usos del acero
Informe:
Efectos y enseñanzas
del terremoto del 27 de febrero
de 2010 en Chile
El problema mayor que el megasismo dejó al descubierto fue el diseño y detallamiento de anclaje de los equipos y elementos no estructurales, cuya falla fue generalizada y responsable de gran cantidad de las pérdidas no atribuibles al tsunami posterior al terremoto.
Por Juan Felipe Beltrán Ph.D.*, Leonardo Massone Ph.D.** y Ricardo Herrera M. Ph.D.***
El sismo del 27 de febrero de 2010 en Chile es uno de los sismos de mayor magnitud registrados en la historia mun-dial desde que se tienen registros cien-tíficos.
La extensión de la zona de ruptura y del área afectada, así como la cantidad de estructuras que se vieron sometidas al sismo, diseñadas de acuerdo a códigos modernos de sismo resistencia, hacen que la información de lo que funcionó y lo que no lo hizo, sea fundamental para evaluar el estado del arte del diseño sis-morresistente.
En este artículo se entrega una breve descripción de las características del sis-mo, seguida de ejemplos de problemas observados y algunas de las modificacio-nes a las normas que se están incorpo-rando a los códigos de diseño chilenos, basándose en las lecciones aprendidas del terremoto.
* Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile. Email: jbeltran@ing.uchile.cl ** Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile. Email: lmassone@ing.uchile.cl *** Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile. Email: riherrer@ing.uchile.cl
[1] Nota del Editor. La escala sismológica de Magnitud de Momento (Mw) es una escala logarítmica usada para medir y comparar sismos. Está basada en la medición de la energía total que se libera en un terremoto. Fue introducida en 1979 por Thomas C. Hanks y Hiroo Kanamori como la sucesora de la escala de Richter.
[2] La subducción de placas es un proceso de hundimiento de una placa bajo otra en un límite convergente, según la teoría tectónica de placas. Generalmente es la litosfera oceánica, de mayor peso específico, la que subduce bajo la litosfera continental, menos densa. Un ejemplo muy estudiado es la subducción de la placa de Nazca bajo la cordillera de los Andes.
Introducción
El 27 de febrero de 2010, a las 3:34 am hora local, un terremoto de magnitud 8,8 en la escala Mw[1] azotó a la zona central de Chile.
La ruptura ocurrió en el contacto entre la placa de Nazca y la placa continen-tal Sudamericana y tuvo una extensión aproximada de 450 km en la dirección norte-sur y 150 km de ancho. Este terre-moto de subducción[2] afectó a un área de aproximadamente 160.000 km2, don-de vive cerca don-del 75% don-de la población don-de Chile. La Figura 1 muestra un mapa de la zona afectada y los valores de acele-ración máxima del suelo registrada por la Red Nacional de Acelerógrafos del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile (Boroschek y otros, 2010).
Condominio Alto Río, Concepción, Chile: construcción ícono de los efectos desastrosos del terremoto en Chile.
lo observado en el pasado. Este artículo pretende entregar una visión resumida de las características especiales de este te-rremoto, los daños principales que causó y los cambios en las prácticas de diseño que están ocurriendo como consecuen-cia de este evento.
