barcelona, sta se encuentra localizada en una zona

de sismicidad moderada, por lo tanto, dispone de escasa informacin instrumental.Adicionalmente, la mayora de los edificios existentes, carecen de cualquier conside-racin de diseo sismorresistente, presentando un grado de vulnerabilidad alto. Aspues, para superar la ausencia de informacin y considerar las incertidumbres en losparmetros estructurales, la metodologa desarrollada para esta zona de sismicidadmoderada, utiliza la tcnica de simulacin por el mtodo de Monte Carlo y algorit-mos simplificados inditos para la evaluacin del dao. Como un primer paso haciala evaluacin de la vulnerabilidad y el desempeo ssmico de los edificios existentesen la ciudad, se han elegido los edificios de mampostera no reforzada del distritode lEixample de Barcelona. Esta tipologa es la ms representativa de los edifi-cios existentes en Barcelona y probablemente en gran parte del territorio Espaol y,adicionalmente, carece de cualquier tipo de consideracin de diseo sismorresistente.A partir del desarrollo de estas metodologas, se proponen expresiones simpli-

ficadas para la evaluacin del dao de las tipologas analizadas, consistentes conla forma de definir la amenaza ssmica en las regiones donde estn localizadas lasestructuras. Estas expresiones son utilizadas para la generacin de mapas de riesgossmico, para diferentes escenarios, los cuales permiten identificar posibles focos deconcentracin de daos y pueden ser utilizados directamente para desarrollar planesde prevencin y atencin de desastres en los entornos urbanos.

1.1 Objetivos y alcance del estudio

1.1.1 Motivacin

El desarrollo de nuevas filosofas de diseo y el avance en el conocimiento del com-portamiento dinmico de los edificios frente a la accin ssmica, debe ser utilizadopara reducir el riesgo ssmico existente en los grandes centros urbanos, debido a questos albergan la mayor parte de la poblacin mundial. Por lo general, son las nuevasconstrucciones las nicas que incorporan los avances en el diseo de estructuras, sinembargo, stas representan un porcentaje nfimo sobre el total de las estructurasexistentes. As pues, es indispensable desarrollar e implementar metodologas parala evaluacin del desempeo, la vulnerabilidad y el riesgo ssmico de estructurasexistentes, que permitan identificar las fuentes y los posibles focos de concentracinde dao, para que puedan adelantarse tareas de reforzamiento y rehabilitacin de

1.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL ESTUDIO 3

estructuras, que permitan controlar y reducir el riesgo ssmico existente.Por otra parte, el nivel de actividad ssmica de una zona y la cantidad de informa-

cin disponible sobre las tipologas estructurales existentes, sugieren el desarrollo demetodologas adecuadas a las condiciones propias de la zona y que puedan superarlas limitaciones en cuanto a informacin, mediante el uso de tcnicas de simulacin.

1.1.2 Objetivos

Para reducir el nmero de prdidas de vidas humanas y las prdidas asociadas conun posible fallo de las estructuras existentes debido a la accin ssmica, se requiereun conocimiento adecuado de su desempeo y vulnerabilidad ssmica. Por lo tanto,el objetivo principal de esta investigacin, consiste en desarrollar e implementar unametodologa para la evaluacin del desempeo, la vulnerabilidad y el riesgo ssmicode edificios, y una aplicacin a dos tipologas estructurales tpicas de los edificiosexistentes en los entornos urbanos: 1) los edificios aporticados de hormign armado,ampliamente utilizados en zonas de sismicidad moderada y alta y 2) los edificiosde mampostera no reforzada, que constituyen la gran mayora de las estructurasantiguas existentes en zonas urbanas. Por otra parte, la metodologa propuestadebe considerar el nivel de actividad ssmica de la zona, la informacin ssmica yestructural disponible, el nivel de diseo de las estructuras, las incertidumbres enlos parmetros ssmicos y estructurales y los avances logrados en los procesos deanlisis, modelacin y simulacin del comportamiento ssmico de estructuras.El objetivo global de la tesis puede desglosarse en la consecucin de los siguientes

objetivos especficos:

Describir los conceptos bsicos y los principales mtodos existentes para laevaluacin de la vulnerabilidad y el dao ssmico de edificios.

Presentar el marco conceptual de la nueva filosofa de diseo basada en eldesempeo, as como los principales mtodos simplificados utilizados para laevaluacin del nivel de desempeo ssmico de edificios. Analizar las limitacio-nes y las diferencias en los resultados obtenidos al utilizar cada uno de estosmtodos.

