XVI FÓRUM DE CIENCIA Y TÉCNICA

DE TRABAJADORES Y ESTUDIANTES DEL ISPJAE

Comisión N. 8

Piezas, equipos y medios para la construcción y la vivienda

TÍTULO DE LA PONENCIA

La Modelación y Automatización como elementos básicos de la Vulnerabilidad

Estructural en los Estudios de Desastres.

PRESENTADO POR

Dr. Ing. Ángel Martínez González M.Sc. Ing. Marietta Llánes Pérez M.Sc. Ing. Vivian Elena Parnas

Facultad de Arquitectura de la Habana,

2005

RESUMEN: Es una necesidad dentro de los Estudios de Desastre, establecer las medidas técnico Ingenieras de defensa Civil que deberán cumplirse durante la elaboración de nuevos proyectos de inversión, ampliaciones, remodelaciones o sustitución de tecnologías en la industria complementándose con el resto de la base normativa del país para garantizar la protección de la población y la economía desde la concepción de cada proyecto hasta la puesta en marcha de la instalación, conjunto de ellas o planes de desarrollo territorial. Dentro de estos Estudios de Desastre, el Análisis de la Vulnerabilidad de la instalación toma un papel protagónico, brindando el mismo al inversionista los diferentes niveles de riesgo que puede tener la misma ante determinados agentes externos que la afecten. Como establece la norma correspondiente en términos de vulnerabilidad de desastres, hay que hablar de vulnerabilidad física, estando la misma representada por la vulnerabilidad estructural, la no estructural y la funcional. El presente trabajo hace un análisis de la vulnerabilidad estructural, y como para su correcta determinación es necesario desde el punto de vista del Análisis Estructural partir de un adecuado modelo estructural, el cual asociado a un procedimiento de cálculo, que hoy día no puede ser otro que el empleo de los sistemas automatizados, permite determinar el margen de seguridad que la estructura en estudio presenta bajo la presencia de diferentes agentes externos, básicamente agentes meteorológicos, tomando en nuestro país el origen debido al viento o al sismo el papel protagónico. Se presenta la influencia de una adecuada modelación y cálculo automatizado en el estudio de la vulnerabilidad estructural, a través de dos casos de estudio, el primero referido a instalaciones turísticas de madera, y el segundo a instalaciones de las telecomunicaciones. En el trabajo se profundiza en el primero y se brindan elementos de la forma de abordar el segundo. Se obtienen conclusiones y recomendaciones del enfoque presentado. Este trabajo da seguimiento, como ponencia de generalización, a la presentada a esta instancia en el XV Fórum de Ciencia y Técnica en el 2003 y que tuvo por título Sistemas Automatizados de Cálculo Estructural y su Papel en la Enseñanza y Proyección de Edificaciones de Alta Complejidad.

INTRODUCCIÓN: Partiendo del objetivo central del trabajo, que consiste en la generalización de la ponencia presentada en el 2003, asociada al empleo de Sistemas Automatizados de Cálculo Estructural y su papel en la proyección de Edificaciones de Alta Complejidad, llevando esta generalización a los aspectos contenidos dentro del Análisis de la Vulnerabilidad Estructural en los Estudios de Desastre, es una necesidad imperiosa el poder determinar a cabalidad con una precisión rigurosa y exacta el comportamiento que una determinada estructura debe poseer ante la ocurrencia de un determinado efecto atmosférico, en este caso haciendo el análisis bajo la presencia de huracanes. Para conocer con precisión el objetivo presentado, es necesario lo que en el trabajo original del Fórum XV se establecía como una modelación adecuada de la estructura, para con la ayuda de sistemas automatizados de última generación, y bajo la confiabilidad de su precisión y rigor científico, pueda predecirse con elementos rigurosamente exacto el comportamiento estructural de un sistema, y en definitiva el margen de seguridad que se obtiene bajo un efecto del señalado anteriormente. El trabajo que a continuación se expondrá tiene como esencia el empleo de la Modelación y la Automatización, a través de sistemas de cálculo estructural, lo que ha de permitir determinar en que medida la estructura en estudio es desde el punto de vista estructural vulnerable. Para este objetivo se analizarán dos situaciones de proyecto. La primera asociada al estudio de construcciones turísticas de madera, y la segunda al empleo de instalaciones para las telecomunicaciones, que pudiera ser extrapolable a instalaciones de transmisión eléctrica. El trabajo que se presenta hace énfasis en el primer estudio (construciones de madera), y presenta los elementos a seguir en el segundo.

