Análisis de vulnerabilidad sísmica de los módulos escolares públicos en el distrito de Villa María del Triunfo mediante
el método Índice de Vulnerabilidad (Fema p-154) y su validación mediante cálculo de distorsiones laterales
Item Type info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Authors Alvarez Sanchez, Jhordan Javier; Pulgar Santacruz, Xavier Orlando
Publisher Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) Rights info:eu-repo/semantics/openAccess; Attribution-
NonCommercial-ShareAlike 4.0 International Download date 22/09/2021 19:16:09
Item License http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL
Análisis de vulnerabilidad sísmica de los módulos escolares públicos en el distrito de Villa María del Triunfo mediante el método Índice de vulnerabilidad (Fema p-154) y su validación mediante cálculo de
distorsiones laterales
TESIS
Para optar el título profesional de Ingeniero Civil
AUTORES
Alvarez Sanchez, Jhordan Javier (0000-0001-5116-5129) Pulgar Santacruz, Xavier Orlando (0000-0001-7137-8535)
ASESOR
Moreno Sanchez, Javier Daniel (0000-0003-2132-8171)
Lima, 30 de agosto de 2019
DEDICATORIA
La presente tesis está dedicada principalmente para nuestros padres y familiares. Así mismo para nuestro Asesor Javier Daniel Moreno Sanchez, quien nos orientó desde el principio para poder desarrollar de manera satisfactoria el presente proyecto.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece con mucho entusiasmo a la Ingeniera Ana Bedoya y al Arquitecto Omar Camacho, responsables del Área de Estructuras de la UGEL 01, quienes fueron tan amables en autorizarnos las visitas a los diferentes colegios del distrito de Villa María del triunfo. De la misma forma, al Dr. Guillermo Huaco Cárdenas por su tiempo y enseñanzas para el desarrollo de esta tesis.
RESUMEN
El Perú está ubicado en una zona sísmica alta debido a que se encuentra en el Cinturón de Fuego del Pacífico; en la cual, se produjeron varios eventos sísmicos de gran magnitud que generaron consecuencias catastróficas. Además de ello, hace más de 200 años no ocurre un terremoto cerca de la capital peruana. Por otro lado, los centros educativos deben servir como lugares de refugio ante cualquier catástrofe. Por ese motivo, es importante evaluar que módulos o pabellones escolares públicos son aptos para soportar un sismo importante. En base a ello, la presente tesis evalúa la vulnerabilidad sísmica mediante un método cualitativo, que fue usado en varios países para determinar la vulnerabilidad de las estructuras, y otro método cuantitativo, basado en la filosofía de la norma peruana sismoresistente E0.30.
La metodología cualitativa, Índice de vulnerabilidad del FEMA P-154, emplea cartillas de evaluación visual rápida de la vulnerabilidad sísmica para cualquier edificación, en este caso instituciones educativas públicas, es muy útil al tener una data extensa.
De la misma manera, la metodología cuantitativa evalúa según la distorsión los posibles efectos que puede tener una estructura después de un sismo severo.
El distrito de Villa María del Triunfo fue seleccionado para emplear esta metodología por ser un lugar con poco mantenimiento de colegios y para mostrar que módulos o pabellones son seguros para que los pobladores de dicho lugar se refugien.
Palabras clave: Vulnerabilidad sísmica, Colegios, Método cualitativo, Método cuantitativo, Villa María del Triunfo, Fema P-154.
ABSTRACT
Peru is located in a high seismic zone due to the Pacific Ring of Fire; in which, several seismic events of great magnitude generated catastrophic consequences. In addition to this, more than 200 years ago doesn’t happen a mayor earthquake near the Peruvian capital. On the other hand, according to world politics, schools must serve as places of refuge to face any catastrophe. For this reason, it is important to evaluate which modules of public-school are able to withstand an important earthquake. Based on this, this thesis evaluates the seismic vulnerability by means of a qualitative method, which was used in several countries to determine the vulnerability of the structures, and another quantitative method, based on the philosophy of the norma peruana seismoresistente E0.30.
The qualitative methodology, FEMA Vulnerability Index P-154, uses quick visual assessment sheets of seismic vulnerability for any building, in this case public educational institutions, is very efficient when a very extensive data is required.
In the same way, the quantitative methodology evaluates, according to the distortion, the possible effects that a structure can suffer after a several earthquake.
The district of Villa María del Triunfo was selected to use this methodology for being a place with little maintenance of schools and to show what modules or pavilions are safe for people to take refuge.
Keywords: Seismic Vulnerability, Colleges, Qualitative Method, Quantitative Method, Villa María del Triunfo, Fema 154.
ÍNDICE
DEDICATORIA ... 2
AGRADECIMIENTOS ... 3
RESUMEN ... 4
ABSTRACT ... 5
ÍNDICE ... 6
ÍNDICE DE TABLAS ... 9
ÍNDICE DE FIGURAS ... 11
INTRODUCCIÓN ... 15
Antecedentes ... 16
Realidad problemática ... 17
Formulación del Problema... 19
Hipótesis ... 19
Objetivo General... 19
Objetivos Específicos ... 19
Descripción del contenido ... 20
1. MARCO TEÓRICO ... 21
1.1. Definiciones Importantes ... 21
1.1.1. Riesgo Sísmico ... 24
1.1.1.1. Vulnerabilidad Sísmica... 24
1.1.1.2. Peligro sísmico ... 25
1.1.1.3. Costo ... 26
1.1.2. Sismos ocurridos en el Perú y Lima ... 26
1.1.3. Importancia de las edificaciones escolares ... 30
1.2. Características de la zona ... 32
1.2.1. Ubicación sísmica ... 32
1.2.2. Tipo de suelo ... 35
1.2.3. Topografía ... 38
1.3. Métodos cualitativos ... 41
1.3.1. Método ATC 21 (FEMA P-154) (Índice de vulnerabilidad) ... 41
1.3.2. Método del índice de vulnerabilidad - Pretini ... 57
1.3.3. Método del índice de vulnerabilidad - CERI ... 59
1.3.4. Evaluación del grado de vulnerabilidad sísmica de viviendas - AIS ... 60
1.3.5. Método de Hirosawa ... 62
1.4. Método cuantitativo ... 64
1.4.1. Análisis de distorsiones laterales ... 64
2. MATERIAL Y METODOS ... 66
2.1. Material ... 66
2.1.1. Población ... 66
2.1.2. Muestra ... 66
2.2. Método ... 66
2.2.1. Nivel de investigación ... 66
2.2.2. Diseño de investigación ... 66
2.2.3. Variables de estudio y operacionalización ... 67
2.2.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ... 67
2.2.5. Técnicas de procesamiento y análisis de datos ... 67
3. RESULTADOS ... 68
3.1. OBJETIVO N°1: ... 68
3.1.1. Antigüedad de la estructura ... 68
3.1.2. Cantidad de módulos y materiales empleados en los sistemas estructurales ... 69
3.1.3. Irregularidades estructurales ... 73
3.1.4. Características estructurales sismo resistente según módulos típicos ... 78
3.1.5. Estadística descriptiva ... 81
3.2. OBJETIVO N°2 ... 86
3.2.1. Metodología cualitativa ... 86
3.2.2. Análisis de vulnerabilidad en daños esperados de los módulos escolares públicos ... 87
3.3. OBJETIVO N°3 ... 88
3.3.1. Metodología cuantitativa ... 88
3.3.2. Consideraciones por módulo o pabellón ... 89
3.3.3. Modelo estructural de módulos ... 91
3.3.4. Características dinámicas de los pabellones ... 93
3.3.5. Distorsiones de los pabellones ... 93
4. DISCUCIÓN DE RESULTADOS ... 98
4.1. Verificación de los resultados... 98
4.1.1. Objetivo N°1 ... 98
4.1.2. Objetivo N°2 ... 99
4.1.3. Objetivo N°3 ... 100
4.2. Discusión ... 101
5. CONCLUSIONES ... 103
5.1. Conclusión del objetivo N°1 ... 103
5.2. Conclusión del objetivo N°2 ... 103
5.3. Conclusión del objetivo N°3 ... 104
5.4. Conclusión del objetivo general ... 105
6. RECOMENDACIONES ... 106
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 107
ANEXO 1 ... 111
ANEXO 2 ... 132
ANEXO 3 ... 161
ANEXO 4 ... 166
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Fecha, Magnitud y lugar de los principales sismos en el Perú... 29
Tabla 2 Cantidad de centros educativos afectados por el terremoto. ... 31
Tabla 3 Zonas pobladas del distrito de Villa María del Triunfo. ... 32
Tabla 4 Región sísmica. ... 34
Tabla 5 Periodos del suelo. ... 34
Tabla 6 Número de calicatas y DPL por sector. ... 35
Tabla 7 Capacidad portante según tipo de suelo. ... 36
Tabla 8 Población censada en el año 2007, Villa María del Triunfo. ... 39
Tabla 9 Cantidad de alumnado en instituciones públicas, Villa María del Triunfo. ... 40
Tabla 10 Región sísmica según aceleración espectral. ... 42
Tabla 11 Tipo de suelo. ... 43
Tabla 12 Irregularidades verticales. ... 47
