TRABAJO FINAL DE MÁSTER

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Evaluación de la vulnerabilidad sísmica.

Aplicación a edificios convencionales, de

especial importancia y esenciales

Trabajo realizado por:

Ana Laura Garzón Andrade

Dirigido por:

González Drigo, J. Ramón

Pujades Beneit, Luís

Máster en:

Ingeniería del Terreno.

Especialidad de ingeniería sísmica y geofísica

Barcelona, Junio 2020

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (DECA)

TRABAJO FINA

L DE

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2 Agradecimientos

Quiero expresar mi agradecimiento de manera especial a mis padres Jorge Garzón y Roció Andrade, por sus incontables esfuerzos y por ser el principal cimiento para la construcción de mi vida profesional, pues me han apoyado incondicionalmente y han sentado en mí la responsabilidad y los deseos de superación.

A mis hermanos Israel que ha sido como un segundo padre y Pablo mi amigo incondicional, por ese amor y complicidad en todos los momentos de nuestras vidas.

A mi esposo Galo Ortiz quien me acompaño a lo largo de esta aventura y proyecto de vida, donde su amor es el más grande apoyo ante todo tipo de situaciones, por su ayuda, amor y comprensión en todo momento.

A mis tutores, los profesores José Ramón González Drigo y Luis G. Pujades Beneit, por su generosidad al brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad, conocimientos y experiencia en un marco de confianza, afecto y amistad, fundamentales para la finalización de este trabajo.

A mi amigo y compañero de master Miguel, por su ayuda y tiempo invertido en el mismo, gracias a sus conocimientos.

Finalmente agradezco a la Universidad Politécnica de Catalunya por haberme abierto las puertas de su seno científico para poder estudiar este master, así como también a los diferentes docentes que me brindaron sus conocimientos, amistad y apoyo para seguir creciendo de manera personal y profesional.

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3 RESUMEN

A lo largo del tiempo muchas estructuras se han visto afectadas, de manera inesperada, provocando importantes pérdidas humanas y materiales. Esto se debe a factores como el dinamismo del planeta, la ocupación masiva e incorrecta del suelo, la inexistencia y/o el incumplimiento de normas, entre los más relevantes, lo que es motivo de frecuentes catástrofes sísmicas. En consecuencia, se producen fallos en edificios y estructuras que no han sido previstos en su diseño y construcción, provocando, además, el mal funcionamiento de edificaciones de vital importancia, lo que provoca una mala atención a las consecuencias de la catástrofe.

Esta investigación pretende contribuir a una sociedad más segura y resiliente, aportando conocimiento y herramientas para evaluar la vulnerabilidad sísmica de edificios existentes, con especial énfasis en edificaciones esenciales y especiales. El trabajo se ha estructurado en tres partes. En la primera se generan dos formularios de evaluación de vulnerabilidad en base a información sobre las características básicas y estructurales del edificio; un manual de instrucciones acompaña a los formularios permitiendo su uso homogéneo y adecuado. La segunda parte se dedica a métodos existentes de evaluación de vulnerabilidad y daño esperado, incluyendo métodos simplificados, en los que el edificio se define mediante clases o índices de vulnerabilidad y, la acción sísmica en términos de intensidad macrosísmica (MSK-64, MM y EMS-98, Risk-UE nivel 1), y también métodos más avanzados, en los que la acción sísmica y el edificio se definen en términos espectrales (Hazus y Risk-UE nivel 2). El análisis detallado de un centro escolar, como caso de estudio, constituye la tercera parte; se ha usado el programa ETABS para el modelado y para los análisis modal y no lineal estático del edificio, para lo que se ha usado información detallada sobre las características de situación, geométricas, estructurales y constructivas del bloque “A” del Instituto Santa Eugenia de Girona.

La versatilidad del método Risk-UE de nivel, ha permitido estimar el índice de vulnerabilidad correspondiente a las matrices de probabilidad de daño halladas con los métodos ensayados, lo que ha hecho posible evaluar su idoneidad para este tipo de estudios. Se obtienen diferencias significativas entre índices de vulnerabilidad, pero todos ellos están dentro del rango que el método Risk-UE de nivel 1 propone para edificios porticados de hormigón armado (0.442 y 0.8). Con todo, los resultados ponen de manifiesto que el tema de la estimación de la vulnerabilidad sísmica de un edificio no es nada trivial y los resultados pueden variar, de forma significativa, con método escogido. Para edificios esenciales, es aconsejable acudir a estudios y métodos más precisos, como el método basado en el espectro de capacidad, con el que se ha obtenido aquí un índice medio de 0.605. También, el método del índice de vulnerabilidad, debido a la riqueza de sus modificadores, que permite incorporar al análisis toda la información disponible, puede ser un método útil.

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4 ABSTRACT

Over time, many structures have been unexpectedly affected, causing significant human and material losses. This is due to factors like the planet dynamism, massive and incorrect soil occupation, the non-existence and/or non-compliance with regulations, among the most relevant, which is a reason for frequent seismic catastrophes. Consequently, failures occur in buildings and structures that have not been foreseen in their design and construction. They produce the malfunctioning of buildings of vital importance, causing bad attention to the catastrophe consequences.

This research aims to contribute to a safer and more resilient society, providing knowledge and tools to assess the seismic vulnerability of existing buildings, with particular emphasis on essential and special buildings. The work has been structured in three parts. In the first part, two vulnerability assessment forms are generated based on information about the building's basics and structural characteristics; an instruction manual accompanies the forms allowing their homogeneous and adequate use. The second part is devoted to the existing vulnerability and expected damage assessment methods, including simplified methods in which the building is defined by vulnerability classes or indexes and the seismic action in terms of the macroseismic intensity (MSK-64, MM and EMS-98, Risk-UE level 1). Also, more advanced methods in which the seismic action and the building are defined in spectral terms (Hazus and Risk-UE level 2). The detailed analysis of a school as a case study constitutes the third part. The ETABS software was used to model the structure and to realize the static modal and nonlinear analyzes of the building. In which detailed information has been used on the situation, geometric, structural, and constructive characteristics of block "A" of the Santa Eugenia Institute of Girona

The versatility of the Risk-EU level method has allowed estimating the vulnerability index corresponding to the probability damage matrices found with the tested methods, which has made it possible to evaluate its suitability for this type of study. Significant differences are obtained between vulnerability indexes, but all of them are within the expected range that the Risk-UE level 1 method proposes for reinforced concrete porticoed buildings (0.442 and 0.8). The obtained results expose that the issue of estimating the seismic vulnerability of a building is not trivial, and the results can vary significantly according to the chosen method. For the essential building type, it is advisable to apply more precise studies and methods, such as the capacity spectrum-based method. With this method, an average index of 0.605 has been obtained. Also, the vulnerability index method, due to the richness of its modifiers, which allows incorporating all the available information into the analysis, can be a useful method.

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ÍNDICE 5 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ... 11 1.1. Antecedentes y Motivación... 12 1.2. Objetivos ... 12 1.2.1. Objetivo general ... 12 1.2.2. Objetivos específicos ... 12 1.3. Metodología ... 13

2. ESTADO DEL ARTE ... 15

2.1. Efectos de los sismos en las edificaciones ... 15

2.2. Vulnerabilidad sísmica de edificaciones esenciales y especiales ... 16

2.2.1. Caracterización de la vulnerabilidad sísmica ... 17

2.2.2. Causas de la vulnerabilidad de una edificación ... 18

2.2.3. Factores que afectan a la vulnerabilidad sísmica ... 19

2.2.4. Tipos de análisis de vulnerabilidad ... 21

2.2.4.1. Vulnerabilidad Funcional ... 21

2.2.4.2. Vulnerabilidad Estructural ... 22

2.2.4.3. Vulnerabilidad no Estructural ... 23

2.3. Edificaciones esenciales y especiales ... 23

3. METODOLOGÍA ... 28

3.1. Aspectos a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad ... 28

3.2. Cuantificación de la Vulnerabilidad Sísmica ... 32

3.2.1. Métodos basados en clases de Vulnerabilidad ... 32

3.2.2. Estados de daño... 33

3.2.3. Métodos basados en Índices de Vulnerabilidad ... 33

3.2.4. Curvas y espectros de capacidad... 34

3.2.5. Espectros de Capacidad ... 34

3.2.6. Curvas de Fragilidad ... 36

3.2.7. Matrices de probabilidad de daño ... 37

3.2.8. Parámetro de Daño Medio ... 37

4. ELEMENTOS PARA LA INSPECCION Y EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD DE EDIFICIOS. ... 38

4.1. Planificación de la Inspección ... 38

4.1.1. Presupuesto. ... 38

4.1.2. Reconocimiento del sitio... 38

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ÍNDICE 6 4.1.4. Visita de reconocimiento ... 39 4.1.5. Evaluación final. ... 40 5. UN CASO DE ESTUDIO. ... 43 5.1. Instituto ... 43