Consideraciones de diseño
El diseño sismorresistente de estructuras está regido en Chile por tres normas ofi-ciales: NCh433.Of1996 (INN, 1996) para edificios; NCh2369.Of2003 (INN, 2003a) para estructuras industriales; y NCh2745. Of2003 (INN, 2003b) para edificios con aislación sísmica. Debido a las diferen-cias en objetivos, origen y desarrollo de cada una de estas normas, las disposi-ciones que contienen, especialmente con relación a los espectros de diseño, son diferentes. Sin embargo, las tres normas comparten características comunes: el territorio nacional está dividido en tres zo-nas sísmicas (Figura 1), donde la Zona 3 es la de mayor peligro sísmico debido a que se encuentra cerca de la costa, bajo la cual se origina gran parte de los terre-motos de subducción. La Zona 1 es la de menor peligro sísmico, por encontrarse alejada de la costa, cerca de la cordillera de Los Andes. La demanda sísmica se caracteriza por una aceleración de dise-ño o un coeficiente sísmico, según el mé-todo de análisis escogido, el cual depen-de depen-de la zona sísmica. Este parámetro se modifica de acuerdo a las características del suelo de fundación y las propiedades dinámicas, de ductilidad y sobrerresis-tencia de la estructura.En términos de diseño estructural, a la fecha del terremoto, el diseño de edifi-cios de hormigón armado estaba regido por ACI318-95 (ACI 1995), consideran-do para la aplicación de su Capítulo 21 las tres zonas sísmicas como zonas de peligro sísmico alto. En el caso de es-tructuras de acero, dada la inexistencia de una norma chilena oficial de diseño, la práctica era utilizar las disposiciones de la AISC (1993) o AISI (1986), toman-do algunas de las recomendaciones de las Seismic Provisions (AISC 1992) o las disposiciones contenidas en la NCh2369 para estructuras de acero. La aplicación de estas consideraciones redunda en estructuras con una sobrerresistencia significativa, pero una ductilidad limitada, lo que se reflejó en los daños observa-dos después del terremoto, como se verá más adelante.
La Figura 2 muestra los espectros de respuesta de registros de aceleración horizontal obtenidos en 6 sitios localiza-dos dentro de la zona afectada por el
38°— 36°— 34°—
3 2 1
V Región VI Región VII Región VIII Región IX Región Valparaíso Santiago Rancagua Curicó Talca Hualané Zona de ruptura Concepción Temuco Maipú R.M. 32°— SMA-1 K2/QDR/ETNA Renadic. Estru. Instr. Estaciones de Registro O C É A N O P A C Í F I C O A R G E N T I N ABasada en Boroschek y otros, 2010.
y ubicación de acelerógrafos
terremoto. Las condiciones de los sue-los en que estos registros fueron obte-nidos varían desde suelo firme (grava de Santiago) hasta suelo blando (arena de Concepción). Se puede apreciar que todos los espectros siguen una forma «tradicional», donde la demanda sobre la estructura disminuye a medida que esta es más flexible[3], con la excepción del registro de Concepción, el cual impone una demanda significativa sobre estruc-turas cuyo período natural de oscilación se encuentra sobre los 1,5 segundos. Adicionalmente, este espectro presenta una demanda similar para estructuras rí-gidas y para estructuras flexibles, lo cual es inédito.
Es interesante comparar los espectros de respuesta obtenidos en Maipú (sector
poniente del Gran Santiago) y la comuna de Santiago. Ambos sitios se encuentran a más de 400 km del epicentro y están dentro de la misma cuenca, separados por aproximadamente 20 km. Sin em-bargo, el espectro de Maipú presenta demandas más altas incluso que el de Concepción para estructuras rígidas y se encuentra muy por encima del espectro de Santiago. La explicación de esta dife-rencia se encuentra en el tipo de suelo de fundación. Maipú fue históricamente una zona agrícola, con presencia de suelos arcillosos y napas de agua muy super-ficiales. En contraste, Santiago es una zona de depósitos de grava antiguos de alta resistencia y rigidez.
En la Figura 2 se muestran, además, los espectros elásticos de diseño de [3] La relación entre flexibilidad de la estructura y período de vibración es directamente
proporcio-nal; a mayor período de vibrar, mayor flexibilidad y viceversa. Por el contrario, estructuras más rígidas corresponden a estructuras de períodos cortos (bajos).
usos del acero
NCh433 (INN, 1996), para los cuatro ti-pos de suelo establecidos en la norma[4], considerando el 5% de amortiguamiento equivalente. Se puede ver que todos los espectros de respuesta se encuentran aproximadamente entre los espectros de diseño para suelo tipo II y tipo III. Nue-vamente Concepción, que usualmente es reconocido como suelo tipo III, tiene demandas muy altas que exceden inclu-so a las de suelo tipo IV, la calidad de suelo más pobre aceptada por la nor-ma. El espectro de Santiago (suelo II) se acerca más al espectro para roca (suelo I), el que, incidentalmente, es mayor que el espectro de suelo II para períodos lar-gos.