DESARROLLO: ANÁLISIS DE LA VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL PARA CONSTRUCCIONES LIGERAS DE MADERA BAJO LA ACCIÓN DE DIFERENTES CATEGORÍAS DE HURACÁN

Se presenta el análisis de la vulnerabilidad estructural de cabañas de madera, ubicadas en complejo turístico en Ciudad de La Habana, bajo la acción de las diferentes categorías de evento meteorológico (huracán). El análisis se efectúa por los métodos convencionales y se compara contra un análisis riguroso y exacto con un tratamiento espacial a la estructura, a la cual se le incorporan los elementos de cierre. Se obtienen resultados y se extraen una serie de conclusiones para el análisis de este tipo de vulnerabilidad, dentro de los estudios de riesgo.

INTRODUCCIÓN El turismo es la esfera económica que más se ha desarrollado en Cuba a partir de la década del ’90, dando lugar a la necesidad de una infraestructura hotelera que demanda a la esfera constructiva edificaciones variadas y apropiadas. Para dar respuesta a esta demanda comienzan a introducirse en Cuba diversos sistemas constructivos, entre ellos los que utilizan la madera desde el punto de vista estructural, de cierre y decorativo. La mayoría de estos sistemas son construidos en zonas especialmente vulnerables por la influencia de fuertes vientos huracanados (zonas costeras, cayos, etc.), donde se ubican una gran parte de las construcciones turísticas. Los resultados obtenidos hasta el momento con estos sistemas son en general satisfactorios, aunque la experiencia de aplicación es aun muy reciente como para realizar una evaluación definitiva de los mismos ante estos fenómenos atmosféricos. En este trabajo se realiza una evaluación estructural de un tipo de cabañas de madera destinadas a instalaciones turísticas a través de programas de cálculo automatizados de alto reconocimiento y uso a escala mundial. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE CABAÑAS DE MADERA CONSTRUIDAS PARA EL TURISMO EN ZONAS VULNERABLES. Los sistemas constructivos de madera comienzan a introducirse en el país en la medida que el polo turístico ramifica su desarrollo sobre zonas costeras y cayos de nuestro archipiélago, siendo este material muy atractivo para el ambiente tropical de la Isla fundamentalmente por razones ambientalistas y de preservación del entorno donde se insertan.

Todos estos sistemas utilizan maderas importadas, principalmente de Suramérica y Europa. Se componen de piezas prefabricadas que se ensamblan en obra mediante uniones sencillas, por lo que ofrecen gran rapidez de ejecución y un buen acabado. Se pueden construir con ellos edificaciones de hasta tres plantas en la mayoría de los casos, pero en Cuba solo se han montado cabañas de un nivel.

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO. Las cabañas en estudio pertenecen al sistema constructivo Cuex, sistema porticado compuesto básicamente por columnas ranuradas verticalmente por una o varias caras según la cantidad de paredes que se distribuyen a su alrededor. Los paneles de cierre se insertan en las ranuras y conforman los muros del sistema. La cubierta se conforma por viguetas que se apoyan en las vigas de cerramiento. Esta tipología permite construir cabañas turísticas, viviendas de uno y dos niveles, siendo las luces más factibles de hasta 4 m.

La madera que se utiliza principalmente es la Massaranduba que es de procedencia brasileña. Esta madera tiene muy buenas propiedades mecánicas y físicas y ofrece gran resistencia estructural por su extrema dureza

La cabaña objeto de estudio se apoya sobre cimentación corrida de hormigan armado en la cual se embebe el anclaje de las columnas para su posterior colocación. (Ver fig. 1).