5.1.1. Aspectos constructivos y de normativas ... 43

5.1.2. Descripción estructural y detalles constructivos ... 43

5.2. Métodos analíticos de evaluación ... 46

5.2.1. Escala macrosísmica MSK-64 ... 46

5.2.2. Escala macro-sísmica EMS-98 ... 47

5.2.3. Método ATC-13 ... 50

5.2.4. Método HAZUS ... 53

5.3. Modelo numérico del Instituto Santa Eugenia ... 55

5.3.1. Tipos de elementos utilizados en el modelo ... 55

5.3.2. Propiedades mecánicas de los materiales ... 56

5.3.3. Elementos estructurales ... 57

5.3.4. Cargas aplicadas... 58

5.4. Capacidad, fragilidad e índice de vulnerabilidad. ... 58

5.4.1. Curva de Capacidad ... 58

5.4.2. Espectro de Capacidad ... 58

5.4.3. Punto de Capacidad por demanda ... 59

5.4.4. Curvas de Fragilidad y daño esperado ... 61

5.5. El método de nivel 2 (LM2)... 62

5.6. Comentario final ... 64

6. RESULTADOS ... 66

6.1. Inspección de la edificación ... 66

6.2. Aplicación de los métodos analíticos ... 68

6.2.1. Método ATC-13 ... 71

6.3. Análisis Estático no lineal y Modal ... 74

6.3.1. Modelado estructural ... 74

6.3.2. Periodos modales ... 75

6.3.3. Espectro de capacidad ... 76

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ÍNDICE

7

6.4.1. Espectro de Respuesta y Espectro de Demanda ... 78

6.4.2. Punto de Desempeño... 79

6.4.3. Daño esperado ... 80

6.5. Índices de Vulnerabilidad ... 84

6.5.3. Método ATC-13 ... 86

6.5.5. Método del espectro de capacidad. ... 87

6.6. Comparativa de los Índices de Vulnerabilidad ... 87

6.7. Comentario final ... 89

7. DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 90

7.1. Resumen y Discusión ... 90

7.1.1. Edificios esenciales ... 90

7.1.2. Vulnerabilidad física y vulnerabilidad funcional ... 91

7.1.3. Los formularios ... 91

7.1.4. El edificio escolar del Instituto Santa Eugènia de Girona ... 91

7.1.5. Métodos simplificados (Evaluación expedita) ... 92

7.1.6. Método basado en el espectro de capacidad (Risk-UE nivel II) ... 92

7.1.7. Método del índice de vulnerabilidad (Risk-UE-Nivel I) ... 92

7.2. Conclusiones ... 93

7.3. Recomendaciones ... 94

7.4. Consideración final ... 95

8. BIBLIOGRAFÍA ... 96

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ÍNDICE DE TABLAS

8 Índice de Tablas

Tabla 3-1. Aspectos geométricos a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad ... 29

Tabla 3-2. Aspectos constructivos a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad ... 29

Tabla 3-3. Aspectos estructurales a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad ... 30

Tabla 5-1. Tipo de edificios en la escala MSK-64... 46

Tabla 5-2. Descripción de los daños en construcciones, según la MSK-64 ... 47

Tabla 5-3. Cuantificación de Daños... 47

Tabla 5-4. Clase de vulnerabilidad por el tipo de estructura, según la EMS-98 ... 48

Tabla 5-5. Clasificación del daño según la escala EMS-98 ... 49

Tabla 5-6. Estados de daño para el ATC-13 ... 50

Tabla 5-7. Valores de los límites inferior (Le), superior (He) y mejor estima (Be) ... 52

Tabla 5-8. Tipo de edificios según la metodología Hazus (FEMA, 2003). ... 53

Tabla 5-9. Resumen de las propiedades mecánicas del concreto HA-250 ... 56

Tabla 5-10. Resumen de las propiedades mecánicas del acero AEH500N ... 56

Tabla 5-11. Coeficientes para un espectro de respuesta tipo 2 (Eurocódigo 8). ... 60

Tabla 5-12. Distribución discreta de las probabilidades ... 63

Tabla 6-1. Matriz de probabilidad de daño observado MSK-64 ... 68

Tabla 6-2. Matrices de daño con ajuste binomial ... 69

Tabla 6-3. Tres hipótesis para la cuantificación de daños (EMS-98) ... 70

Tabla 6-4. Matrices de Daño observado. Vulnerabilidad clase C. Escala EMS-98 ... 70

Tabla 6-5. Matrices de daño con ajuste binomial. ... 71

Tabla 6-6. Estados de daño medios esperados para los 3 casos... 72

Tabla 6-7. Matriz de probabilidad de daño (última columna) para la intensidad IX según ATC-13, para edificios de hormigón armado de mediana altura (FC 7). ... 73

Tabla 6-8. Matriz de daño general para (FC 7), según ATC-13. ... 73

Tabla 6-9. Valores de la media del PGA y desviación estándar-C3M (FEMA, 2003)... 73

Tabla 6-10. Peso del boque ‘A’ del instituto Santa Eugenia ... 75

Tabla 6-11. Modos de vibración del boque ‘A’ del instituto Santa Eugenia. ... 75

Tabla 6-12. Periodos de vibración medidos y calculados ... 76

Tabla 6-13. Valores del PGA en función de la intensidad, de acuerdo a la ecuación (1). ... 78

Tabla 6-14. Matriz de probabilidad de daño dirección ´X´(longitudinal) ... 83

Tabla 6-15. Matriz de probabilidad de daño dirección ‘Y’ (T) ... 83

Tabla 6-16. Comparación de los métodos. (Índice de vulnerabilidad de referencia IvR0.605) ... 89

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ÍNDICE DE FIGURAS

9 Índice de Figuras

Figura 2-1. Sismo de Lorca-España (2011) ... 16

Figura 2-4. Relacion Demanda-Capacidad (Hospital). (Safina, 2002) ... 21

Figura 2-5. Hospital de Bellvitge-Barcelona. (Fuente:www.20minutos.es) ... 24

Figura 2-6. Universidad Politecnica de Barcelona. (Fuente:www.sites.google.com) ... 25

Figura 2-7. Palau de la Generalitat Catalunya. (Fuente:www.patrimoni.gencat.cat) ... 25

Figura 2-8. Estación de Bomberos en Zaragoza. (Fuente:www.sites.google.com) ... 26

Figura 2-9. British Broadcasting Corporation (BBC)-radio, television –Londres. (Fuente:www.bbc.com)... 26

Figura 2-10. Aeropuerto de Madrid Barajas. (Fuente:www.aeropuertos.net) ... 27

Figura 2-11. Torre de Pisa-Italia. (Fuente: Propia) ... 27

Figura 3-1. Curva de Capacidad ( Fuente: (Lantada, 2007)) ... 34

Figura 3-2. Espectro de Capacidad (Fuente: (ATC-40 , 1996)) ... 35

Figura 3-3. Ejemplo de curvas de fragilidad. (Moreno, 2006) ... 37

Figura 4-1. Fases a considerar en un . . proceso de planificación ... 39

Figura 4-2. Fases a considerar en un proceso de planificación (ver explicación en el texto) .. 40

Figura 5-1. Distribución de los bloques del instituto de Santa Eugenia. a) esquema en planta de los diferentes bloques. b) foto del bloque A. ... 44