Otro aspecto importante a destacar, con respecto a los espectros de diseño, es la gran diferencia de demanda que existe entre el suelo II y el III y entre el suelo III y el suelo IV. La observación de los es-pectros de respuesta ha dado pie a co-mentarios sobre la necesidad de incluir categorías de suelo intermedias, que evi-tarían problemas cuando los parámetros de clasificación de suelos son contradic-torios y pueden llevar a demandas sobre las estructuras muy disímiles si se esco-ge uno u otro tipo de suelo.
Finalmente, basándose en el análisis de los espectros de respuesta obtenidos del terremoto, se está trabajando en modifi-car los espectros de diseño de forma de aumentar la demanda para los casos en que el terremoto superó el nivel esperado.
Efectos en estructuras
de hormigón armado
Se observaron estructuras de hormigón armado con daño en varias ciudades del territorio afectado, entre las cuales se puede mencionar Concepción, Santiago y Viña del Mar, esta última en la costa del océano Pacífico. Las fallas fueron proble-mas que pueden asociarse tanto a de-fectos constructivos, como estructurales o de detallamiento. Dada la diversidad de fallas, en esta sección sólo se menciona-rán aquellas asociadas a diseño o deta-llamiento estructural que se observan re-petidamente en edificios habitacionales o de oficinas.
Varios edificios presentaron daños en muros de hormigón armado al nivel del primer piso o el primer subterráneo, donde habitualmente se ubican los es-tacionamientos para vehículos. En estos niveles la configuración estructural en muchos casos presenta un corredor cen-tral con muros longitudinales en los
cos-tados coneccos-tados a muros transversales los que forman un muro en T (Figura 3). En otros casos, este muro transversal no está directamente conectado al muro lon-gitudinal formando un muro rectangular. La falla observada en estas estructuracio-nes consiste en una grieta horizontal pro-pagada a lo largo del alma del muro que cubría una franja de aproximadamente 40 cm de alto. Esta falla se repitió en gran parte de los ejes resistentes de estos edi-ficios en la dirección más corta. La falla se presenta en la Figura 4.
Según se observa en la Figura 4, el daño más severo se presenta en la cabeza del muro, donde termina el alma del muro T (o en el extremo del muro rectangular), ya que en ese extremo se alcanzan las mayores deformaciones de compresión producto de las cargas de flexión y com-presión. Estas deformaciones propicia-ron la pérdida de recubrimiento dejando las barras longitudinales expuestas, las que ante ciclos de tracción y compresión, producto de la alternancia de la acción sísmica y la poca restricción que
entrega-Figura 2
Espectros de respuesta elásticos de registros del terremoto del 27 de febrero de 2010 y espectros elásticos de diseño de NCh433.Of1996
1 0,1 0 1 Período - T (s) Santiago Maipú Curicó NCh433, Suelo I NCh433, Suelo II NCh433, Suelo III NCh433, Suelo IV Pseudoaceleración - PSa (g) a) Zona 2 2 3 0,01 1 0,1 0 1 Período - T (s) Hualaña Talca Concepción NCh433, Suelo I NCh433, Suelo II NCh433, Suelo III NCh433, Suelo IV Pseudoaceleración - PSa (g) b) Zona 3 2 3 0,01
Observación: zonas 2 y 3 de acuerdo a lo indicado en la Figura 1.
[4] Zonas de acuerdo a lo indicado en la Figu-ra 1.