Tabla 13 Irregularidades en planta. ... 50
Tabla 14 Cartilla de encuesta nivel 1. Para una zona de sismicidad alta. ... 52
Tabla 15 Cartilla de encuesta nivel 2 para una zona de sismicidad alta. ... 53
Tabla 16 Cartilla de encuesta nivel 1 para una zona de sismicidad moderadamente alta. 54 Tabla 17 Cartilla de encuesta nivel 2 para una zona de sismicidad moderadamente alta. 55 Tabla 18 Interpretación de resultados en base a los índices de vulnerabilidad. ... 56
Tabla 19 Clasificación de daño para estructuras de concreto. ... 57
Tabla 20 Índice de vulnerabilidad propuesto por Bendetti - Petrini. ... 59
Tabla 21 Puntaje establecido para calcular el índice de vulnerabilidad... 60
Tabla 22 Cálculo del grado de vulnerabilidad. ... 62
Tabla 23 Tabla distorsiones máximas de las estructuras ... 65
Tabla 24 Variables de estudio ... 67
Tabla 25 Tabla Resumen de la Descripción de los Módulos Escolares. ... 81
Tabla 26 Distorsiones, desplazamientos y fuerzas cortantes de entrepiso en suelo S3 ... 94
Tabla 27 Distorsiones, desplazamientos y fuerzas cortantes de entrepiso en suelo S2 ... 94
Tabla 28 Distorsiones, desplazamientos y fuerzas cortantes de entrepiso en suelo S3 ... 95
Tabla 29 Distorsiones, desplazamientos y fuerzas cortantes de entrepiso en suelo S2 ... 95 Tabla 30 Distorsiones, desplazamientos y fuerzas cortantes de entrepiso en suelo S3 ... 96 Tabla 31 Distorsiones, desplazamientos y fuerzas cortantes de entrepiso en suelo S2 ... 96
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Escuela primaria Enrique Rebsamen, ubicado en Villa Coapa de la ciudad de México. Adaptado de “Terremoto en México: colapsó una escuela y hay niños atrapados bajo los escombros”, por El Comercio, 2017. ... 18 Figura 2. Proceso de subducción y la ubicación de las principales fuentes sismogénicas en el
Perú, según la teoría tectónica. Adaptado de “Evaluación del peligro asociado a los sismos y efectos secundarios en Perú”, por IGP, 2014. ... 23 Figura 3. Sismos históricos ocurridos en el Perú con intensidades máximas ≥VII entre 1500
y 2014, según datos registrados. Adaptado de “Evaluación del peligro asociado a los sismos y efectos secundarios en Perú”, por IGP, 2014. ... 27 Figura 4. Terremoto de Áncash 1970, según registro del lugar. Adaptado de “10 terremotos
más devastadores que ocurrieron en Perú”, por El Comercio, 2017. ... 28 Figura 5. Aceleraciones de la gravedad en suelo rígido especificado en un mapa de zona
sísmica del Perú, según distribución espacial de sismicidad. Adaptado de “Norma técnica E.030 Diseño sismorresistente”, por el MVCS, 2016. ... 33 Figura 6. Tipos de suelos y aceleración en el suelo en el distrito de VMT, según trabajo de
campo. Adaptado de “Mapas de microzonificación sísmica en el centro histórico de lima (Cercado de Lima y Rimac), Villa María del Triunfo y Callao, por INDECI, 2010. ... 37 Figura 7. Mapa topográfico de Villa María del Triunfo, según relieve de la zona. Adaptado
de “Topographic-map”, por topographic-map.com, 2017. ... 38 Figura 8. Irregularidad vertical debido a acceso a estacionamientos, según estudios previos.
Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 44 Figura 9. Irregularidad vertical debido a puertas muy amplias, según estudios previos.
Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 45 Figura 10. Irregularidad vertical debido a variación en los pisos superiores (out-of-plane
setback), según estudios previos. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 45
Figura 11. Irregularidad vertical a la creación de muros encima de columnas, según estudios previos. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards:
a handbook”, FEMA, 2015. ... 45 Figura 12. Irregularidad vertical múltiple setback y piso débil, según estudios previos.
Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 46 Figura 13. Irregularidad en planta debido columnas cortas y columnas muy altas que
producen torsión, según estudios previos. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 46 Figura 14. Irregularidad en planta debido a sistemas no paralelos por tener forma triangular,
según estudios previos. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 48 Figura 15. Irregularidad en planta debido a la forma de las construcciones, según estudios
previos. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards:
a handbook”, FEMA, 2015. ... 49 Figura 16. Irregularidad en planta debido a diafragmas abiertos, según estudios previos.
Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 49 Figura 17. Irregularidad en planta debido a vigas no alineadas con las columnas, según
estudios previos. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015. ... 49 Figura 18. Número y porcentaje de pabellenos escolares públicos en el distrito de Villa María
de Triunfo creados antes y después del año 1997. Adaptado de Tabla 25. Fuente: propia.
... 69 Figura 19. Sistema W1, construcciones de madera. Adaptado de “Colegio 7235, Mariscal
Andrés Avelino Cáceres”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 70 Figura 20. Sistema C1, construcciones de concreto resistente a los momentos. Adaptado de
“Colegio 7073”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 70 Figura 21. Sistema C3, construcciones de concreto con muros de ladrillo no reforzado.
Adaptado de “Colegio 7073”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 71
Figura 22. Sistema URM construcciones con muros de ladrillo sin reforzado. Adaptado de
“Colegio 6011, Santísima Virgen de Fátima”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente:
propia. ... 72 Figura 23. Sistema MH, Construcciones prefabricadas. Adaptado de “Colegio 7106, Villa
Limatambo”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente propia. ... 72 Figura 24. Cantidad de módulos escolares públicos según su sistema estructural. Adaptado
de Tabla 25. Fuente: propia. ... 73 Figura 25. Irregularidad vertical, columna corta. Adaptado de “Colegio 7106, Villa
Limatambo”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 74 Figura 26. Irregularidad en planta, por torsión. Adaptado de “Colegio 6032, Almirante
Miguel Grau Seminario”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 74 Figura 27. Irregularidad vertical, por niveles divididos. Adaptado de “Colegio 6029,
Bartolomé Mitre”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 75 Figura 28. Irregularidad en planta, por sistemas no paralelos. Adaptado de “Colegio 6081,
Manuel Scorza Torres”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 76 Figura 29. Irregularidad en planta, por esquinas entrantes. Adaptado de “Colegio 6081,
Manuel Scorza Torres”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 77 Figura 30. Irregularidad en planta, por out of plane setback. Adaptado de “Colegio 6024,
José María Arguedas”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 77 Figura 31. Módulo 780, sistema estructural C3. Adaptado de “Colegio 7054”, Villa María
del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 78 Figura 32. Módulo 780 reforzado, sistema estructural C1. Adaptado de “Colegio 7106, Villa
Limatambo”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 79 Figura 33. Módulo Bloqueta, sistema estructural C3. Adaptado de “Colegio 6019, Mariano
Melgar”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 79 Figura 34. Módulo Apenkai, sistema estructural C3. Adaptado de “Colegio 6029, Bartolomé
Mitre”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 80 Figura 35. Módulo Apenkai, sistema estructural C1. Adaptado de “Colegio 6060, Julio César
Tello”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 80 Figura 36. Módulo Pre Fabricado, sistema estructural MH. Adaptado de “Colegio 6060, Julio
César Tello”, Villa María del Triunfo, 2018. Fuente: propia. ... 81
Figura 37. Antigüedad de las estructuras en promedio. Fuente: propia... 86
Figura 38. Cantidad de estructuras encontradas dentro de los índices de vulnerabilidad. Fuente: propia. ... 87
Figura 51. Vista en planta y en 3D del pabellón típico 780. Fuente: propia. ... 91
Figura 52. Vista en planta y en 3D del pabellón Bloqueta. Fuente: propia. ... 92
Figura 53. Vista en planta y en 3D del pabellón Apenkai. Fuente: propia. ... 92
INTRODUCCIÓN
El Perú es un país muy vulnerable a los eventos sísmicos que ocurren en el planeta Tierra, ya que se encuentra ubicada en la Placa Sudamericana y por ende en la Placa de Nazca, en donde se ejerce el fenómeno de subducción bajo esta Placa provocando los sismos.