Fig. 1. Cabaña típica de madera. Las columnas son los principales elementos portantes del sistema. Son macizas de sección cuadrada de 12 x 12 cm y ranuradas verticalmente toda su altura. La separación máxima entre columnas es de 3.04 m. Las mismas se fijan a las planchas metálicas que han sido embebidas en la cimentación y son aseguradas con pernos, logrando una unión rígida. La parte superior de la columna se une a la viga de cerramento por medio de un espárrago metálico que se embebe en los dos elementos y se adhiere con resina epóxica lográndose una unión articulada.

Fig. 2. Reticulado de cubierta Fig 3. Unión columna, vigas, paredes

Las paredes están conformadas por paneles de cierre que se unen verticalmente mediante sistema machihembrado, tienen una sección de 4 cm de espesor por 14.5 cm de altura total. Su longitud horizontal está determinada por el espaciamiento entre columnas.

A una distancia de 30 cm de las columnas los paneles están perforados para pasar a través de ellos un perno con tuerca en la parte superior, este aditamento será utilizado para ajustar los paneles y garantizar su correcto asentamiento en el mantenimiento técnico que se realiza algunos meses después de la construcción de la edificación.

Apoyada sobre las columnas se coloca la viga de cerramento de 80 x 160 mm, ambos elementos se fijan por medio de un perno considerándose una unión articulada.

Sobre la viga perimetral o de cierre se apoyan viguetas dobles espaciadas a 60 cm y con una inclinación que garantiza un 30% de pendiente de la cubierta, se fijan a la viga con planchuelas metálicas y tornillos tirafondo adheridos con resina epóxica, y para su apoyo se le realiza una muesca en forma de L.

La cubierta es de tejas de barro. (Las Fig. 2 y 3, muestran esquemas estructurales de la cabaña).

ANÁLISIS DE LAS CARGAS SOBRE LA CABAÑA.

Para la realización del trabajo se hizo un análisis de las cargas actuantes determinadas según la Norma Cubana (1). Dentro de estas se encuentran las cargas permanentes derivadas del peso del material de terminación de cubierta, el peso del tablero soporte y el peso propio de los elementos; la carga de uso sobre la cubierta de tipo inclinada y la carga ecológica derivada de la acción del viento.

De acuerdo con la NC 053-41 se consideró un periodo de recurrencia de eventos de 50 años, una obra ubicada en sitio expuesto, dado el lugar de construcción en zona costera y un coeficiente de altura correspondiente al nivel de altura máxima de la cubierta. Se aplicaron los coeficientes de forma correspondientes a la configuración de las cabañas teniendo en cuenta las dos direcciones fundamentales del viento sobre la edificación: viento perpendicular a la fachada frontal y viento perpendicular a la fachada lateral. Se tuvo en cuenta en el análisis el efecto de las presiones internas debido a aberturas en fachada.

Se trabajó con la combinación pésima de carga permanente más carga ecológica (CP + CE), considerando la carga ecológica como la carga de viento correspondiente a las velocidades medias de viento sostenido para categorías de huracán II, III, IV y V (2).

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CONJUNTO CONSIDERANDO: Para verificar las deformaciones de los elementos y del conjunto se tomaron como valores límites:

250Lf = para elementos de cubierta considerando que no existe falso techo ni otros

elementos susceptibles de daño bajo la misma.

360Lf = para vigas de cierre

100Lf = para voladizos en cubierta

La deformación horizontal permisible se tomó como 500H

siendo H la altura del pórtico.

Por todo lo anterior se decide enfrentar el problema a través de un análisis espacial, y tomando en consideración el aporte de los elementos de cierre. El programa utilizado fue el SAP2000.

En el caso de los paneles de cierre que conforman las paredes, así como los elementos que componen la cubierta se consideraron como elementos completos o discos rígidos que aportan al conjunto.

METODOLOGÍA GENERAL PARA LA MODELACIÓN. En este caso se modeló la estructura espacial, tomando en cuenta los elementos estructurales principales, e incorporando a la misma según criterio del proyectista los elementos de cierre en

una proporción acorde a la forma real de integración de los mismos al modelo final y permanente. (Ver Fig. 4).

Fig. 4. Vista 3D de estructura espacial y de los elementos de cierre.