Desarrollar e implementar una metodologa para la generacin de curvas defragilidad y matrices de probabilidad de dao, desde una ptica probabilista.Para ello se utiliza una avanzada herramienta computacional (PROMENVIR),que incorpora el proceso de simulacin por el mtodo de Monte Carlo.

Proponer expresiones simplificadas que permitan una evaluacin expedita dela distribucin del dao global de los edificios aporticados de hormign armadoy mampostera no reforzada, que puedan ser implementadas en las normativasde diseo y en las reglamentaciones para la evaluacin del riesgo ssmico.

4 CAPTULO 1. INTRODUCCIN

Analizar la respuesta dinmica no lineal de estructuras con y sin diseo sis-morresistente, identificando las mejoras que se logran desde el punto de vistaestructural, con la utilizacin de consideraciones de diseo sismorresistente.

Generar mapas de dao ssmico mediante el uso de sistemas de informacingeogrfica, para los escenarios ssmicos correspondientes a los diferentes tiposde representacin de la demanda ssmica.

Analizar la sensibilidad de los mtodos utilizados para la evaluacin del de-sempeo y la vulnerabilidad ssmica, con respecto a los siguientes factores:1) las incertidumbres en las propiedades mecnicas de los materiales, 2) lasvariaciones en los parmetros que controlan la forma suavizada de los espectrosde diseo y 3) las variaciones en la definicin de los umbrales de los estadosdiscretos de dao.

Verificar el cumplimiento de los objetivos de desempeo propuestos en lasnormativas de diseo sismorresistente para el movimiento ssmico de diseo,de los edificios de hormign armado tpicos de la ciudad de Manizales y losedificios de mampostera no reforzada de lEixample en Barcelona, representa-tivos de edificios situados respectivamente en zonas de actividad ssmica altay moderada.

Analizar la influencia del uso de espectros de respuesta suavizados para re-presentar la demanda ssmica, en la evaluacin del nivel de desempeo deedificios.

1.1.3 Alcance

Por lo tanto, el presente estudio desarrolla metodologas que pueden ser utilizadaspara la evaluacin del desempeo y la vulnerabilidad ssmica de edificios tanto enzonas de sismicidad alta como moderada. Estas metodologas consideran las incer-tidumbres en los parmetros ssmicos y estructurales, mediante la simulacin porordenador. En el caso de las zonas con una actividad ssmica alta, se considera lainformacin de la aceleracin ssmica registrada en la zona para la definicin de lademanda ssmica.As pues, se desarrollan, a partir de estas metodologas, expresiones simples

que pueden ser utilizadas para evaluar la distribucin del dao global de edificiosy que permiten generar mapas del dao ssmico en entornos urbanos, mediante eluso de sistemas de informacin geogrfica. A partir de estos mapas, es posibleidentificar los sistemas estructurales con un desempeo deficiente y, por lo tanto,realizar estudios ms detallados que permitan desarrollar tcnicas de reforzamientode estas estructuras, con el fin de garantizar su buen desempeo.

1.2. CONTENIDO DE LA MEMORIA 5

1.2 Contenido de la memoria

El contenido de la tesis se ha estructurado en tres partes; la Parte I est divididaen 5 captulos, en los cuales se describen los conceptos y los principales mtodosutilizados para la evaluacin del desempeo, la vulnerabilidad y el dao ssmico deedificios. De forma que los lectores conocedores de estos aspectos conceptuales ymtodolgicos, pueden obviar esta parte. El captulo 2, presenta una clasificacinde las metodologas existentes para el anlisis de la vulnerabilidad ssmica y unadescripcin de los principales aspectos relacionados con el dao ssmico, incluyendolos diferentes tipos de elementos propensos al dao, los tipos de representacin yla clasificacin de los ndices y estados de dao. En el captulo 3, se presenta elmarco conceptual de la nueva filosofa de diseo basada en el desempeo ssmico.Se analizan y se comparan los principales mtodos simplificados basados en el bi-nomio capacidad-demanda, utilizados para evaluar el nivel de desempeo ssmicode edificios. El captulo 4, se centra en los mtodos utilizados para la generacinde curvas de fragilidad y matrices de probabilidad de dao. Se hace nfasis en dosmetodologa; una probabilista utilizada para zonas de sismicidad alta y otra determi-nista para zonas de sismicidad moderada. Ambas sern utilizadas, en este trabajo,para generar las curvas de fragilidad de los edificios de hormign armado tpicosde la ciudad de Manizales y los edificios de mampostera no reforzada del distritode lEixample en Barcelona, respectivamente. Para finalizar esta primera parte, enlos captulos 5 y 6 se describe el comportamiento ssmico de edificios aporticadosde hormign armado y edificios de mampostera no reforzada, respectivamente. Seanalizan los principales conceptos relacionados con las propiedades mecnicas de losmateriales, su comportamiento ante los principales estados de esfuerzos tensionalesy ante cargas cclicas. Adicionalmente, se presenta una descripcin de los principalesmecanismos de fallo observados durante los movimientos ssmicos.La Parte II est dividida en tres captulos, que corresponden a la aplicacin de