Figura 4
Daño observado en muro de hormigón armado
de hormigón armado
Figura 5
Pandeo y fractura de refuerzo
Bodegas
-Borde edificio
Daños
Estacionamientos transversalMuro
Muro longitudinal
Pasillo central
Planta primer piso o subterráneo Planta piso tipo
elemento. La armadura transversal no presentaba anclaje dentro del núcleo de hormigón, sino que uno o dos dobleces en 90° en el extremo del muro, el que se abrió luego que el recubrimiento se había perdido. Ciclos de grandes deformacio-nes en estas barras pandeadas genera-ron un daño progresivo, fracturándose en algunos casos, sin presentar reducción de la sección transversal del refuerzo. Esta falla se presentó en bordes de mu-ros sin detalle de confinamiento especial y de bajos espesores (alrededor de 20 cm). Detalle de la falla se puede observar en la Figura 5.
Los pasillos o corredores formados por muros longitudinales en T conectados por losa, solicitados por el sismo,
gene-Figura 6
usos del acero
raron importantes demandas de defor-maciones en el elemento de acople. La losa de acople, comúnmente con refuer-zo adicional de armadura longitudinal, presentó descascaramiento en la zona de compresión (Figura 6).
Otro tipo de falla que se observó en edi-ficios de hormigón armado, fue la gene-rada por corte, que se presentó tanto en fachadas, producto de perforaciones en muros (Figura 7a), como en elementos de acoplamiento en muros (Figura 7b). Estos elementos presentaban relaciones de aspecto (entre ancho y largo) entre 1 y 2, lo que los hace más propensos a presentar fallas o daños asociados al corte. Estos elementos estaban común-mente reforzados con armadura longitu-dinal y estribos transversales.
Modificaciones a la norma
de diseño de hormigón
armado
Basado en el daño observado, se pro-mulgó un código de emergencia para el diseño de hormigón armado (DS 118). En general, los cambios se enfocan a problemas observados en muros. Los cambios principales se resumen a con-tinuación:
1. Limitación de carga axial en muros para reducir la probabilidad de obser-var una falla por compresión.
2. Prevención de pandeo y fractura del refuerzo con refuerzo transversal poco y bien anclado.
3. Prevención de falla por corte amplifi-cando en 1,4 la solicitación, conside-rada para el diseño.
4. Utilización de refuerzo transversal (estribos o ganchos) en empalmes de refuerzo longitudinal que presente cuantías importantes de armadura o recubrimiento de hormigón sobre es-tas barras inadecuado para una co-rrecta transferencia de tensiones. 5. Limitación de los diámetros de
ar-madura longitudinal y transversal para favorecer un buen hormigona-do y confinamiento en los bordes de muros. También se ha especificado un espesor mínimo de muros como lu/16, donde lu es el largo de muro no apoyado, para prevenir o minimizar el pandeo global de estos elementos.
Efectos en estructuras
de acero
La mayor parte de la construcción en acero estructural en Chile se concentra en las instalaciones industriales. La zona
afectada por el terremoto del 27 de febre-ro de 2010 alberga gran parte de estas instalaciones, por lo que la muestra de los efectos sobre estructuras de acero es bastante completa. Los daños obser-vados durante visitas e inspecciones a diferentes tipos de industrias, tales como refinerías de petróleo y gas, plantas de celulosa, centrales termoeléctricas y vi-ñas, pueden clasificarse en las siguien-tes categorías: deficiencia en anclajes de estructuras y equipos, asentamiento de fundaciones, colapso de elementos no estructurales y fractura de la unión de sistemas de cañerías al elemento estruc-tural correspondiente. Ejemplos de fallas observadas se presentan a continuación y se muestran en la Figura 8.
Estructuras de puerto
En general las estructuras portuarias fue-ron más afectadas por el tsunami
poste-rior que por el terremoto. El tsunami dañó infraestructura asociada al almacena-miento de productos congelados, des-plazamiento de bodegas e instalaciones asociadas a la pesca. Muelles y grúas presentaron pequeños asentamientos a excepción de un puerto que presen-tó fallas de corte en columnas de acero presumiblemente debido a la insuficiente longitud de anclaje de las columnas en la losa de hormigón.