Figura 5-2. Anclajes tipo utilizados para la unión pilares-placa. ... 44

Figura 5-3. Distribución de las zapatas de cimentación. ... 45

Figura 5-4. Ejemplo de perfil de los forjados. ... 45

Figura 5-5. Cuantificación de Daños ... 49

Figura 5-6. Curvas constitutivas del hormigón (a) y del acero (b), en el software ETABS. ... 57

Figura 5-7. Columnas (a), vigas (b), forjado (losa equivalente de HA-250) (c) y cerramientos de mampostería cerámica hueca (d), considerados para el modelo del Instituto. ... 57

Figura 5-8. a) Patrones de distribución de cargas laterales para un análisis pushover y b) Sistema de 4 grados de libertad. ... 59

Figura 5-9. a) Espectro de Respuesta, b) Espectro de demanda, c) obtención del punto de desempeño, d) Aproximación lineal equivalente. ... 61

Figura 5-10. a) espectro de capacidad bilineal. b) umbrales de los estados de daño. ... 62

Figura 5-11. Curvas de fragilidad. Determinación de las probabilidades de excedencia ... 64

Figura 6-1. Formulario para datos básicos de la edificación ... 66

Figura 6-2. Formulario para datos estructurales de la edificación ... 67

Figura 6-3. Trazado del error lineal y cuadrático para encontrar la probabilidad de éxito óptima y los gráficos de distribución binomial ajustados. ... 69

Figura 6-4. Histograma de la matriz de probabilidad de daño. ... 70

Figura 6-5. Trazado del error lineal y cuadrático para encontrar la probabilidad de éxito óptima para la intensidad IX. ... 72

Figura 6-6. Histograma de la matriz de daño completa para el caso 1 ... 72

Figura 6-7. Curvas de fragilidad para la tipología C3M de Hazus. ... 74

Figura 6-8. Curva del Estado de daño medio para la tipología C3M. ... 74

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ÍNDICE DE FIGURAS

10 Figura 6-10. Densidad espectral de potencia (PSD) y periodos de vibración medidos en el

Instituto Santa Eugenia. Fuente: (Pujades comunicación personal). ... 76

Figura 6-11. Esquema de la estructura del edificio. Se indican las direcciones X (Longitudinal) e Y (Transversal) del edificio. ... 77

Figura 6-12. Curvas de capacidad. Dirección ‘X (L)’; Dirección ‘Y’(T). ... 77

Figura 6-13. Espectro de Capacidad. Dirección ‘X (L)’; Dirección ‘Y (T)’. ... 77

Figura 6-14. Espectro de respuesta en formatos Sa-T y Sa-Sd (abajo) para una intensidad IX ... 79

Figura 6-15. Determinación del punto de desempeño, Int. IX, dirección ´X´ ... 79

Figura 6-16. Determinación del punto de desempeño, Int. IX, dirección ´Y´ ... 80

Figura 6-17. Forma bilineal del espectro de capacidad en la dirección X (L). ... 80

Figura 6-18. Forma bilineal del espectro de capacidad en la dirección Y (T). ... 81

Figura 6-19. Curvas de fragilidad ‘X’ (L) ... 81

Figura 6-20. Curvas de fragilidad ‘Y’ (T) ... 82

Figura 6-21. Intensidades en las curvas de fragilidad, dirección ‘X’ ... 82

Figura 6-22. Intensidades en las curvas de fragilidad, dirección ‘Y’ (T) ... 83

Figura 6-23. Curva del estado de daño medio calculado y ajustado (Iv=0.66 - Método MSK-64) ... 84

Figura 6-24. Estado de daño medio (Iv=0.69. EMS-98 – Caso 1) ... 85

Figura 6-25. Estado de daño medio (Iv=0.51. EMS-98 – Caso 2) ... 85

Figura 6-26. Estado de daño medio ... 85

Figura 6-27. Estado de daño medio. (Iv=0.47. Método ATC-13). ... 86

Figura 6-28. Estado de daño medio. (Iv=0.75. Método HAZUS) ... 86

Figura 6-29. Estado de daño medio. (Iv=0.60. Método del espectro de capacidad. Dir. X-L) 87 Figura 6-30. Estado de daño medio. ... 87

Figura 6-31. Comparativa de los Índices de Daño ... 88

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1. INTRODUCCIÓN

11 1. INTRODUCCIÓN

Los fenómenos naturales, desde tiempos pasados hasta el presente día, han afectado, y siguen afectando, enormemente a ciudades y poblaciones, tanto en el ámbito social como económico, por lo cual ha sido necesaria la investigación e implementación de métodos que ayuden a la prevención de los posibles daños. La ocurrencia de un fenómeno natural, como un evento sísmico, supone un inconveniente importante para las estructuras y edificios. Para estos efectos catastróficos corresponde al profesional en este campo, considerar, en el momento del diseño y la construcción, la capacidad de los edificios para resistir estas acciones. La respuesta dinámica de estructuras, así como los daños que puedan presentar los elementos estructurales y no estructurales, dependen, no solo de las características de la acción sísmica, sino también del comportamiento de todo el sistema estructural de la edificación. Por esta razón, es necesario desarrollar procedimientos que permitan realizar evaluaciones para identificar edificaciones que puedan ser vulnerables ante la acción de un sismo, lo cual las convierte en inseguras para sus ocupantes. Las viviendas y centros de atención ciudadana, como todos sabemos, son parte esencial en la vida de un ciudadano, ya que en ellas se desarrollan muchas de las actividades humanas, como descanso, protección, atención médica, lugares donde se espera que brinden seguridad, ante todo, pero también comodidad y bienestar. En particular, las edificaciones esenciales son muy importantes, pues al momento de presentarse un sismo estas serán las encargadas de brindar atención y alberge a las personas afectadas. Así, es de gran importancia realizar un análisis de vulnerabilidad sísmica de este tipo de edificaciones para asegurar su correcto desempeño en el ámbito estructural y funcional en el momento que se presente un siniestro.

Por otra parte, también tenemos edificaciones de especial importancia, que son aquellas con una misión importante en la vida cotidiana, con un riesgo añadido sea por su alta ocupación o por su valor patrimonial. Las líneas vitales son un capítulo aparte. Son también infraestructuras de especial importancia, pues estas proporcionan servicios básicos como, entre otros, transporte, luz, agua, electricidad; servicios todos ellos que permiten que los habitantes de una ciudad tengan una vida digna. El patrimonio histórico también debe protegerse. Existen ciudades con milenarias obras de la historia de la humanidad que aún perduran y dan un gran valor cultural a cada país, ciudad y pueblo que las conserven.

La finalidad de la presente tesis es contribuir a la preparación de una guía de buenas prácticas para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica en edificaciones esenciales, para saber su condición frente a una amenaza sísmica y así verificar la seguridad de miles de familias que sin duda van a necesitar de sus servicios en caso de un sismo. Pero los métodos, procedimientos y técnicas de evaluación de la vulnerabilidad física y daño esperado van a ser útiles, también la evaluación de la vulnerabilidad de edificios normales dado que sus características estructurales son comparables.

Este documento centra su atención en aquellos aspectos relativos a la evaluación de la vulnerabilidad física sísmica, con énfasis en las diferentes metodologías de evaluación y los parámetros característicos empleados para describir la acción y el daño. Se revisarán y analizarán las diferentes estrategias utilizadas para la cuantificación de la vulnerabilidad

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1. INTRODUCCIÓN

12 sísmica, incluyendo métodos expeditos simplificados, basados en clases e índices de vulnerabilidad y también métodos más sofisticados basados en curvas y espectros de capacidad y curvas de fragilidad. En los métodos simplificados la acción sísmica se define mediante la intensidad macro-sísmica y en los avanzados mediante espectros de respuesta.

1.1. Antecedentes y Motivación

Desde mucho tiempo atrás, la humanidad ha tenido que sufrir y soportar las consecuencias de la ocurrencia de fenómenos naturales, como lo es un sismo, al ver destruidas sus viviendas y lugares de trabajo, que son el sustento de sus familias, sin olvidar las pérdidas humanas que, por irremediables, son aún más dolorosas. Los sismos son fenómenos naturales muy comunes en el mundo. La defensa de la sociedad frente a ellos, reside en el diseño y construcción sismorresistente. Por otra parte, dado que el diseño sismorresistente es relativamente reciente, cobra gran importancia en la evaluación de vulnerabilidad, ya que ello permite determinar el nivel de seguridad y de comportamiento de edificios construidos, sin tener que considerar las acciones sísmicas probables. Esto cobra mayor interés e importancia cuando se trata de edificaciones esenciales como, entre otras, hospitales, estaciones de bomberos, y, en general, todos aquellos centros que deben brindar ayuda en el momento que ocurra el siniestro.