Lima se encuentra en un lugar muy cercano a los epicentros registrados hasta la fecha.
Además, que hace más de 200 años no se registra un evento sísmico de alta magnitud cerca de la capital del Perú.
En base a ello, la ciudad de Lima espera un gran terremoto que según investigaciones realizadas en CISMID-UNI, la magnitud de este sismo podría estar fluctuando entre 8.5 a 9 grados en la escala de Richter.
Cuando los fenómenos naturales ocurren, los colegios sirven como centros de refugio para los habitantes cercanos. Por ello, es de suma importancia garantizar que los colegios continúen operando antes, durante y después de los sismos.
La presente tesis busca evaluar la vulnerabilidad sísmica de los módulos escolares del distrito de Villa María del triunfo. Pero, se limita a instituciones públicas, ya que, las instituciones privadas no suelen permitir el ingreso a sus centros. Además de ello, se restringe a usar valores de la resistencia del concreto plasmados en los planos estructurales de los pabellones típicos para el método cuantitativo; ya que realizar ensayos de diamantina resulta ser muy costosa y no muy necesaria para su evaluación estructural. De la misma forma, las autoconstrucciones solo serán evaluadas por el método cualitativo, por carecer de planos estructurales y materiales no confiables para un estudio masivo de evaluación cuantitativa.
Para ello se evaluará la vulnerabilidad por 2 métodos: cualitativo y cuantitativo para proveer a la población con un mapa (según la evaluación cualitativa) que indique a qué módulos podrían dirigirse en caso de un evento sísmico.
El análisis cualitativo consiste en evaluar el porcentaje de probabilidad de colapso o índices de daño, mediante un análisis visual de la estructura. Mientras que, el análisis
cuantitativo consiste en verificar las distorsiones que presenta la estructura y poder determinar su posible comportamiento.
Antecedentes
En primer lugar, en enero del 2009 se presenta un artículo de investigación en la revista ciencia e ingeniería sobre la evaluación cualitativa de la vulnerabilidad sísmica de edificaciones escolares en la ciudad de Mérida (Suárez, 2009).
Dicha investigación, justifica su importancia en que las edificaciones consideradas como esenciales (colegios) requieren de un estudio de vulnerabilidad sísmica. Para ello, aplicando una metodología cualitativa desarrollada por Llanos y Vidal, se evalúa 65 escuelas de la ciudad de Mérida. Estas cartillas de encuesta contienen una serie de preguntas sobre condiciones constructivas y estructurales, otorgando a cada interrogante porcentajes o valores de puntuación. Finalmente, desarrolla cada cartilla y lo resume en porcentajes totales para determinar si la estructura es vulnerable.
También se consultó la siguiente publicación ingenieril sobre Peligro, vulnerabilidad, riesgo y posibilidad de desastres sísmicos en el Perú (Ocola, 2005).
Este trabajo, resume información de entidades oficiales sobre catálogos sísmicos, mapas de peligro sísmico, entre otros, que es fundamental para tener en claro los conceptos como la sismicidad tectónica del Perú, peligro sísmico y la frecuencia de terremotos.
En tercer lugar, el 17 de marzo del 2010 se presentó un resumen de información por la Universidad Diego Portales, titulado Terremoto 27/2 Oportunidad para mejorar las escuelas en Chile (Gregory Elacqua, 2010).
Esta investigación, realizó un recopilado de información sobre los daños generados a colegios por el terremoto ocurrido en Chile el 27 de febrero de 2010. Es importante saber cómo se ha visto afectado el país vecino por este fenómeno ya que, tanto Chile y Perú, utilizan normas sismoresistente similares y además ambos países se encuentran en zonas altamente sísmicas.
Otro artículo científico importante, es sobre Two-Dimensional Analysis Vulnerability Assessment of Public Secondary Buildings in District II of Manila (Johnrey L. Dapito, 2015).
Donde, los autores plantean evaluar los edificios de la escuela secundaria pública del Distrito 2 de la ciudad de Manila mediante la combinación de una metodología cuantitativa y otra cualitativa sobre vulnerabilidad sísmica. Como resultado final, se obtiene un plano con 4 cuadrantes para ubicar los colegios que tienen alto, bajo y moderado riesgo sísmico.
Por último, los autores Mohamed E. Sobaih y Maha A. Nazif desarrollaron el siguiente artículo científico A proposed methodology for seismic risk evaluation of existing reinforced school building. (Nazif, 2012).
Este artículo científico, plantea elaborar dos cuestionarios y un programa de cómputo para obtener, en menor tiempo, el nivel de riesgo de cualquier edificación escolar.
Donde, su principal resultado fue clasificar el riesgo sísmico en rangos bajo, moderado y alto a cualquier edificación escolar, ya sea de diferentes países.
Realidad problemática
En los últimos años, se ha presenciado dos grandes terremotos que dejaron consecuencias catastróficas tanto sociales como económicas. Siendo el primero, lo ocurrido en Chile el año 2015 (magnitud 8.8) en donde más de 4,867 edificaciones escolares quedaron destruidas o parcialmente dañadas. De la misma forma, en México en el año 2017 (magnitud 7.1); la cual, dejó 5,092 escuelas dañadas. Todas estas edificaciones quedaron inutilizadas para atender las urgencias que la población demandaba, un ejemplo conciso es la Escuela Enrique Rebsamen (México) que a continuación se presenta en la Figura 1.
Figura 1. Escuela primaria Enrique Rebsamen, ubicado en Villa Coapa de la ciudad de México. Adaptado de “Terremoto en México: colapsó una escuela y hay niños atrapados bajo los escombros”, por El Comercio, 2017.
En una entrevista a Hernando Tavera, informa que existe un silencio sísmico de más de 200 años que se viene acumulando en la costa central del Perú, cuya magnitud iguale o supere a los fenómenos acontecidos en los países vecinos.
Lo real, es que el Perú sufra las mismas consecuencias si ocurre un sismo similar; dado que estos países, poseen normas sismorresistente similares, las cuales están basadas en metodologías norteamericanas y japonesas.
En el 2015, se realizó el Censo de Infraestructura Educativa (CIE) del Perú, estudio que se tuvo como muestra a 187,312 edificaciones educativas. En la cual, se obtuvo que 15,349 colegios fueron construidos antes y durante 1977 y 63,976 entre 1978 y 1998. La importancia de determinar la antigüedad de construcción recae sobre los cambios que ha tenido Norma Peruana de Diseño Sismorresistente (E 0.30), como es el caso del aumento de rigidez en la estructura y el efecto de los desplazamientos en los entrepisos. Si bien en Chile, su norma sismorresistente no funcionó bien ante un terremoto de magnitud 8.8, lo más probable es que en el Perú los colegios mencionados, considerados edificaciones esenciales, colapsen o queden en condiciones no funcionales generando pérdidas económicas al Estado y afectando gravemente a todos los habitantes del país.