Plantas industriales
Se realizaron Inspecciones a plantas lo-calizadas en la zona de ruptura, en las que por razones de seguridad y confiden-cialidad no fueron permitidas las fotos. En general, no se observaron daños sig-nificativos en las estructuras. La mayoría de los problemas se presentaron en es-tructuras de más de 20 años en que sus miembros no presentaban ductilidad
al-Figura 8
de placas gusset a nivel de conexiones de arriostramientos. Algunos edificios in-dustriales presentaron desplazamientos permanentes debido al pandeo de arros-tramientos y al escaso número de éstos (falta de redundancia) y se observaron fallas en correas transportadoras por fa-lla de los pedestales o colapso parcial de una estructura intermedia de apoyo. Se constataron pernos de anclaje fractu-rados en las bases de columnas y equi-pos mecánicos. Además, se constató la fractura del mortero de nivelación bajo placas bases y la falla en compresión del hormigón en los pedestales, probable-mente debido al uso de un hormigón de baja calidad y a la escasez de armadura de refuerzo. También se observó pandeo local en estructuras laminares, como chi-meneas y estanques.
Por otro lado, la mayoría de las estructu-ras y edificios diseñados basados en nor-mativas recientes (NCh2369) no presen-taron daños. Se observó daño estructural en un edificio de calderas de una planta generadora de electricidad. Las fallas se concentraron en elementos destinados a restringir los desplazamientos de la es-tructura o topes sísmicos que indujeron al colapso de los elementos estructurales
Grietas en estanques de hormigón arma-do fueron reportadas en sistemas de tra-tamiento de riles. Las grietas se concen-traron en lados diametralmente opuestos del tanque probablemente asociadas a la dirección del movimiento del líquido pro-ducto del sismo, así como al asentamien-to diferencial de los rellenos soportando estos estanques.
Bodegas
Dos tipos de fallas predominaron en bo-degas: colapso de muros prefabricados de hormigón armado y un pobre detalla-miento de la conexión entre elementos prefabricados y pobre entendimiento del efecto de diafragma[6] a nivel de techo. También se observó el volcamiento de las estanterías de almacenaje debido a un deficiente y, en algunos casos inexisten-te, sistema de anclaje.
Otras estructuras
Aun cuando las estructuras soportaron bien el terremoto, los equipos e instala-ciones interiores no siempre pasaron la prueba. En particular, el desempeño de estanques de acero y silos fue
deficien-durante las visitas: estanques apoyados en patas (capacidad hasta 50.000 lt) y es-tanques de fondo plano. Los eses-tanques apoyados en patas presentaron funda-mentalmente dos tipos de fallas: pandeo de patas y abollamiento del manto del es-tanque por penetración de las patas, los que se muestran en la Figura 9.
Los estanques de fondo plano, gene-ralmente con capacidades superiores a 50.000 lt, presentaron principalmente los siguientes tipos de fallas: inestabilidad del manto, falla del sistema de anclaje, falla de soldadura manto-fondo estanque y rotura del sistema de cañerías conec-tadas al manto (Figura 9). Para ambos tipos de estanques, la combinación de fallas inducía la pérdida parcial o total del contenido almacenado en forma rápida con el consecuente colapso del estanque por arrugamiento del manto.
Basándose en el buen comportamiento de las estructuras de acero, en general, no se anticipan propuestas de cambios fundamentales a las normativas actual-mente vigentes. Las principales modifi-caciones tienen que ver, más bien, con prácticas de diseño y construcción de detalles de conexión de la estructura a la
[5] Nota del Editor. Placas utilizadas para conectar vigas a columnas. Estos elementos son soldados o apernados a las placas gusset: su función es crítica para la integridad de la estructura que soportan.