las metodologas desarrolladas en la primera parte, para la evaluacin del desem-peo y la vulnerabilidad ssmica de los edificios aporticados de hormign armadotpicos de la ciudad de Manizales en Colombia. En el captulo 7, se describe laciudad y la amenaza ssmica de acuerdo a los estudios de zonificacin ssmica rea-lizados en el pas. Adicionalmente, se presenta un modelo estocstico de la accinssmica, desarrollado por Hurtado (1999) a partir de acelerogramas registrados en lazona. Se define la demanda ssmica utilizando los espectros de diseo propuestos porlas normativas Colombianas (Cdigo de Construcciones Sismo Resistente de 1984,CCCSR-84, y las actuales Normas Colombianas de Diseo Sismorresistente de 1998,NSR-98) y los espectros de respuesta de los acelerogramas sintticos generados apartir del modelo estocstico. En el captulo 8, se presenta una descripcin de laevolucin de las construcciones en la ciudad de Manizales, destacando las tipologasms importantes. Se definen los modelos estructurales que representan los edifi-cios aporticados de hormign armado y se evala su capacidad ssmica, mediante

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un anlisis esttico no lineal. El captulo 9 corresponde a la evaluacin del desem-peo y la vulnerabilidad ssmica de los modelos ms representativos. Se obtienela distribucin del dao global de estos edificios para los tres escenarios ssmicosconsiderados (espectro de diseo del CCCSR-84, espectro de diseo de la NSR-98 yespectros de respuesta de los acelerogramas locales) y se determinan los parmetroscaractersticos de la funcin de distribucin lognormal de dao. Adicionalmente, seanaliza la influencia de la forma suavizada (poco realista) de los espectros de diseoutilizados para representar la demanda ssmica, en la determinacin del nivel dedesempeo de los edificios de la ciudad de Manizales.La Parte III tambin est compuesta por tres captulos, con una distribucin

paralela a la utilizada en la Parte II, pero en este caso, las metodologas desarrolladaspara la evaluacin del desempeo y la vulnerabilidad ssmica, se aplican a los edificiosde mampostera no reforzada representativos del distrito de lEixample en Barcelona.En el captulo 10 se presenta una descripcin de la ciudad, la amenaza ssmicaexistente y la forma como se caracteriza la demanda ssmica. Se presentan los mapasde zonificacin ssmica de la ciudad y los mapas de amenaza ssmica propuestosrecientemente por el Instituto Cartogrfico de Catalua. El captulo 11 se centra enla descripcin del sistema constructivo utilizado para los edificios de mamposterano reforzada de lEixample. Se presentan los modelos estructurales utilizados pararepresentar estos edificios y el procedimiento para el clculo de sus espectros decapacidad. En el captulo 12, se evala el punto de desempeo y se generan las curvasde fragilidad y las matrices de probabilidad de dao de cada uno de los modelos. Apartir de esta informacin, se generan finalmente los mapas de dao ssmico, paratres tipos de escenarios: la demanda correspondiente a la Norma de ConstruccinSsmica Espaola (NCSE-02) y unos espectros de respuesta suavizados propuestospor el Instituto Cartogrfico de Catalua (ICC) a partir de dos metodologas: unadeterminista y otra probabilista. Se realiza un anlisis de sensibilidad de la influenciade los parmetros que controlan la forma suavizada de los espectros de respuestasobre la determinacin del nivel de desempeo de los edificios de lEixample.Finalmente, en el captulo 13 se presentan las conclusiones y recomendaciones

del presente trabajo.