Por ello nace la necesidad de evaluar y analizar las instalaciones educativas desde dos puntos de vista, cualitativamente (análisis visual rápido) y cuantitativamente (método de distorsiones laterales), para determinar qué tan de vulnerables son y no esperar a que ocurra una catástrofe.
Formulación del Problema
¿Realizar un análisis cualitativo con las recomendaciones del FEMA P-154 y cuantitativo según las distorsiones laterales ayudará a determinar la vulnerabilidad sísmica de los módulos escolares públicos de Villa María del Triunfo?
Hipótesis
La mayor cantidad de módulos escolares públicos son vulnerables a un escenario de un sismo severo, tras realizar un análisis cualitativo mediante el FEMA P-154; por otro lado, cuantitativamente según las distorsiones laterales en base a planos estructurales.
Objetivo General
Determinar la vulnerabilidad sísmica de los módulos escolares públicos del distrito de Villa María del Triunfo, mediante el análisis cualitativo “Rapid Visual Screen of Buildings for Potencial Seismic – FEMA P -154” y cuantitativo “Distorsiones laterales”
en un escenario de sismo severo.
Objetivos Específicos
- Clasificar los módulos escolares públicos por su sistema, característica y configuración estructural, mediante la metodología cualitativa.
- Obtener la vulnerabilidad sísmica en grados de daño de los módulos escolares públicos, mediante la metodología cualitativa “Rapid Visual Screen of Buildings for Potencial Seismic – FEMA P-154”.
- Obtener el daño esperado de las estructuras típicas según su distorsión, utilizando la metodología cuantitativa de distorsiones laterales.
Descripción del contenido
Para el desarrollo de la presente tesis, se dividirá en 4 etapas:
La primera, presenta netamente la información necesaria para la elaboración del marco teórico fundamental y específico; siendo recolectada, a través de información histórica y datos actuales de la zona en estudio. Continúa con una inmersión a las diferentes metodologías cualitativas, siendo el de mayor enfoque la propuesta por la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA P-154), que es reconocido en muchos países por su facilidad de uso, precisión del sistema de puntuación y por recoger diferentes técnicas en análisis de vulnerabilidad sísmica. Para finalizar esta primera etapa, una breve descripción del método cuantitativo escogido que tendrá como sustento al Reglamento Nacional de Edificaciones.
En segundo lugar, se realizarán las visitas a cada uno de los colegios públicos con los permisos otorgados por la UGEL 01, cuyo fin será obtener la información necesaria de cada módulo escolar existente y en funcionamiento para aplicar el método cualitativo propuesto. Asimismo, se tomará mediciones a los elementos estructurales de los pabellones típicos y autoconstrucción definidos en el marco teórico.
En tercer lugar, se procederá a modelar las estructuras típicas en el software ETABS (Extended Three Dimensional Analysis of Building Systems) versión 2.1. 2016; para que finalmente, se calcule la distorsión de entrepiso de la estructura para luego conocer el daño esperado.
En la última etapa, con toda la información recopilada y resumida, se procederá a su respectivo análisis. De tal manera que, en forma ordenada, se cumplirá con los objetivos específicos planteados.
1. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se mencionará los principales conceptos, información histórica, características del lugar, así como las diferentes metodologías que se pueden emplear para el análisis cualitativo y cuantitativo de vulnerabilidad sísmica.
1.1. Definiciones Importantes
Sismo o Terremoto
Son una serie de vibraciones en la corteza terrestre causada por las ondas sísmicas que se generan por súbita liberación de energía elástica acumulada en la corteza y parte superior del manto terrestre. (Shearer, 2009)
Intensidad
Intenta definir el daño de una localidad determinada. Este efecto producido por el sismo se mide mediante escalas subjetivas como es de Mercalli Modificado (MM) y la escala de Medvédev – Sponheuer - Kárník (MSK), ambas se clasifican en sismos leves, sismos con intensidades de grado igual o menores a 6 MSK o MM; sismos moderados, con intensidades de VII y VIII MSK o MM; sismos severos, de grado IX MSK o MM; por último, sismos catastróficos con intensidades de X o más en MSK o MM.
Magnitud y momento sísmico.
Asociada a la cantidad de energía liberada durante el evento telúrico y se usa para medir el tamaño del sismo mediante la Escala de Richter (es objetiva e instrumental). Este consta de 9 grados donde cada uno supone una liberación de energía 32 veces superior al anterior. Para determinar con mayor exactitud la magnitud sísmica se utiliza el momento sísmico, que mide el tamaño de la ruptura y desplazamientos de los bloques de falla que se realiza a partir del espectro de ondas sísmicas registradas (Muñoz, 1989).
Aceleración y velocidad.
El primero, referido al movimiento que tiene el suelo en la corteza terrestre en función del tiempo, siendo su medición respecto a la aceleración de la gravedad del suelo (g = 9.81 m/s2); el segundo, es el movimiento con la que se desplaza una onda en una
dirección dada establecido en unidades de longitud por tiempo. Ambos sirven para diseñar estructuras y establecer criterios en normas de diseño sismorresistente en todo el mundo. Tienen correlación con la escala de Mercalli que define los daños ocurridos en las edificaciones después de un terremoto. Son determinados por los acelerógrafos (instrumento de medición), que son de mayor resistencia ante los movimientos sísmicos a comparación de un sismógrafo.
Fuentes Sismogénicas.
Se denominan a aquellas zonas en las que se puede considerar que los terremotos presentan características comunes y, por tanto, se puede asociar a una única estructura geológica (Muñoz, 1989). Tienen como característica una relación entre la aceleración, velocidad o desplazamiento, la magnitud y distancia (ley de atenuación), en donde cada zona se le asigna una ley de recurrencia, con ello se estiman parámetros sísmicos para el sitio en estudio en un tiempo determinado siendo un cálculo que ayuda a determinar el nivel de riesgo sísmico en una localidad determinada.
𝐿𝑜𝑔 𝑁 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 − 𝑏 𝑚 Siendo:
N: recurrencia sísmica anual de magnitud mayor o igual a m const. y b: constantes determinados por la región sísmica.
Ecuación 1. Ley de Gutenberg - Richter
Fuente: Earthquake Science and Seismic Risk Reduction, Volumen 1
Principales causas de los sismos en el Perú.
Una de las más importantes ocurre debido a que la placa de Nazca (oceánica) se hunde o desciende bajo la placa Sudamericana (continental) en donde se libera una gran cantidad de energía (con diferentes magnitudes e intensidades) que se refleja en los sismos. Este proceso tectónico es conocido como subducción y se genera porque entre las placas, las corrientes convectivas realizan movimientos de separación (divergente) o de aproximación (convergentes) (EducarChile, 2013).
Según un informe realizado por el Instituto Geofísico del Perú (IGP) son 3 las causantes de los terremotos que ocurren en nuestro país (fuentes sismogénicas) y se presentan de la siguiente manera en la Figura 2:
Figura 2. Proceso de subducción y la ubicación de las principales fuentes sismogénicas en el Perú, según la teoría tectónica. Adaptado de “Evaluación del peligro asociado a los sismos y efectos secundarios en Perú”, por IGP, 2014.
La primera, es por la fricción entre ambas placas mencionadas presente en el borde occidental del Perú (entre la fosa y la línea de costa), este dio origen a sismos de magnitudes de alrededor 8,0 en la escala de Mercalli, como es el caso de los terremotos de Arequipa (2001) y Pisco (2007). La segunda fuente, considera la deformación de la corteza continental con la presencia de fallas geológicas de diversas geometrías y dimensiones, que dio origen a un sismo de magnitud 6,5 y produjeron daños en estructuras y también licuefacción de suelos. Por último, la tercera fuente son los sismos
que se originaron por la deformación interna de la placa de Nazca por debajo de la cordillera de los Andes. (Instituto Geofísico del Perú (IGP), 2014)
1.1.1. Riesgo Sísmico
En referencia a las definiciones descritas por la Oficina de las Naciones Unidas para casos de Desastres (UNESCO), al Instituto de Investigaciones en Ingeniería Sísmica (EERI), al Servicio Geológico de los E.U (USGS), entre otros, se puede resumir que el riesgo sísmico es la consecuencia social y económica provocada por un movimiento telúrico; resultado del grado de pérdida, destrucción o daño de la falla de estructuras cuya capacidad resistente fue superada.