[6] Diafragma: un sistema estructural utilizado para transferir fuerzas laterales a paredes o marcos de corte a través de tensiones de corte en un plano.
Figura 9
Daños en estanques de acero inoxidable: a. Penetración pata en manto; b. Arrugamiento por vaciamiento rápido; c. Pandeo de patas; d. Inestabilidad manto (punta diamante); e. Falla de anclaje
a. b. c.
fundación y con el diseño de equipos y estructuras que no tienen una norma de diseño sísmico específica.
Problemas en elementos
no estructurales
Aun considerando la espectacularidad de algunas de las fallas estructurales observadas en edificios, la mayor propor-ción de daño se produjo en elementos no estructurales, equipos y contenidos de edificios e instalaciones industriales. La falla de estos elementos afectó desde la habitabilidad de casas y departamen-tos, hasta la operación del aeropuerto de Santiago (ciudad capital de Chile) y de varias instalaciones industriales. Algunos ejemplos se muestran en la Figura 10. El nivel de daños observados se debió a que el detallamiento e instalación de estos elementos, en general, no se hace de acuerdo a criterios de diseño sismo-rresistente y no está en el ámbito de la responsabilidad contractual del ingeniero estructural. Por lo tanto, normalmente los instaladores de tabiquerías, cielos falsos, equipos de aire acondicionado, ascenso-res, instalaciones eléctricas, etc, anclan estos elementos de acuerdo al criterio individual de cada uno. Para prevenir que la situación siga repitiéndose, una de las propuestas de la norma (NTM, 2010a) en que se trabaja actualmente esté relacio-nada con el diseño sismorresistente de elementos no estructurales. Otra pro-puesta (NTM 2010b) tiene que ver espe-cíficamente con el diseño de ascensores.
Conclusiones
En este artículo se presentaron las carac-terísticas principales del terremoto del 27 de febrero de 2010 en Chile y sus efectos usos del acero
sobre las estructuras y las normativas de diseño sismorresistente en vigencia. En general, las estructuras diseñadas se-gún estas normativas tuvieron un desem-peño adecuado, con un porcentaje menor de ellas presentando fallas estructurales de consideración. El problema mayor que el terremoto dejó al descubierto fue el diseño y detallamiento de anclaje de los equipos y elementos no estructurales, cuya falla fue generalizada y responsable de gran cantidad de las pérdidas que no fueran atribuibles al tsunami.
Las lecciones aprendidas permitirán mejorar las normas existentes en aque-llos aspectos que se mostraron débiles y generar nuevas normas que abarquen aquellos elementos, equipos y estructu-ras no cubiertos por la normativa vigente.
Referencias bibliográficas
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Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
AISC (1992), ANSI/AISC 341-02. Seismic Provi-sions for Structural Steel Buildings, Ameri-can Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
AISI (1986), Specification for the design of cold formed steel structural Members, American Iron and Steel Institute, Washington, D.C. Boroschek, R., Soto, P., and Leon, R. (2010),
«Maule Region Earthquake, February 27, 2010, Mw = 8.8,» Renadic Report 10/08, Department of Civil Engineering, University of Chile.
INN (1996), NCh433.Of1996. Diseño sísmico de edificios, Instituto Nacional de Normali-zación, Santiago, Chile.
INN (2003a), NCh2369.Of2003. Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales, Instituto Nacional de Normalización, Santia-go, Chile.
INN (2003b), NCh2745.Of2003. Análisis y di-seño de edificios con aislación sísmica de base. Instituto Nacional de Normalización, Santiago, Chile.
NTM (2010a) NTM 001-2010: Estructuras: di-seño sísmico de componentes y sistemas no estructurales, Ministerio de Vivienda y Urbanismo, Santiago, Chile.
NTM (2010b) NTM 006-2010: Requisitos mí-nimos de diseño, instalación y operación para ascensores electromecánicos frente a sismos Ministerio de Vivienda y Urbanismo, Santiago, Chile.
Figura 10