Por esta razón, el presente proyecto consiste en contribuir a una guía que permita evaluar la vulnerabilidad sísmica de edificaciones esenciales y especiales, en el sentido que las define la Norma de Construcción Sismorresistente Española (NCSE-02, 2002), con la finalidad de velar por la seguridad de las personas que se encuentren en estos establecimientos ya sea por razones de trabajo o por atención médica. Estas evaluaciones pueden realizarse mediante una simple inspección visual del edificio y de los elementos estructurales que lo conforman, o usando formularios detallados como los que se han elaborado en este proyecto, con el propósito de establecer el grado de vulnerabilidad del edificio, ante la presencia de un sismo y de esta manera tomar las medidas necesarias para su prevención y protección.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

El objetivo principal de esta Tesis de Final de Máster (TFM) es contribuir a la elaboración de una guía de buenas prácticas para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificaciones esenciales.

1.2.2. Objetivos específicos

Objetivos más específicos y detallados se describen a continuación.

 Revisar las diferentes definiciones que se dan a edificios y construcciones en función de su importancia, centrándonos básicamente en edificios de importancia normal y especial y en edificios esenciales. Dar una definición a efectos de esta TFM.

 Revisar, identificar y diferenciar los tipos de vulnerabilidad que se pueda presentar en edificios esenciales.

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1. INTRODUCCIÓN

13  Implementar los diferentes métodos simplificados basados en índices de vulnerabilidad

e intensidades macro-sísmica.

 Elaboración de formularios que permitan realizar una evaluación de la vulnerabilidad de forma visual rápida y concisa.

 Estudio e implementación de métodos avanzados basados en espectros de capacidad y de demanda.

 Aplicación de los formularios y de los métodos de evaluación de la vulnerabilidad a un caso de estudio, que en este caso será un centro escolar, como edificio de especial importancia.

 Modelado detallado del edificio del centro escolar.

 Realizar un análisis estructural del modelo del edificio, mediante el programa de cálculo ETAPS.

 Aplicar el método basado en espectros de respuesta y de demanda para estimar el daño esperado para diferentes escenarios.

 Comparar los resultados obtenidos para los diferentes métodos de evaluación con el edificio modelado y calculado.

1.3. Metodología

Existe una variedad de metodologías y técnicas propuestas por distintos autores para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de diferentes tipos de edificaciones, donde cada técnica depende principalmente de factores como: la información disponible, el objetivo del estudio, los resultados esperados y características del elemento que se pretende estudiar, entre otros. El nivel o tipo de investigación que se aplicara en este trabajo es descriptivo e investigativo el cual consiste contribuir a la elaboración y desarrollo de una guía que servirá para evaluar la vulnerabilidad sísmica en general y de edificaciones esenciales, en particular. Se aplicarán métodos simplificados basados en escalas de intensidad macro-sísmica, concretamente la MSK y la EMS-98, y métodos propuestos en el proyecto Risk-UE, conocidos como métodos de Nivel I y de Nivel II. En los de nivel I el edificio se define mediante un índice de vulnerabilidad y la acción sísmica mediante la intensidad macro-sísmica en la escala EMS-98; en los de nivel II el edificio se define mediante su espectro de capacidad y la acción mediante el espectro de respuesta 5% amortiguado. Un caso de estudio de un edificio escolar, se usará como guía para ilustrar los aspectos aplicados de los métodos analizados.

El procedimiento a seguir en este trabajo, será primeramente la identificación y diferenciación de las edificaciones de importancia normal, las de especial importancia y las esenciales. Frecuentemente las edificaciones de especial importancia y esenciales suelen agruparse en un solo tipo de edificación sin tomar en cuenta ciertas características que las diferencian.

Se elaborarán formularios que nos permitan realizar una inspección visual rápida para conocer los datos básicos de la edificación, así como su información estructural. El formulario servirá para una inspección visual de la estructura, y con los datos recogidos, permitirá hacer una primera estima del grado de vulnerabilidad que permita tomar acciones. El formulario se acompañará con un documento de información para su correcto llenado y para aclarar posibles dudas en el momento de su utilización.

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1. INTRODUCCIÓN

14 Se realizará un análisis de vulnerabilidad y daño esperado, de detalle, para un edificio escolar, el instituto Santa Eugènia de Girona, en el que se aplicarán los métodos implementados, incluyendo su modelado y análisis estructural, con el programa de cálculo ETAPS.

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2. ESTADO DEL ARTE

15 2. ESTADO DEL ARTE

2.1. Efectos de los sismos en las edificaciones

Un terremoto es un fenómeno de sacudida brusca y pasajera de la corteza terrestre producida por la liberación de energía acumulada, en forma de ondas sísmicas. Los más comunes se producen por la actividad de fallas geológicas. La magnitud del daño que puede ocasionar un sismo sobre una edificación depende de las características del movimiento del suelo, incluyendo la acción en el basamento rocoso, de la respuesta del terreno y de las características de la construcción (rigidez, configuración estructural, configuración en planta y elevación de la estructura, etc.). La combinación de estos tres elementos, peligrosidad, vulnerabilidad y daño esperado, configura el riesgo sísmico, definido como la pérdida probable por causa de terremotos.

Un sismo o temblor es un fenómeno en que el terreno se mueve, de forma más o menos caótica, en todas direcciones. Cerca del punto donde se originó el sismo (epicentro) se perciben movimientos intensos tanto verticales como horizontales; en general, el movimiento predominante es el horizontal. Cuando se somete una construcción a un movimiento horizontal del terreno, se generan fuerzas laterales (fuerzas de inercia o fuerzas sísmicas). Las fuerzas a las que se somete la estructura dependen de su masa, rigidez y de su altura; mientras más peso en la parte superior, mayor es la fuerza lateral que se generará en la construcción. El efecto es semejante a cuando estamos en un vehículo inmóvil y este arranca, o estamos en ese vehículo en movimiento y de repente frena; en ambos casos sentimos la fuerza de inercia. En forma similar, un edificio se ve sometido a fuerzas sísmicas en su estructura cuando el terreno se mueve en una y otra dirección.

Los daños en las construcciones están relacionados con los tipos de elementos constructivos, materiales empleados, modo de construcción, topografía, etc. Se pueden originar daños por fallos en la cimentación de los edificios, al perder el suelo y los pilotes de fricción pierdan su capacidad de carga durante el sismo, provocando asentamientos, desplomes importantes o podría llegar al colapso total de la edificación. Los principales daños en la ciudad de San Francisco (terremoto del 17 de Octubre de 1989) se presentaron en la zona de suelo blando en el distrito de Marina, cuya causa principal fue la licuefacción del relleno hidráulico de limos y arenas, así como la amplificación de las ondas sísmicas (Fernandez, 2016).

En ocasiones los daños en pilares pueden ser provocados por golpes entre edificios vecinos, sobre todo cuando el nivel de las losas en uno y otro edificio es diferente. Para resistir estas fuerzas la estructura debe tener una cantidad y distribución adecuada de elementos resistentes como columnas o muros de carga, así como elementos horizontales (vigas y losas) que distribuyan las fuerzas sísmicas entre dichos elementos. Cuando se excede la resistencia de los elementos estructurales la edificación sufre daños como agrietamientos, aplastamientos o grandes deformaciones que pueden llegar a causar, incluso, el colapso (el derrumbe total del edificio).

Los daños en una estructura, a causa de un sismo son variables y dependen del tipo de material y de estructura, sin embargo, los efectos que más preocupan a los especialistas son los

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2. ESTADO DEL ARTE

16 conocidos como cortantes, que se caracterizan por grietas inclinadas en los muros o en las columnas y que pueden conducir al colapso de las estructuras, por ello en las normas de construcción se busca que fallas de esta naturaleza no ocurran.