Para evaluar el riesgo sísmico se determina con la siguiente expresión:
𝑅𝐼𝐸𝑆𝐺𝑂 𝑆Í𝑆𝑀𝐼𝐶𝑂 = 𝑃𝐸𝐿𝐼𝐺𝑅𝑂 ∗ 𝑉𝑈𝐿𝑁𝐸𝑅𝐴𝐵𝐼𝐿𝐼𝐷𝐴𝐷 ∗ 𝐶𝑂𝑆𝑇𝑂 Ecuación 2. Riesgo Sísmico
Fuente: Terremotos. Evaluación y mitigación de su peligrosidad.
Esta definición abarca dos aspectos muy importantes; el tema científico y el punto de vista económico. El primer aspecto, es de interés para el ingeniero y el arquitecto, ya que busca explicar cómo se comporta la estructura ante un movimiento sísmico, y además para el sismólogo, que estudia las características y la ocurrencia de un terremoto (Muñoz, 1989). Mientras que el segundo aspecto, realiza mayor énfasis a factores socio económicos.
1.1.1.1. Vulnerabilidad Sísmica
Se define como el grado de daño que recibe una estructura debido a un movimiento sísmico, con una intensidad o intensidades determinadas que generalmente se expresa en términos de aceleración del terreno. La vulnerabilidad, es una característica del propio comportamiento estructural que involucra el sismo y el daño como una ley causa – efecto (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1980). En donde el primero, depende de la sismicidad de la zona, los mecanismos existentes de falla, la magnitud del terremoto, las características geotécnicas locales, entre otros; y el segundo, depende del diseño sismoresistente, tipo de material, configuración en elevación y en planta, etc.
La importancia de su estudio recae en conocer la condición actual de la estructura. En base a ello, elaborar planes de mitigación y anticipar consecuencias negativas (económicas y sociales).
Su evaluación se puede realizar de dos formas: métodos subjetivos, mediante la visualización del daño generado después de un terremoto con análisis estadísticos; y métodos analíticos, a través de un modelo estructural con sus características de los materiales, cargas y las normativas empleadas.
1.1.1.2. Peligro sísmico
El peligro sísmico es la probabilidad de que el valor de un parámetro ya sea de intensidad o aceleración del suelo sea superado en un determinado periodo de tiempo (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1980).
En donde el peligro sísmico, depende de la ubicación y las condiciones locales que presenta el lugar de estudio como las características del suelo (mientras más resistente sea el suelo tendrá menor intensidad), la topografía y la estratigrafía (la cual amplifica o reduce la intensidad del sismo). Cabe resaltar que dependiendo del suelo que el lugar posea se aplican las leyes de atenuación o reducción de la intensidad sísmica.
𝑃𝑅𝑂𝐵𝐴𝐵𝐼𝐿𝐼𝐷𝐴𝐷 𝐷𝐸 𝐸𝑋𝐶𝐸𝐷𝐸𝑁𝐶𝐼𝐴 = 1 − (1 − 𝑃𝐴)𝑡 𝑃𝐴 = 1/𝑃𝑅
Donde:
PA: probabilidad anual de ocurrencia de un terremoto PR: periodo de retorno
t: periodo de exposición
Ecuación 3. Probabilidad de excedencia
Fuente: Terremotos. Evaluación y mitigación de su peligrosidad.
1.1.1.3. Costo
En base a la definición de la (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1980), se dice que es la valoración de los costes de materiales y pérdidas humanas producidas por la ocurrencia de un terremoto, teniendo en cuenta la vulnerabilidad de las edificaciones. Para el caso de construcciones esenciales, se hace mayor énfasis a beneficios ligados al funcionamiento de la estructura, así como sus efectos en la seguridad y bienestar de la población. Algunos factores socioeconómicos importantes son:
o Uso de materiales adecuados resistentes a los sismos.
o Sistemas de alerta rápida o evacuación.
o Pérdidas de vidas humanas.
o Evaluación de costos de reforzamiento.
o Localización de las edificaciones.
1.1.2. Sismos ocurridos en el Perú y Lima
Los sismos ocurren con frecuencia en el Perú, pero muchos de ellos no son percibidos por los habitantes cercanos a los epicentros, ya que estos sismos tienen baja magnitud e intensidad. No obstante, también ocurrieron sismos que tuvieron gran impacto en el Perú, puesto que los movimientos telúricos tuvieron intensidades mayores o iguales a VII en la escala de Mercalli Modificado como se muestra en la Figura 3:
Figura 3. Sismos históricos ocurridos en el Perú con intensidades máximas ≥VII entre 1500 y 2014, según datos registrados. Adaptado de “Evaluación del peligro asociado a los sismos y efectos secundarios en Perú”, por IGP, 2014.
El 31 de mayo de 1970, se registró el terremoto más destructivo del Perú con magnitud momento de 7.8 en el callejón de Huaylas, Ancash, que dejó como resultado 67 mil muertos y 150 mil heridos y varias construcciones inhabitables (El Comercio, 2017) como se muestra en la Figura 4:
Figura 4. Terremoto de Áncash 1970, según registro del lugar. Adaptado de “10 terremotos más devastadores que ocurrieron en Perú”, por El Comercio, 2017.
Otro sismo importante ocurrió el 15 de agosto de 2007 con una magnitud de 7.9 grados en la escala de Richter dejando 597 personas muertas y 1,289 personas resultaron heridas, además de arrasar con más de 90 mil inmuebles y damnificar a más de 40 mil personas. A continuación, se detallan los principales sismos ocurridos en el Perú en los últimos 47 años indicado en la Tabla 1:
Tabla 1
Fecha, Magnitud y lugar de los principales sismos en el Perú.
Fecha Magnitud (Escala de Richter) Lugar
31/05/1970 7.9 Ancash
03/10/1974 8.1 Cerca de la costa central del Perú
04/04/1991 6.2 San Martín
12/11/1996 6.4 Centro y sur del Perú
23/06/2001 7.1 Costa Peruana
25/09/2005 7.5 Moyobamba
15/08/2007 8.0 Pisco, Ica, Chincha y Paracas
24/08/2011 7.0 Pucallpa
25/09/2013 6.9 Acary
Nota. Esta tabla menciona los principales terremotos en los últimos 47 años en el Perú. Adaptado de
“Cronología de los sismos más fuertes en Perú desde 1970”, por La República, 2013.
Al centrarnos en la ciudad de Lima también sucedieron sismos importantes como lo ocurrido el 17 de octubre de 1966 a 230 km al noroeste de Lima con una magnitud de 8.1 grados en la escala de Richter que tuvo grandes consecuencias en la capital peruana.
Donde, muchos inmuebles se desplomaron y hubo más de 100 muertos. Los centros educativos también fueron afectados como el colegio Reina de los Ángeles y La Recolecta de la Planicie en la Molina, el colegio San José en el Callao, la escuela primaria N° 680 en San Juan de Miraflores y el Colegio Nacional Alonso Mesías en Huaral, que llegaron a fallar varias aulas. Los daños encontrados en las instituciones educativas se debieron principalmente al problema de columna corta e irregularidades, de los cuales el 60% de los colegios fueron declarados en emergencia.
El terremoto más importante ocurrido en el Perú fue el 28 de octubre de 1746 que dejó más de 15,000 muertos con una magnitud de 9.0 Mw (escala magnitud momento). Lima contaba con 60,000 habitantes y después del sismo quedaron prácticamente dos tercios de la población. Las construcciones colapsaron y lo más importante, los colegios que se suponían que debían de servir como refugio quedaron en las ruinas. Tras el incidente al no tener suficientes construcciones habitables las personas se refugiaban en las plazas y jardines. Lima quedo en las ruinas, mientras que el Callao quedo inhabitable.
Como estos sismos mencionados, ocurrieron varios en el tiempo, dejando grandes rastros en la historia peruana y ahora se tiene un silencio sísmico de más de 250 años que se espera que azote la costa limeña.