Para determinar las solicitaciones y deformaciones en los pórticos así como las tensiones en los elementos de cierre es necesario dar una serie de datos convencionales al programa tales como material ((MAÇARANDUBA), secciones (barras y láminas), así como combinaciones de carga, las que están asociadas a las diferentes categorías de huracán. Este análisis se efectúa tomando solamente en consideración las componentes estáticas de la carga de viento, lo cual se comprueba al obtenerse los períodos de oscilación de la estructura, estando estos en correspondencia con lo que establece la norma de cálculo vigente para el viento en el país.

RESULTADOS DEL ANÁLISIS. DEFORMACIONES EN PÓRTICOS Y ENVOLTURA. Las deformaciones en el conjunto considerado, conduce a valores inferiores a los admisibles notándose una mayor deformación en las paredes ubicadas en los pórticos exteriores de la cabaña en los que la luz de estas aumenta por la ausencia de columnas intermedias. (Ver Fig. 5).

Fig. 5. Deformaciones en elementos tipo barra y tipo lámina.

SOLICITACIONES EN LOS ELEMENTOS DEL PÓRTICO Y DE LA ENVOLTURA. Los valores de las tensiones en la envoltura, así como las solicitaciones en las barras de los pórticos se obtienen con una visualización de los resultados de salida y se comprueba que los valores que se presentan están por debajo de los valores permisibles para la misma. (Ver Fig. 6).

Fig. 6. Solicitaciones en elementos tipo barra y tipo lámina.

Se hace una comprobación de los diagramas de interacción, donde se observa también un nivel adecuado de trabajo por parte de los elementos componentes del sistema estructural.

CONCLUSIONES PARTICULARES DEL ANALISIS:

La estructura analizada cumple sin dificultad las normativas de diseño para el análisis tensional, y confronta problemas en el caso del deformacional, para las cargas contenidas en nuestra norma de cálculo.

a) Desde el punto de vista deformacional: (Ver. Fig. 7)

Producto de las deformaciones laterales que se producen en el centro del tramo comprendido entre los ejes D y E, se sugiere ubicar un pórtico transversal que cierre la estructura a ese nivel. En estos momentos la deformación que se está obteniendo es tal que produce relaciones de desplazamiento de H/270 para la norma actual de viento, y relaciones de H/121 para la presencia de huracán categoría

b) Desde el punto de vista tensional: (Ver Fig. 7)

b1) En los elementos tipo FRAME (pórticos), se obtiene:

Haciendo un análisis de capacidad resistente en los elementos, en la estructura actual, a la que se le han aplicado los diferentes tipos de carga, desde la normativa de viento, hasta una combinación con huracán categoría 4, se observa que todos los elementos están con valores de aprovechamiento inferiores a la unidad, siendo los mas críticos, los ubicados en la línea central divisoria entre los ejes 3 y 5, donde este nivel de aprovechamiento es de 92 %. Se debe también destacar que la estructura actual está con niveles de aprovechamiento por debajo del 50 %, lo cual pudiera conducir a un proceso de revisión de estos elementos y una reducción en su dimensionamiento transversal, aunque debe valorarse en este caso el incremento deformacional.

b2) En los elementos tipo SHELL (paneles), se obtiene:

Haciendo análisis similar para los elementos SHELL, se comprueba que la estructura bajo condiciones de diseño según normas, resiste sin problema las solicitaciones actuantes, llegando en este análisis hasta un huracán CATEGORIA 3. Sin embargo de presentarse un huracán de CATEGORÍA 4, surgirían problemas en la zona cercanas al nivel de cerramiento, en los elementos laterales, comprendidos entre los ejes D y E..

Fig. 7. Ejes de referencia de la cabaña.

c) Recomendaciones del análisis estructural de la cabaña. (Ver Fig. 7)

Se recomienda ubicar un pórtico similar a los existentes en el sentido transversal, y comprendido entre los Ejes D y E, el cual dará solución a los problemas de deformación (tanto de norma de cálculo como huracanes categorías hasta la 4), y tensional en los paneles (shell) para un huracán CATEGORÍA 4.