Efectos de los sismos sobre Edificaciones

Daño en elementos Estructurales

Figura 2-1. Sismo de Lorca-España (2011)

Daño en elementos no Estructurales

Colapso total de Estructura

La utilización de diseños antisísmicos en obras puede aumentar el coste de la construcción, es por ello, que en muchos casos se evita la aplicación de ellos. Sin embargo, el costo por diseño antisísmico en construcciones normales no es alto, pero en edificaciones consideradas esenciales o especiales si puede llegar a ser elevado y muy necesario.

2.2. Vulnerabilidad sísmica de edificaciones esenciales y especiales

La palabra “vulnerabilidad” se usa para expresar las diferencias en la forma en la que responden los edificios a desastres naturales. Si dos grupos de edificios son sometidos exactamente a la misma vibración ocasionada por un terremoto y un grupo responde mejor que el otro, se puede decir que los edificios menos dañados poseen una menor vulnerabilidad sísmica que los edificios más dañados, o que los edificios menos dañados eran más sismorresistentes que los otros y viceversa (Grünthal, 1998).

La Vulnerabilidad sísmica llegaría a ser una propiedad intrínseca de la estructura descrita a través de una ley causa-efecto, donde la causa es el sismo y el efecto es el daño (Sandi, 1986). La definición de la naturaleza y alcance de estudio de vulnerabilidad sísmica debe estar condicionado por el tipo de daño que se pretende evaluar y el nivel de amenaza existente. Por otro lado, la efectividad de un plan de emergencia o respuesta sísmica parte del supuesto que las edificaciones esenciales y especiales mantienen en todo momento su capacidad de

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2. ESTADO DEL ARTE

17 prestar atención a la crisis sísmica y el mantenerse en buen estado en caso de las edificaciones especiales. En general, el riesgo sísmico y vulnerabilidad se caracteriza por su variabilidad en el tiempo y en el espacio, al depender no solo de la sismicidad de la región, sino también de la densidad de la población, el nivel de desarrollo económico y el grado de preparación para hacer frente a una crisis sísmica, siendo condiciones que pueden dar lugar a una catástrofe sísmica. Las medidas de prevención y mitigación contra los efectos de un desastre sísmico deben considerarse como parte fundamental de un proceso de desarrollo integral a nivel regional y urbano, con el fin de reducir el riesgo existente, pues estos eventos pueden causar un grave impacto en el desarrollo de las comunidades por lo que las autoridades competentes deben integrar medidas para conocer el riesgo existente. El conocimiento de la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones esenciales y especiales juega un papel de suma importancia, pues en ella se fundamenta el despliegue de cualquier plan de emergencia y atención ante un evento sísmico.

Aunque no existe una metodología estándar para estimar la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones, se han propuesto diferentes métodos, cuyo resultado pretende hacer una descripción global del daño que experimentaría una estructura de una tipología dada, sometida a la acción de un sismo determinado. El resultado de un estudio de vulnerabilidad sísmica está condicionado a la manera concreta como haga la descripción del daño y del movimiento sísmico. La relación entre estos parámetros suele formularse discretamente, mediante matrices o de manera continua, a través de funciones o curvas, que pueden tener un carácter regional, limitando su transportabilidad, por lo que es necesario propiciar el desarrollo de funciones propias que reflejen los aspectos constructivos y culturales representativos de cada región. Pueden obtenerse analíticamente, simulando la respuesta sísmica de estructuras de una misma tipología definiendo la llamada vulnerabilidad calculada, o bien, de la observación de daños causados sobre edificaciones perteneciente a zonas afectadas por terremotos, cuyo tratamiento estadístico basado en aspectos empíricos y subjetivos definen la llamada vulnerabilidad observada (Barbat, 1998).

2.2.1. Caracterización de la vulnerabilidad sísmica

La naturaleza y alcance de un estudio de vulnerabilidad sísmica de una estructura debe estar condicionado por el tipo de afectación o daño que se pretende evaluar y el nivel de amenaza existente. La naturaleza y alcance de un estudio de vulnerabilidad sísmica debe estar condicionado por el tipo de afectación o daño que se pretende evaluar y el nivel de amenaza existente. En este sentido, la caracterización de la vulnerabilidad sísmica de una estructura está estrechamente vinculada a los probables daños inducidos como consecuencia de un movimiento sísmico que depende fundamentalmente de tres factores; la severidad del movimiento en el emplazamiento, las características de la estructura y su vulnerabilidad sísmica (Barbat, 1998).

Para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificaciones, es necesario un estudio detallado el cual permita conocer la susceptibilidad de las edificaciones de sufrir un determinado nivel de daño para un movimiento sísmico especificado. Estos estudios, generalmente se basan en la comparación de la capacidad resistente de la edificación con la

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2. ESTADO DEL ARTE

18 demanda sísmica. La demanda es una representación de la acción sísmica y la capacidad es una representación de la posibilidad que tiene la estructura de resistir la demanda sísmica, manteniendo un desempeño compatible con el nivel de respuesta esperado. De manera que la acción sísmica y el daño sísmico constituyen los elementos fundamentales para la caracterización de la vulnerabilidad sísmica.

2.2.2. Causas de la vulnerabilidad de una edificación

Una de las principales causas de daño en las edificaciones, provocadas por el efecto de sismos se debe al inadecuado comportamiento de las estructuras, por lo que es necesario conocer el grado de vulnerabilidad que presentan según la configuración estructural de las mismas, con el fin de buscar soluciones y mejorar las respuestas ante la incidencia de un sismo de baja, mediana o gran intensidad. La vulnerabilidad sísmica depende de aspectos como la geometría de la estructura, aspectos constructivos y aspectos estructurales y otros que se pueden ver a continuación.

Aspectos Geométricos

 Irregularidad en planta.  Irregularidad en elevación.

Aspectos Constructivos

 Calidad de las juntas.  Tipo y disposición.  Calidad de los materiales.

Aspectos Estructurales

 Muros confinados y reforzados.

 Detalles de columnas y vigas de confinamiento.  Vigas de amarre.

 Características de las aberturas.  Tipo y disposición del entrepiso.

Cimentación  Vigas de amarre en concreto reforzado.

Suelo  Blando.  Duro. Entorno  Topografía.  Otros efectos.

De esta forma elaborar una estimación del grado de impacto que tendrá un sismo sobre una estructura, como se ha mencionado anteriormente, se vuelve un trabajo complicado puesto que las características de cada construcción abren un sin fin de variables. Aun así, la estimación es

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2. ESTADO DEL ARTE

19 necesaria, y en caso de requerir resultados globales, se suele recurrir a muestreos donde se generaliza las características de un edificio modelo para los demás que se quieren evaluar.

2.2.3. Factores que afectan a la vulnerabilidad sísmica

Existen varios factores que afectan a la vulnerabilidad general de una estructura, además del tipo de construcción. Estos factores afectan generalmente a todo tipo de estructuras, independientemente de si están construidas con o sin un diseño sismorresistente.

 Calidad y Fabricación

El uso de materiales de buena calidad y buenas técnicas de construcción resultará en un edificio más capaz de resistir la vibración que si se usan materiales de baja calidad, o si se da una fabricación deficiente. En el caso de los materiales, la calidad del mortero es de particular importancia, hasta el punto de que incluso se puede construir un edificio fuerte con mampostería con paredes de piedra si el mortero es de alta calidad. La fabricación de mala calidad puede estar motivada por negligencia o recortes de presupuestos, por ejemplo, en el caso de no conseguir conectar adecuadamente las partes de la estructura. En los casos de estructuras construidas con técnicas de ingeniería, una construcción deficiente puede provocar que la estructura final no satisfaga los requisitos del código sísmico apropiado (Grünthal, 1998).

 Localización

La localización de un edificio con respecto a otros edificios vecinos puede afectar su comportamiento durante un terremoto. Cuando dos edificios altos con períodos naturales distintos están situados muy cerca el uno del otro se pueden producir daños de importancia. Durante el terremoto, ambos edificios pueden oscilar a frecuencias distintas y chocar el uno contra el otro, causando un efecto conocido como “golpeteo” (Grünthal, 1998).