1.1.3. Importancia de las edificaciones escolares
Las edificaciones escolares son consideradas en el Perú y en muchos países como estructuras esenciales. El término esencial significa según la Real Academia Española (RAE) que es importante o necesario; según el Federal Emergency Management Agency (FEMA) una edificación esencial es necesario su uso después de un terremoto; para la norma sismoresistente E0.30, considera que su función no debería interrumpirse inmediatamente después que ocurra un sismo severo. Otra definición importante, es del Applied Technology Council (ATC 3-06, 1978) donde considera que deben permanecer en condiciones de funcionamiento durante y después del sismo.
Todas son definiciones similares que al final llegan a la siguiente conclusión: estructuras necesarias que deben mantener su funcionalidad después de ocurrida una catástrofe con el fin de servir como refugio. Ya que, los colegios deben salvaguardar la vida de sus ocupantes, así como de los damnificados.
La antigüedad de las edificaciones son un punto clave para evaluar si son vulnerables o no, dado que la Norma de Diseño Sismorresistente ha tenido cambios importantes por cada evento sísmico ocurrido en el Perú.
Algunas consecuencias importantes que dejaría el sismo afectando al sector educativo son:
• Suspensión de clases temporales o a largo plazo.
• Infraestructura del servicio educativo dañada.
• Disminución a accesos de servicios básicos.
• Inaccesibilidad a los centros educativos.
• Reducción de refugios para la población.
• Aumento en los costos humanos, sociales y económicos.
Todas estas consecuencias están ligadas a temas de costo, recursos humanos, políticas del estado y factores sociales, por lo que garantizar el buen funcionamiento de las estructuras esenciales llegaría a ser un derecho para todas las personas.
Consecuencias de los 2 últimos terremotos en los Colegios públicos del Perú En el terremoto de Pisco (15 de agosto de 2007), en un informe realizado por el Ministerio de Educación (MINEDU) y la Oficina de Infraestructura Educativa (OINFE), en ese entonces se evaluaron los daños que se ocasionaron en los módulos escolares de las regiones de Huancavelica, Lima, Ica y Ayacucho siendo un total de 3,694 aulas que presentaron fallas estructurales entre graves, moderadas y leves; además, se vieron afectados en promedio 41 mil alumnos y alrededor de 12 mil maestros vieron interrumpida su labor (Instituto Nacional de Defensa Civil (INDECI), 2011). A continuación, se presenta el total de las aulas afectadas por el terremoto de Pisco en la siguiente Tabla 2.
Tabla 2
Cantidad de centros educativos afectados por el terremoto.
Nota. Esta tabla menciona la evaluación total de los daños en la infraestructura escolar de cuatro departamentos del Perú como consecuencias del terremoto de Pisco. Adaptado de “Impacto socioeconómico y ambiental del sismo del 15 de agosto de 2007”, por INDECI, 2007.
El 23 de junio de 2001 denominado el terremoto de Arequipa (magnitud de 7,9 en la escala de Richter), se realizó un informe con todos los daños ocurridos en los colegios estatales por el Instituto Geofísico del Perú (IGP). Donde, la evaluación se describió por distrito y se obtuvo lo siguiente:
- En el distrito de Cayma, el centro educativo 40616 Casimiro Cuadros, 9 aulas resultaron parcialmente demolidas; el centro educativo 4005, presentó destrucción parcial en vigas, muros y techo; colegio Pionero, tuvo serios daños en el nudo del techo (unión de viga – columna).
Regiones
Aulas sin Daño Estructural o
Daño Leve
Daños Moderados
de Aulas
Daños Graves de
Aulas
Muros de Cerco con
Daño Estructural
Otros Ambientes
con Daños
Huancavelica 110 106 24 953 95
Lima 536 174 355 3302 214
Ica 1705 205 214 5690 84
Ayacucho 223 10 29 4 14
Total 2574 495 622 9949 407
- Distrito Cerro Colorado, centros educativos como: Libertadores de América, Romero Luna Victoria, CEI Semi Rural Pachacutec, entre otros, presentaron grietas en muros y columnas.
- En el distrito de Hunter, el colegio San Agustín de Hipona 40033, uno de sus edificios se inclinó y presento fisuras profundas además de huecos en las paredes y techos.
- En Mariano Melgar, la gran unidad escolar Mariano Melgar, con sus 47 años de construcción resulto gravemente dañada en sus 3 pisos.
- Distrito José Luis Bustamante Rivero, en el colegio Nacional Jorge Basadre su estructura quedó dañada en un 80%, en donde las columnas y vigas de las aulas colapsaron.
- En los distritos de Chivay y Mollendo, 9 colegios públicos colapsaron o quedaron totalmente inhabitables.
- Tras el terremoto de Pisco en el 2007, el número de damnificados superaron los 400 mil. Los colegios locales que soportaron el sismo sirvieron como refugio, pero insuficientes para albergar a la población. Por ello, las personas tuvieron que refugiarse en carpas por las calles. Además, de instalar 101 aulas prefabricadas.
1.2. Características de la zona
1.2.1. Ubicación sísmica
El distrito de Villa María del Triunfo se encuentra situado al sur del departamento de Lima a 200 metros sobre el nivel del mar a 12° 07’ 26.9’’ de latitud y 76° 54’ 37.9’’ de longitud.
El distrito está integrado por 7 zonas pobladas como se muestra en la Tabla 3:
Tabla 3
Zonas pobladas del distrito de Villa María del Triunfo.
N° ZONA NOMBRE DE LA ZONA
1 José Carlos Mariátegui
2 Cercado
3 Inca Pachacútec
4 Nueva Esperanza
5 Tablada de Lurín
6 José Gálvez
7 Nuevo Milenio
Nota. Esta tabla menciona como está divido el distrito de Villa María del Triunfo. Adaptado de “Villa María del Triunfo-Plan de Gobierno Municipal”, por Municipalidad Distrital de Villa María del Triunfo, 2006.
Además, colinda por el sur con los distritos de Pachacamac y Lurín, por el norte con San Juan de Miraflores, por el este con La Molina y por el oeste con Villa El Salvador.
Lima se encuentra en la zona 4, considerado uno de los lugares con mayor sismicidad en el Perú (Reglamento Nacional de Edificaciones, 2016). Por ende, el Distrito de Villa María del Triunfo se encuentra en la zona 4 con una aceleración de la gravedad de 0.45g en un suelo muy rígido como se muestra en la Figura 5:
Figura 5. Aceleraciones de la gravedad en suelo rígido especificado en un mapa de zona sísmica del Perú, según distribución espacial de sismicidad. Adaptado de “Norma técnica E.030 Diseño sismorresistente”, por el MVCS, 2016.
Según lo descrito por INDECI, se concluye que el distrito De Villa María del Triunfo posee aceleraciones de la gravedad en el suelo rígido entre 0.30 y 0.47 con periodos mayores a 0.2 segundos.
De la misma forma, según la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA 154), los lugares que presentan aceleraciones entre los valores de 0.2 y 0.4 veces la gravedad en el suelo, son considerados sísmicamente como moderado alto y para los valores de 0.4 y 0.6 veces la gravedad en el suelo, son consideradas regiones con sismicidad alta como se muestra en la Tabla 4:
Tabla 4
Región sísmica.
Región sísmica Aceleración del suelo según periodo (periodo corto 0 o 0.2 s)
Aceleración del suelo según periodo (periodo largo 0.2 o 1 s)
Bajo menos de 0.25g menos de 0.10g
Moderado mayor o igual a 0.25g pero menos de 0.50g
mayor o igual a 0.10g pero menos de 0.20g
Moderado alto mayor o igual a 0.50g pero menos de 1.00g
mayor o igual a 0.20g pero menos de 0.40g
Alto mayor o igual a 1.00g pero menos de 1.50g
mayor o igual a 0.40g pero menos de 0.60g
Muy alto mayor o igual a 1.50g mayor o igual a 0.60g Dato: g = aceleración de la gravedad en dirección horizontal
Nota. Esta tabla menciona en que región sísmica se encuentra el lugar de estudio según la aceleración del suelo. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, por FEMA 154, 2015. Traducido por: Jhordan Javier Alvarez Sanchez.