UUnnaa oobbsseerrvvaacciióónn ffiinnaall:: En el caso de la Cabaña Junior Suite, Playa Salado, destruida parcialmente el pasado 13 de Agosto de 2004 durante el paso del Huracán Charley, se pueden plantear las siguientes consideraciones, recogidas en el dictamen técnico elaborado, las cuales influyeron fuertemente en el resultado final.+

Ubicación de cabañas colapsadas

Fallo del Techo

Parte de la cabaña destruida

Fallo por levantamiento del techo

Conclusiones del dictamen 1) LLaa aauusseenncciiaa oo ddeeffiicciieenncciiaass ddee llaass ccoonneexxiioonneess uuttiilliizzaaddaass,, ffuueerroonn llaa ccaauussaa ddee llaa ddeessttrruucccciióónn pprriimmeerroo ddeell tteecchhoo yy ddeessppuuééss ddee llaass ppaarreeddeess yy ccoolluummnnaass.. a) Utilización de clavos en las uniones en vez de tornillos b) Clavos muy pequeños y con menos de los dos tercios de embebimiento, además de estar oxidados. c) Haber eliminado el ala atornillada a la columna de la “L” metálica que unía columna a cimiento acabó de debilitar la unión. d) La mayor debilidad fue la conexión entre las viguetas y la viga perimetral, de ahí que el techo salió despedido completo (viguetas y tablillas) 2) LLaa ddeessttrruucccciióónn ddee llaa zzoonnaa OOeessttee ddee llaa ccaabbaaññaa ppaarreeccee hhaabbeerr eessttaaddoo vviinnccuullaaddaa aall vviieennttoo hhuurraaccaannaaddoo ssoosstteenniiddoo eenn ddiirreecccciióónn ssuurreessttee. La dirección en que voló el techo hacia el noroeste, así lo demuestra. 3) Es opinión de la comisión, que iinnddeeppeennddiieenntteemmeennttee ddee qquuee llaa vveennttaannaa hhaayyaa qquueeddaaddoo oo nnoo aabbiieerrttaa,, eell eessttaaddoo ddee llooss aannccllaajjeess nnoo ggaarraannttiizzaarrííaa ssiiqquuiieerraa llaa rreessiisstteenncciiaa aa vviieennttooss ddee hhuurraaccaanneess ddee mmeennoorr ccaatteeggoorrííaa.

ANÁLISIS DE LA VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL PARA TORRES DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA Y DE TELECOMUNICACIONES BAJO LA ACCIÓN DE DIFERENTES CATEGORÍAS DE HURACÁN Se presenta el análisis de la vulnerabilidad estructural de estructuras metálicas empleadas tanto para la transmisión eléctrica, como para las telecomunicaciones, mostrando la metodología general a seguir para realizar su análisis y determinar su comportamiento estructural, bajo la acción de las diferentes categorías de evento meteorológico (huracán). El análisis se efectúa por los métodos tridimensionales hoy día utilizados, incluyendo según se requiera algunos elementos de cierre. Se obtienen resultados y se extraen una serie de conclusiones para el análisis de este tipo de vulnerabilidad, dentro de los estudios de riesgo. INTRODUCCIÓN Dentro del desarrollo de cualquier país, el papel que le corresponde a las comunicaciones es protagónico. En este campo se enlazan tanto las transmisiones eléctricas, como las telecomunicaciones propiamente dicho. El elemento portante básico para ambos casos son las torres, las cuales pueden ser autosoportadas o atirantadas. En el caso de transmisión eléctrica son utilizadas las torres autosoportadas, mientras que en el caso de las telecomunicaciones se emplean tanto las torres autosoportadas como las atirantadas. Un elemento común a ambas es las pequeñas secciones transversales de sus elementos (básicamente estructuras metálicas), las cuales al relacionarse con las longitudes de los tramos conduce a elementos en extremo esbeltos. Esta suposición significa que el efecto de la fuerza axial es decisivo, y al tratarse de elementos muy esbeltos, la reducción por esbeltez, en cuanto a su efecto en la obtención de las tensiones es fundamental. Basado en lo anterior se desprende la necesidad de empleo de métodos rigurosos de análisis que permitan determinar con precisión y exactitud los valores de solicitaciones, y por consiguiente el empleo de modelos adecuados, así como programas de cálculo estructural es una necesidad. Otra característica que presentan estas estructuras es que por tratarse como se dijo de estructuras muy esbeltas, los períodos de oscilación de las mismas son por regla general apreciables, y al analizar las cargas laterales actuantes (viento o sismo), hay que incluir componentes dinámicas dentro del análisis, una razón mas para comprobar la necesidad de adecuadas modelaciones y empleo de sistemas apropiados.