 Regularidad

La irregularidad genera que el centro de rigidez y de masas sean distintos causando torsores y aumentando la probabilidad de daño. Como tales edificios no funcionarían adecuadamente y serían rechazados estéticamente, hay que esperar variaciones más o menos significativas en la mayoría de edificios con respecto a esta estructura ideal. Cuanto mayor sea la discrepancia en simetría y regularidad, mayor será la vulnerabilidad del edificio con relación a la vibración sísmica, y con frecuencia es posible observar en edificios dañados cómo las irregularidades han contribuido claramente al daño.

En algunos casos las modificaciones subsecuentes pueden afectar negativamente a edificios que tenían un buen nivel de regularidad. Por ejemplo, la transformación del primer piso de un edificio en un garaje o local comercial puede debilitarlo (creando un piso débil); igualmente, la construcción de una extensión de un edificio puede introducir irregularidades en la planta e irregularidades de rigidez y periodo sobre toda la estructura. Los edificios antiguos de mampostería pueden haber sido modificados considerablemente a lo largo de varios años, resultando en pisos a distintos niveles cuya planta no concuerda, cimientos en distintos niveles de una pendiente y casos similares (Grünthal, 1998).

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2. ESTADO DEL ARTE

20  Estado de preservación

Un edificio mantenido de forma adecuada funcionará de acuerdo a la resistencia que se espere de él. Un edificio al que se le haya permitido deteriorarse puede ser significativamente más débil, lo suficiente incluso como para incrementar su vulnerabilidad en al menos una clase. Esto se puede observar en los casos de edificios abandonados o en ruinas, así como en los casos en los cuales ha existido una falta evidente de mantenimiento. Un caso particular es el de edificios previamente dañados (por lo general por un terremoto previo, cuando se han manifestado series de réplicas). Tales edificios pueden responder de una manera muy pobre, de forma que una réplica considerablemente débil puede causar daños desproporcionados (incluyendo colapso) entre edificios dañados por el sismo principal.

Se debe notar que un edificio puede aparentar estar en buenas condiciones porque se ha atendido al mantenimiento de la apariencia estética del edificio. Sin embargo, es obvio que un guarnecido reciente y unas capas de pintura vistosa no conllevan necesariamente buen estado del sistema estructural del edificio (Grünthal, 1998).

 Diseño sismorresistente (DSR)

Las funciones de vulnerabilidad para los distintos tipos de estructuras construidas con técnicas de ingeniería se deben evaluar principalmente en función del nivel deseado del diseño sismorresistente. Estos niveles pueden variar de un país a otro. Las clases de vulnerabilidad tampoco son uniformes con respecto al nivel y a las metas de las regulaciones nacionales en torno a terremotos y pueden cambiar con el tiempo en cualquier país o región. La clase real de vulnerabilidad será asignada con respecto al diseño final (real) de DSR, el cual puede diferir (aunque en la mayoría de los casos no debería hacerlo) del nivel consistente con el código debido a otros factores (Grünthal, 1998).

 Ductilidad

La ductilidad representa una medida de la capacidad de un edificio para tolerar cargas laterales en el rango post-elástico, disipando la energía del terremoto y creando daños de forma controlada, dispersa o concentrada localmente según el tipo de construcción y de sistema estructural. La ductilidad puede ser una función directa del tipo de construcción; las viviendas de acero bien construidas tienen una alta ductilidad y por lo tanto resisten la vibración de forma adecuada, en comparación con edificios más quebradizos y menos dúctiles tales como las viviendas de ladrillo. En los edificios diseñados contra terremotos, los parámetros que determinan las características dinámicas del edificio (rigidez y distribución de masas) se controlan y la calidad de la transformación y disipación de la energía se asegura en los acoplamientos entre el piso, los cimientos y los elementos estructurales (Grünthal, 1998).

 Refuerzo

Cuando se han tomado medidas para reforzar los edificios con el fin de mejorarlos contra los terremotos, el efecto es el de crear lo que son prácticamente nuevos tipos de edificios compuestos. Estos pueden diferir radicalmente en su rendimiento con respecto al edificio original sin modificaciones. Por ejemplo, tomar construcciones antiguas de rocas de cantera y

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2. ESTADO DEL ARTE

21 mejorar los elementos horizontales reemplazando los pisos o insertando enlaces puede mejorar el rendimiento. Si además de esto, se inyecta mortero o epoxi o se encamisa con hormigón armado, el rendimiento puede mejorar hasta el punto de incluir el edificio en las clases asignadas a edificios con diseño sismoresistente (DSR) (Grünthal, 1998).

2.2.4. Tipos de análisis de vulnerabilidad 2.2.4.1. Vulnerabilidad Funcional

Desde el punto de vista funcional es necesario hacer referencia a los aspectos externos, relativos a la selección del terreno, su tamaño, los servicios públicos, las restricciones ambientales, las vías adyacentes y su conexión con el entramado urbano. Igualmente, es necesario abordar los aspectos relativos a la zonificación general, es decir a las interrelaciones, circulaciones primarias y secundarias, privadas, públicas y a los accesos generales y particulares de las áreas básicas en que se subdivide la edificación. Finalmente, debe tenerse en cuenta la zonificación particular, es decir, los aspectos de funcionamiento interno de cada uno de los sectores que conforman la edificación. Por ejemplo, un edificio para hospital lo componen cinco áreas básicas, las cuales tienen funciones muy determinadas y propias, pero a su vez unas con otras deben cumplir interrelaciones vitales para su buen funcionamiento. Un hospital puede ser víctima de un "colapso funcional" como consecuencia de esta situación, la cual es sólo detectada en el momento en que ocurre una emergencia (Salud, 1993).

La naturaleza de las edificaciones esenciales exige que ante una crisis sísmica, sus instalaciones deben mantenerse en funcionamiento para atender las consecuencias inherentes al evento y la situación de emergencia planteada, ello implica un incremento abrupto de la demanda de sus servicios respecto a los niveles de demanda existente en condiciones ordinarias, que debe estar en capacidad de atender independientemente de los daños físicos (estructurales y no estructurales) de los cuales puede ser objeto la edificación y que redundaran en una disminución de su capacidad operativa y funcional. Esta incapacidad de respuesta funcional sobreviene inmediatamente con la ocurrencia del evento sísmico y generalmente tiende a reducirse con el tiempo una vez superada la situación de crisis sísmica.

A continuación, en la Figura 2-4 se muestra la relación Demanda-Capacidad de un hospital, antes y después de la ocurrencia de un sismo, donde se puede observar la situación crítica a la que se enfrenta después de la ocurrencia del sismo, el cual se reduce con el tiempo una vez superada la situación de emergencia sísmica.

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2. ESTADO DEL ARTE

22 El colapso funcional se produce cuando la instalación, aunque no haya sufrido ningún daño en su estructura física, se ve incapacitada de brindar los servicios inmediatos de atención de la emergencia sísmica y la posterior recuperación de la comunidad afectada (Guevara, 2000). Existen diversos factores que contribuyen a incrementar el nivel de perturbación funcional, aumentando así la vulnerabilidad funcional, entre las que se destacan tenemos:

- Una distribución inadecuada de las áreas de servicio, lo cual para edificaciones esenciales es determinante, si se tiene en cuenta que las mismas deben estar en capacidad de prestar atención masiva a los habitantes en el momento del siniestro. - La ausencia de un probado plan de emergencia, que permita hacer frente a la situación,

más aún en cuanto al manejo de información que sirva de ayuda en el momento del pánico.

- La dotación inapropiada de infraestructura o ineficiencias en cuanto a sistemas de evacuación y vías de escape, necesarias en el momento que se presente el sismo. - Escasos sistemas de señalización y sistemas de comunicación.

Si bien este parece un aspecto que escapa del alcance del técnico especializado en el diseño y parece más bien un aspecto de responsabilidad del administrador de las instalaciones, lo cierto es que un estudio permitirá garantizar una mayor eficiencia de la utilización del recurso, pues de muy poco servirá una instalación que sobrepase con éxito el impacto de un sismo desde el punto de vista estructural y no estructural, si desde el funcional no es capaz de atender la demanda del servicio planteada por la situación de emergencia. Por este motivo cualquier programa que trabaje para reducir la vulnerabilidad sísmica de edificaciones esenciales y especiales debe incluir además del estudio de los componentes estructurales y no estructurales, una adecuación que garantice la funcionalidad apropiada ante una crisis sísmica (Guevara, 2000).