De esta manera, según un estudio realizado por el INDECI el distrito de Villa María del Triunfo posee periodos del suelo mayores a 0.14s tal como se indica en la Tabla 5:
Tabla 5
Periodos del suelo.
TIPOS DE SUELO PERIÓDO DEL SUELO
Cercanía a afloramiento rocoso 0.14 – 0.31 s
Gravas y arenas 0.31 – 0.36 s
Arenas eólicas 0.36 – 0.47 s
Depósitos de rellenos Superior a 0.47 s
Nota. Esta tabla menciona los periodos del suelo del distrito de Villa María del Triunfo según las calicatas estudiadas. Adaptado de “Escenarios de riesgo y medidas de mitigación del riesgo de desastre en el distrito de Villa María del Triunfo”, por INDECI, 2011.
En base a ello, correlacionando la información brindada por el INDECI, la norma peruana E.030 y la tabla de la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA P-154), se concluye que el distrito se encuentra en una zona de sismicidad moderadamente alta y alta.
1.2.2. Tipo de suelo
El distrito de Villa María del Triunfo cuenta con una extensión de 70.57 km2 y que está conformada por arenas eólicas, suelos residuales y rocas.
El Instituto Nacional de Defensa civil realizó un estudio de suelos con calicatas, extracción de muestras y ensayos de penetración dinámica ligera – DPL. Donde, realizaron 87 calicatas en total dentro de todo el distrito y 26 ensayos de penetración dinámica ligera establecido en la Tabla 6:
Tabla 6
Número de calicatas y DPL por sector.
SECTORES CALICATAS DPL
José Carlos Mariategui 13 05
Cercado de Villa María 15 04
Pachacutec 04 02
Nueva Esperanza 12 05
Tabla de Lurín 15 03
Nuevo Milenio 12 03
José Gálvez 16 04
TOTAL 87 26
Nota. Esta tabla menciona el número de calicatas y DPL que realizaron para el estudio de la zona de Villa María del Triunfo. Adaptado de “Escenarios de riesgo y medidas de mitigación del riesgo de desastre en el distrito de Villa María del Triunfo”, por INDECI, 2011.
Al realizar el estudio en laboratorio, INDECI determinó la capacidad portante de todo el distrito según el tipo de suelo como se muestra en la siguiente Tabla 7:
Tabla 7
Capacidad portante según tipo de suelo.
TIPO DE SUELO CAPACIDAD PORTANTE
Arenas eólicas recientes 0.75 – 1.30 kg/cm2 Arenas eólicas antiguas 1.31 – 3.00 kg/cm2 Gravas angulosas del suelo residual 3.01 – 5.00 kg/cm2
Rocas Sanas a alteradas >5.00 kg/cm2
Nota. Esta tabla menciona la capacidad portante que presenta todo el distrito de Villa María del Triunfo según el tipo de suelo. Adaptado de “Escenarios de riesgo y medidas de mitigación del riesgo de desastre en el distrito de Villa María del Triunfo”, por INDECI, 2011.
Además, que no se encontró nivel freático entre profundidades de 0 a 3m, por lo que no se tendría problemas de licuefacción.
En la Figura 6 se muestra el mapa del suelo con sus respectivas aceleraciones del distrito de Villa María del Triunfo:
Figura 6. Tipos de suelos y aceleración en el suelo en el distrito de VMT, según trabajo de campo. Adaptado de “Mapas de microzonificación sísmica en el centro histórico de lima (Cercado de Lima y Rimac), Villa María del Triunfo y Callao, por INDECI, 2010.
Donde, clasificaron los suelos según la norma peruana E.030, el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) y las aceleraciones del suelo que presenta el lugar de estudio.
Cabe resaltar, que para el FEMA P-154 los suelos SI, SII, SIII y SIV son considerados como suelo muy denso o roca suave (C), suelo rígido (D), arcilla suave (E) y suelo pobre (F) respectivamente.
1.2.3. Topografía
El distrito de Villa María del Triunfo posee un área de 70.57km2, lo cual representa un 2.50% de Lima Metropolitana.
Sectores como Villa Santa Rosa, El paraíso y El Arenal Alto poseen pendientes mayores a 25%. Además, el sector Arenal Alto también posee fuertes pendientes que constituyen un alto peligro.
El distrito posee zonas planas, zonas mayormente habitadas, y cerros rocosos que cubren gran parte del lugar como se muestra en la siguiente Figura 7:
Figura 7. Mapa topográfico de Villa María del Triunfo, según relieve de la zona. Adaptado de
“Topographic-map”, por topographic-map.com, 2017.
1.2.4. Población del distrito de Villa María del Triunfo
En base al censo del 2005, el distrito de Villa María del Triunfo tiene una población total de 355,761 habitantes en una superficie total de 70.57 km2 siendo el sexto distrito con mayor población a nivel departamental y el séptimo a nivel Lima y Callao según el INEI
(Instituto Nacional de Estadística e Infomática (INEI), 2007). Para el 2015 se estimó una población total de 448 545 habitantes con una densidad territorial de 6356.03 hab/km2, tal como se indica en la Tabla 8.
Tabla 8
Población censada en el año 2007, Villa María del Triunfo.
Nota. Esta tabla menciona la densidad poblacional de Villa María descrita mediante género y edad. Adaptado de “Población total, por área urbana y rural, y sexo, según departamento, provincia, distrito y edades”, por INEI, 2007.
De un total de 87 colegios entre privados y públicos, la presente tesis desarrollará los métodos cualitativos y cuantitativos en base a 42 instituciones educativas estatales, que según el censo 2016 de UGEL 01 (encargada de supervisar las instituciones educativas del distrito de Villa María del Triunfo) se tiene un total de 45,257 alumnos matriculados;
donde la mayor cantidad de alumnado se encuentra en el nivel primaria mientras que en secundaria es menor debido a que los alumnos migran a instituciones fuera del distrito.
Grupo
Etario Hombre Mujer Total Porcentaje Acumulado
0-4 16,871 16,351 33,222 9,34% 9,34%
5-9 17,110 16,509 33,619 9,45% 18,79%
10-14 17,086 16,843 33,929 9,54% 28,33%
15-19 16,504 16,763 33,267 9,35% 37,68%
20-24 17,958 18,103 36,061 10,14% 47,81%
25-29 17,587 18,014 35,601 10,01% 57,82%
30-34 16,408 16,342 32,750 9,21% 67,03%
35-39 13,989 14,483 28,472 8,00% 75,03%
40-44 10,319 10,530 20,849 5,86% 80,89%
45-49 7,947 8,510 16,457 4,63% 85,51%
50-54 7,055 7,470 14,525 4,08% 89,60%
55-59 5,268 5,663 10,931 3,07% 92,67%
60-64 4,341 4,483 8,824 2,48% 95,15%
65-69 3,462 3,186 6,648 1,87% 97,02%
70-74 2,381 2,138 4,519 1,27% 98,29%
75-79 1,578 1,462 3,040 0,85% 99,14%
80 y más 1,424 1,623 3,047 0,86% 100,00%
Total 177,288 178,473 355,761 100,00% 100,00%
Porcentaje 49,83% 50,17% 100,00%
A continuación, se presenta la Tabla 9, correspondiente al Censo Escolar 2016 proporcionado por la UGEL 01.
Tabla 9
Cantidad de alumnado en instituciones públicas, Villa María del Triunfo.