En lo que sigue se presenta el procedimiento general para la modelación de una torre autosoportada, la cual estará integrada por tres partes básicas: La troncopiramidal, la torreta y el látigo. A continuación se muestra el procedimiento general para la modelación. a) Zona troncopiramidal: El procedimiento general de modelación es el

siguiente: ♦ Dibujo de una de las caras de la torre. ♦ Asignación de secciones y características del material a los diferentes

elementos. ♦ Copia mediante un espejo de esta cara en su simétrico. ♦ Reproducción de las dos caras a través de una rotación en planta a 90

grados. ♦ Asignación de los apoyos a la estructura (empotramiento o articulación). ♦ Definición de tipos de cargas y combinaciones de estas. ♦ Realización del análisis estructural, incluyendo el análisis dinámico de ser

necesario. ♦ Comprobación de las tensiones en los elementos a través de los diagramas

de interacción. De la misma forma se procede con: b) Zona de la torreta. c) Zona del látigo. Gráficamente lo anterior puede visualizarse en las siguientes secuencias:

Como aspectos importartantes en todo este análisis debe valorarse en estos análisis: ♦ Esbeltez recomendada de los elementos estructurales, componentes del

sistema. ♦ Esbeltez de la torre en su conjunto. ♦ Necesidad del análisis dinámico y obtención de los modos principales de

oscilación, a fin de determinar los diferentes períodos y comprobar la necesidad de realizar un análisis que incluya las componentes dinámicas de las cargas laterales (viento o sismo).

♦ Necesidad según se valore de incluir el efecto P-Delta a fin de incluir el efecto de la fuerza axial debido a la poca sección transversal de los elementos.

♦ Conveniencia de comprobación a través de los diagramas de interacción las tensiones en los elementos reticulares, y en los casos que se presente, conveniencia de valorar en los elementos tipo lámina las tensiones en los mismos.

Siguiendo todos los señalamientos anteriores, una correcta modelación puede ser realizada, y mediante el empleo de un programa de computación adecuado, la comprobación de la vulnerabilidad estructural del sistema puede ser determinada, obteniéndose los márgenes de seguridad que dentro del estudio de Desastre que se desarrolla va a existir, para en el caso del viento las diferentes categorías de huracán según está establecido.

UUnnaa oobbsseerrvvaacciióónn ffiinnaall::

CONCLUSIONES GENERALES. 1. Se confirma la necesidad de integración de sistemas de

procesamiento automatizado en la valoración de la vulnerabilidad estructural, los cuales incluyen graficadores, procesadores de texto y programas especializados.

2. La integración de los elementos de cierre junto a los elementos estructurales principales, constituyen una necesidad, si se desea obtener soluciones más económicas y racionales, reflejando las mismas un comportamiento más real del trabajo estructural.

3. Debe considerarse la permanencia definitiva de los elementos de cierre incluidos como partes estructurales resistentes, quedando los mismos referenciados, a fin de conocer con precisión la modelación realizada con vistas a futuros trabajos de remodelación de la estructura.

4. Los modelos planteados, se aproximan más al objeto real, lográndose estructuras más rígidas que cumplen más fácilmente las normativas bajo cargas de servicio.

5. Los índices económicos alcanzados con estos procedimientos de integración justifican cualquier demora que por complejidad del proceso se pueda hacer presente a la hora de la modelación, diseño estructural y estudios de vulnerabilidad, tanto estructural como no estructural.

6. El procedimiento presentado puede ser forma similar ser utilizado para el análisis de la vulnerabilidad no estructural, básicamente en los elementos de fenestración y cierre de espacios.

BIBLIOGRAFIA. 1. Carga de Viento. NC-53-41-1990, Proyectos de Construcción. Comité

Estatal de Normalización. CUBA. 2. Normas para la proyección y ejecución de las medidas técnico ingenieras

de Defensa Civil. Estado Mayor de la Defensa Civil, Año 2000, CUBA.