2.2.4.2. Vulnerabilidad Estructural

Los componentes de esta clase de vulnerabilidad son los principales elementos que contribuyen al daño en el comportamiento de respuesta de la estructura.

Esta vulnerabilidad se refiere a que tan susceptibles a ser afectados o dañados son los elementos estructurales de una edificación frente a las fuerzas inducidas en ellos y actuando en conjunto con las demás cargas existentes en dicha estructura. Los elementos estructurales son aquellas partes que sostienen la estructura de una edificación, encargados de resistir y trasmitir a la cimentación y luego al suelo las fuerzas producidas por el peso del edificio y su contenido, así como las cargas provocadas por los sismos. Entre estos elementos se encuentran columnas, vigas, diafragmas, mampostería, etc. (Campos, 2000).

El nivel de daño estructural que sufrirá una edificación depende tanto del comportamiento global como local de la estructura. Está relacionado con la calidad de los materiales empleados para su construcción, la característica de los elementos estructurales, esquema resistente y las cargas actuantes. La naturaleza y grado de daño estructural pueden ser descritos en términos cualitativos o cuantitativos, donde será de gran importancia para verificar el nivel de deterioro, así como su situación relativa con respecto al colapso estructural.

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2. ESTADO DEL ARTE

23 Desde un punto de vista cualitativo, normalmente se establecen diferentes descripciones de daño, cuya localización se fundamenta en la observación e identificación de deterioros característicos de los diversos elementos estructurales, los cuales son observados luego de ocurrido el siniestro.

Por medio del desarrollo de modelos de daño es posible evaluar el daño estructural desde un punto de vista cuantitativo, donde se utilizan parámetros que representan la respuesta estructural, tales como, deformaciones de elementos, demanda de ductilidad, energía disipada, etc. Mediante funciones de estos parámetros, se obtienen los llamados indicadores de daño los cuales pueden considerarse como una medida representativa de la degradación estructural, tanto a nivel local como global de la estructura. Cuando estos indicadores son normalizados respecto a un estado de fallo específico, se denominan índices de daño (Yepez, 1996).

Por lo cual se considera que un buen diseño estructural sismorresistente es la clave para la que el edificio sobreviva aún ante desastres naturales severos como son los terremotos.

2.2.4.3. Vulnerabilidad no Estructural

Un estudio de vulnerabilidad no estructural busca determinar la susceptibilidad a daños que estos elementos pueden presentar. Sabemos que al ocurrir un sismo la estructura puede quedar inhabilitada debido a daños no estructurales, sean por el colapso de equipos, elementos arquitectónicos, etc., mientras la estructura permanece en pie.

Dentro de los elementos arquitectónicos tenemos las fachadas, vidrios, tabiques, puertas, ventanas, escaleras, equipo eléctrico, equipo sanitario, techos, etc., que una vez afectados todos estos elementos obligan a la paralización del servicio de la edificación, lo que afectaría directamente a las personas que necesitan ayuda en un momento dado (Campos, 2000). Además, se tendrán en cuenta los componentes para la estimación de la pérdida. Los componentes no estructurales: se pueden dividir en dos categorías:

-Categoría A: son aquellos que pueden contribuir al comportamiento de respuesta de la estructura, por ejemplo, mampostería (paredes de relleno).

-Categoría B: no contribuyen en el comportamiento de respuesta de la estructura, pero son considerados como dominantes en términos de contribución al coste de la construcción (D, y otros, 2013).

2.3. Edificaciones esenciales y especiales

Los códigos de diseño sísmico, como por ejemplo (EN 1992, 2013), suelen la clasificación de las edificaciones según su importancia, uso y riesgo de fallo. En algunos casos la descripción realizada es extensa, pero, en otros casos, llega a ser un poco ambigua. En cualquier caso, cuando analizamos una edificación es importante definir su nivel de importancia, pudiendo ser de importancia normal, de importancia especial, edifico esencial. En este documento analizaremos sólo los edificios esenciales y los de importancia especial. Al ser los edificios esenciales, también de importancia especial frecuentemente estos dos conceptos se usan de

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2. ESTADO DEL ARTE

24 forma que inducen a confusión. Esta sección se dedica a delimitar el concepto de edificación esencial.

Edificaciones Esenciales: Son aquellas edificaciones que albergan instalaciones cuyo funcionamiento, en condiciones de emergencia debida a una acción sísmica, es crítico y, por lo tanto, es vital para afrontar las consecuencias del desastre natural. Son aquellas edificaciones necesarias para atender la emergencia y preservar la salud, brindando seguridad y atención antes y después del sismo. Para una mejor comprensión a continuación mencionaremos algunas de estas edificaciones según (Safina, 2002), es evidente que la lista puede ser muy larga, pero su clasificación y jerarquización depende de la importancia y función que desempeñe en la sociedad.

a. Hospitales, Clínicas, Ambulatorios y Centros de Salud.

Estas edificaciones se consideran esenciales debido a sus características de ocupación y debido al papel que desempeñan dentro de la sociedad antes, durante y después del siniestro, en relación con la preservación de la vida y la salud. En caso de que ocurra un desastre natural, estas instalaciones deberán continuar con el tratamiento de pacientes alojados anteriormente y deben atender a las personas heridas que requieran su asistencia por causa del evento sísmico. Tanto el edificio como sus instalaciones y dotaciones, deben permanecer en condiciones de servicio, más aún, si existen pocas alternativas cerca. Obsérvese además que deben seguir desarrollando la actividad normal ordinaria. Los centros y servicio hospitalarios identificados en los planes de emergencia cobran una importancia aún mayor. La Figura 2-5 es un ejemplo de hospital.

Figura 2-5. Hospital de Bellvitge-Barcelona. (Fuente:www.20minutos.es) b. Escuelas, Colegios, Universidades e Institutos educativos.

Los centros escolares, normalmente se consideran edificios de importancia especial por su alto nivel de ocupación diurna y porque ahí se alberga el futuro de la sociedad. Pero determinados centros pueden ser asignados a tareas específicas, como por ejemplo refugio para personas sin hogar, en los planes de emergencia a nivel municipal o a nivel regional. Estos edificios pues, son edificios de especial importancia y esenciales, principalmente por el papel que se les asigna, ya que son edificaciones destinadas a servir de alojamiento para los damnificados luego del evento sísmico. Sin embargo, también representan elementos expuestos a un nivel muy importante de riesgo debido a las características de su ocupación. Son edificaciones que alcanzan altas densidades de ocupación por largos periodos de tiempo, lo cual es un factor

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2. ESTADO DEL ARTE

25 determinante a la hora de diferenciarlas de edificaciones similares como lo son teatros, cines, templos, etc. También influye como una variable determinante en el momento de analizar los costos que llevaría su reparación, teniendo en cuenta que estarían por encima de lo que cuesta reponer edificaciones convencionales. La Figura 2-6 es un ejemplo de centro educativo.

Figura 2-6. Universidad Politecnica de Barcelona. (Fuente:www.sites.google.com) c. Edificaciones Gubernamentales o Municipales de importancia.

Son centros neurálgicos de planificación, coordinación y administración para la gestión de la emergencia sísmica. En ellos se generan los planes de emergencia y, cuando hay que aplicar los planes, pueden ser centros de coordinación, de forma que constituyen los puntos de convergencia para afrontar las consecuencias producidas por los efectos de los sismos. La Figura 2-7 es un ejemplo de edificio gubernamental.

Figura 2-7. Palau de la Generalitat Catalunya. (Fuente:www.patrimoni.gencat.cat) d. Estaciones de bomberos, policía, fuerzas armadas y construcciones destinadas a la

ocupación masiva de personas.

Estas edificaciones suelen alojar el brazo ejecutor de los planes de emergencia ante una crisis de eventos naturales, para la atención y protección de la población afectada y su propiedad privada. Es importante que dichas edificaciones permanezcan en condiciones de prestar atención durante y luego del sismo, pues se consideran la base para cualquier programa de atención de emergencia. La Figura 2-8 es un ejemplo de estación de bomberos.