NÚMERO Y NOMBRE DE INSTITUCIONES EDUCATIVAS EN EL LOCAL ESCOLAR
Alumnos (censo
2016) 652 30/6084 SAN MARTIN DE PORRES/6084 SAN MARTIN
DE PORRES 363
6020 851
6032 ALMIRANTE MIGUEL GRAU SEMINARIO 1,076
6057 VIRGEN DE LOURDES 960
7054 2,351
7057 SOB.ORDEN MILITAR DE MALTA 2,507
7073 1,418
7106 VILLA LIMATAMBO 1,059
7217 OLIMPIA GERALDINA MELENDEZ PERALTA 133
TUPAC AMARU 2,188
7245 SAN JOSE OBRERO 347
7226-562 JOSE OLAYA BALANDRA 689
6011 SANTISIMA VIRGEN DE FATIMA 1,244
6019 MARIANO MELGAR 847
6155 120
7055 TUPAC AMARU II 1,671
MARISCAL ELOY GASPAR URETA 770
6093 CORONEL JUAN VALER SANDOVAL 1,641
6015 SANTISIMO SAGRADO CORAZON DE JESUS 984
7235 MARISCAL ANDRES AVELINO CACERES 87
7233 MATSU UTSUMI 621
6033 366
6029 BARTOLOME MITRE 977
REPUBLICA DEL ECUADOR 1,691
6060 JULIO CESAR TELLO 1,082
6081 MANUEL SCORZA TORRES 1,822
JOSE CARLOS MARIATEGUI 1,145
6056 640
6014 627
6072 567
SANTA MARIA DE LOS ANDES 736
65229/6017 382
MANUEL CASALINO GRIEVE 351
65220/6025 654
6022 734
6152 STELLA MARIS 2,439
6059 SAGRADO CORAZON DE JESUS 1,865
7214 410
6073 JORGE BASADRE 631
6073 JORGE BASADRE 551
6024 JOSE MARIA ARGUEDAS 1,530
7220 850
Nota. Esta tabla describe a todos los colegios públicos en estudio con su respectivo total de alumnado.
Adaptado de “Unidad de gestión educativa local”, por UGEL, 2016.
1.3. Métodos cualitativos
1.3.1. Método ATC 21 (FEMA P-154) (Índice de vulnerabilidad)
La metodología rápida de análisis sísmico fue desarrollada por la Agencia Federal de Manejo de Emergencias de los Estados Unidos (FEMA) para determinar la seguridad sísmica de las distintas construcciones civiles (Federal Emergency Managment Agency (FEMA P-154), 2015). Este método está orientado a determinar que estructuras poseen un alto nivel de vulnerabilidad y porcentaje de colapso. El FEMA p-154 es apropiado para evaluar estructuras en gran cantidad por ser un análisis rápido. Además, facilita conocer que estructuras no tendrían que ser un lugar de refugio por su grado de vulnerabilidad.
Este método fue principalmente usado en los Estados Unidos por la Agencia Federal de Manejo de Emergencias, pero debido a su eficacia y fácil uso, varios países alrededor del mundo lo utilizan para evaluar de manera rápida y en gran cantidad la vulnerabilidad sísmica de los hospitales, colegios, edificios, etc.
A continuación, se describirán los parámetros necesarios para poder evaluar las distintas edificaciones existentes:
1.- En primer lugar, se tiene que determinar la región sísmica. Este primer parámetro se usa para escoger el tipo de cartilla de encuesta a utilizar para evaluar las distintas edificaciones. Las encuestas se dividen en baja sismicidad, moderada sismicidad, moderada-alta sismicidad, alta sismicidad y muy alta sismicidad (Federal Emergency Managment Agency (FEMA P-154), 2015).
Para escoger la región sísmica se verifica el periodo del suelo y después mediante aceleración espectral de respuesta se escoge la región, tal como se muestra en la Tabla 10, anteriormente mencionada:
Tabla 10
Región sísmica según aceleración espectral.
Región sísmica
Aceleración del suelo según el periodo (periodo corto o 0.2 s)
Aceleración del suelo según el periodo (periodo largo o 1 s)
Bajo menos de 0.25g menos de 0.10g
Moderado mayor o igual a 0.25g pero menor que 0.50g
mayor o igual a 0.10g pero menor que 0.20g Moderado alto mayor o igual a 0.50g
pero menor que 1.00g
mayor o igual a 0.20g pero menor que 0.40g Alto mayor o igual a 1.00g
pero menor que 1.50g
mayor o igual a 0.40g pero menor que 0.60g Muy alto mayor o igual a 1.50g mayor o igual a 0.60g Dato: g = aceleración de la gravedad en dirección horizontal
Nota. Esta tabla menciona en que región sísmica se encuentra el lugar de estudio según la aceleración del suelo. Adaptado de “Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, por FEMA 154, 2015. Traducido por: Jhordan Javier Alvarez Sanchez.
2.- En segundo lugar, se tiene que determinar el tipo de suelo (Federal Emergency Managment Agency (FEMA P-154), 2015). Este segundo parámetro es usado como un modificador para evaluar si es favorable o no para la edificación, mediante el cuadro presentado por American Society of Civil Engineers (ASCE, 2013) como se muestra en la Tabla 11:
Tabla 11 Tipo de suelo.
Tipo de suelo Velocidad cortante de
las ondas, Vs SPT, N
Resistencia no drenada al cortante
por encima de los 100 pies, Su
A: Roca dura Vs>5000 pies/s
B: Roca 2500
pies/s<Vs<5000pies/s C: Suelo muy
denso y Roca suave
1200
pies/s<Vs<2500pies/s
N>50 Su>2000psf D: Suelo
rígido
600
pies/s<V<1200pies/s 15<N<50 1000psf<Su<2000psf E: Arcilla
suave
Vs<=600 pies/s N<15 Su<1000psf Más de 10 pies de espesor de suelo con índice de plasticidad Pf>20, contenido de agua w>40% y Su<500psf
F: Suelo pobre
Suelo que requiere de evaluaciones específicas.
-Suelo vulnerable a fallas potenciales o colapso bajo cargas sísmicas como licuefacción del suelo, arcillas altamente sensitivas, suelo colapsable débilmente cementado.
-Arcilla orgánica o espesor mayor a 10 pies de turba.
-Muy alta plasticidad de las arcillas (Pf>75). -Más de 120 pies de suave o mediana arcilla rígida.
Nota. Esta tabla menciona el tipo de suelo según las características que presenta, es usado por el FEMA P-154 y es igual a la clasificación de la norma peruana E.030. Adaptado de “Minimun design for buildings and other structures”, por ASCE/SEI 7-10, 2013. Traducido por: Jhordan Javier Alvarez Sanchez y Xavier Orlando Pulgar Santacruz.
Cuando no se pueda determinar el tipo de suelo en el lugar de estudio, el FEMA P-154 recomienda considerar como suelo rígido (D). Además, cabe resaltar que estos parámetros son muy parecidos a los descritos por la norma peruana E.030.
3.- En tercer lugar, se escoge el tipo de construcción para tener el puntaje de inicio en la hoja de evaluación. Las construcciones se dividen en lo siguiente:
W1: Construcciones de madera ligera unifamiliar o multifamiliar de 1 o más pisos.
W1A: Construcciones de madera ligera de varios pisos (construcción residencial) con un área en planta mayor a 3000pies2=280m2.
W2: Construcciones de madera comerciales e industriales con un área en planta mayor a 5000pies2=465m2.
S1: Construcciones de acero resistente a los momentos.
S2: Construcciones de acero con arriostres.
S3: Construcciones de metal ligero.
S4: Construcciones de acero con placas de concreto.
S5: Construcciones de acero con muros de ladrillo no reforzado.
C1: Construcciones de concreto resistente a los momentos.
C2: Construcciones de concreto con placas.
C3: Construcciones de concreto con muros de ladrillo no reforzado.
PC1: Edificios inclinados.
PC2: Construcciones con concreto prefabricado.
RM1: Construcciones de ladrillo reforzado, con pisos y diafragmas flexibles.
RM2: Construcciones de ladrillo reforzado, con pisos y diafragmas rígidos.
URM: Construcciones con muros de contención de ladrillo sin reforzar.
MH: Construcciones prefabricadas.
4.- En cuarto lugar, se verifican las irregularidades verticales que presentan las diferentes edificaciones como lugares inclinados, columna corta, piso débil, variación en los pisos superiores en inferiores conocidos como (out-of-plane setback), como se muestra en las Figuras 8, 9, 10, 11, 12 y 13:
Figura 8. Irregularidad vertical debido a acceso a estacionamientos, según estudios previos. Adaptado de
“Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: a handbook”, FEMA, 2015.