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2. ESTADO DEL ARTE

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Figura 2-8. Estación de Bomberos en Zaragoza. (Fuente:www.sites.google.com) e. Edificaciones riesgosas:

Además de las instalaciones descritas anteriormente, también se incluyen dentro de la categoría de edificaciones de especial importancia las instalaciones riesgosas, entendidas como aquellas que contienen grandes cantidades de material peligroso, que, en condiciones normales, puede ser contenido dentro de los límites de las instalaciones y cuyo impacto público es mínimo (SEAOC, 1995).También se incluyen entre estas, industrias que manipulan elementos peligros o tóxicos cuyo control puede perderse en caso de sismo, induciendo una catástrofe medioambiental. Recuérdese el caso del accidente nuclear en Fukushima en Japón.

Edificaciones de importancia especiales: Estas edificaciones son aquellas que, por cualquier motivo, inducen una pérdida importante. Entre estos edificios se hallan aquellos que aportan servicios a la comunidad, pero en el caso de que ocurra un sismo, su funcionamiento no es esencial o indispensable. Es decir, son construcciones que contribuyen al buen funcionamiento y crecimiento de la ciudad y/o que tienen un valor excepcional por su valor cultural o patrimonial.

Algunas edificaciones de importancia especial según (Safina, 2002) se describen a continuación.

a. Estaciones de radio, televisión o prensa

Edificaciones cuyo colapso no representa un riesgo mayor contra la vida de la ciudadanía, pero son considerados como especiales porque son los responsables de llevar información relevante a la ciudadanía sobre los sucesos ocurridos en el mundo.

Figura 2-9. British Broadcasting Corporation (BBC)-radio, television –Londres. (Fuente:www.bbc.com)

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2. ESTADO DEL ARTE

27 b. Estaciones de transporte público: Estaciones de bus, metro, ferrocarril, tranvía,

aeropuertos, puerto marítimo., Centrales eléctricas, centrales de agua, gas.

Son terminales terrestres donde se prevé una gran cantidad de personas, en el caso del transporte público existe un mayor el número de ciudadanos que utilizan este medio para movilizarse que aquellos que cuentan con transporte privado. También dentro de esta clasificación se consideran los aeropuertos donde existe un gran movimiento de personas todos los días del año, por lo cual es considerada una edificación especial. Las centrales de abastecimiento de servicios básicos a los ciudadanos son necesarias para asegurar una vida digna y buena, convirtiéndose en edificaciones que necesitan un adecuado diseño sismorresistente y una construcción controlada.

Figura 2-10. Aeropuerto de Madrid Barajas. (Fuente:www.aeropuertos.net) c. Monumentos históricos

Un monumento es el elemento, la construcción o el lugar que representa un gran valor histórico, patrimonial o arquitectónico para un país o una comunidad, y que es protegido por leyes de ese país o comunidad. Obra o edificio que, por su importancia histórica o artística, es considerado especial.

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3. METODOLOGÍA

28 3. METODOLOGÍA

Dependiendo del objeto del estudio de evaluación de la vulnerabilidad y la información disponible, se podría elegir la metodología que se adapte mejor al caso de estudio que se esté realizando, pues existe una variedad de metodologías y técnicas propuestas por diferentes autores. Estos métodos dependen de los siguientes factores principales:

 Naturaleza y objetivo del estudio  Información disponible

 Características del elemento que se quiere estudiar  Metodología y herramientas disponibles

 Resultado esperado

 Destinatario de esta información

Así, la selección de una determinada metodología está íntimamente relacionada con la escala del análisis y con las características de los elementos bajo estudio; así por ejemplo, el estudio del riesgo sísmico de elementos particulares o aislados como edificios, puentes, presas, etc., generalmente se basa en evaluaciones deterministas de la vulnerabilidad, mientras que el estudio del riesgo sísmico de sistemas territoriales o categorías de elementos como tipos de edificios, líneas vitales, etc., generalmente se basa en enfoques probabilistas que permiten aplicaciones regionales del modelo a diferentes escalas, con la ventaja adicional, que pueden organizarse y tratarse con sistemas de información geográfica (EC-SERGISAI, 1998).

3.1. Aspectos a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad

Para una calificación rápida de la vulnerabilidad de una edificación, existen diferentes factores o características de daños en los elementos que se consideraran para la asignación de un rango que nos permita clasificarlos con una vulnerabilidad baja, media o alta. Evaluar cada aspecto o característica de cada elemento de la estructura ayudará a llegar a un resultado más confiable y preciso, por lo cual a continuación se describen aspectos importantes de cada elemento y que se clasifican con criterios muy sencillos y mediante la visualización y comparación con patrones generales.

En las tablas 3-1, 3-2, 3-3 se puede observar un resumen de dichos aspectos basados en el libro “Fundamentos para la mitigación de desastres en establecimientos de salud” (Organización Panamericana de la Salud, 2004). Más concretamente se trata de: aspectos geométricos, aspectos constructivos, y aspectos estructurales.

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3. METODOLOGÍA

29 Tabla 3-1. Aspectos geométricos a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad

Aspectos Geométricos

Vulnerabilidad baja Vulnerabilidad media Vulnerabilidad alta

Ir re gu lar idad en plant a - Forma geométrica regular y aproximadamente simétrica. - Largo menor que 3

veces el ancho de la edificación.

- Se puede ver que presenta algunas irregularidades en

planta o altura no muy pronunciadas.

- La forma es irregular. - El largo es mayor que 3

veces el ancho. C anti dad d e m u

ros _{- Existen muros}

estructurales en las dos direcciones principales de

la vivienda y estos son confinados o reforzados.

- La mayoría de los muros se concentran en una sola dirección, aunque existen algunos o varios en la otra

dirección.

- Más del 70% de los muros están en una sola dirección. - Hay muy pocos muros confinados o reforzados. Ir re gu lar idad en al tura - La mayoría de los muros estructurales son

continuos desde la cimentación hasta la

cubierta.

- Algunos muros presentan discontinuidades desde la cimentación hasta la cubierta.

- La mayoría de los muros no son continuos en altura desde

su cimentación hasta la cubierta.

- Cambios de dirección en el sistema de muros en dirección

vertical.

- Cambio de sistema de muros en pisos superiores a columnas en pisos inferiores. Tabla 3-2. Aspectos constructivos a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad

Aspectos Constructivos

C al idad d e l a s j un

tas - Las juntas son

uniformes y continuas. - El mortero es de buena calidad y presenta buena adherencia con la pieza

de mampostería.

- Las juntas no son uniformes.

- Las juntas no son de buena calidad.

- Cierta irregularidad en la alineación de las piezas.

- El mortero es muy pobre entre las juntas. - Poca regularidad en la alineación de las piezas.

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3. METODOLOGÍA 30 C anti dad d e m u

ros _{- Existen muros}

estructurales en las dos direcciones principales de

la vivienda y estos son confinados o reforzados.

- la mayoría de los muros se concentran en una sola dirección, aunque existen algunos o varios en la otra

dirección.

- Más del 70% de los muros están en una sola dirección. - Hay muy pocos muros confinados o reforzados. Ir re gu lar idad en al tura - La mayoría de los muros estructurales son

continuos desde la cimentación hasta la

cubierta.

- Algunos muros presentan discontinuidades desde la cimentación hasta la cubierta.

- Cambios de dirección en el sistema de muros en dirección

vertical.

Tabla 3-3. Aspectos estructurales a considerar para la evaluación de la vulnerabilidad

Aspectos Estructurales

Muros conf inad o s y r ef or zados

- Todos los muros de mampostería están confinados con vigas y

columnas de concreto reforzado alrededor de

ellos. - El espaciamiento máximo entre elementos

de confinamiento es del orden de 4m o la altura

entre pisos. - Todos los elementos de

confinamiento tienen refuerzo tanto longitudinal como transversal y esta adecuadamente dispuesto. - Algunos muros de la edificación no cumplen con

las especificaciones de confinamiento.

- La mayoría de los muros de mampostería no tienen confinamiento mediante columnas y vigas de concreto