Confiabilidad estructural del edificio del hospital

Confiabilidad estructural del edificio del hospitaluniversitario San Ignacio, cuando es sometido a excitaciónsísmicaStructural reliability of the San Ignacio medical facility,when affected by seismic excitation

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 19 Nº2, Agosto del 2004 www.ing.puc.cl/ric

Federico Núñez*, Edgar Muñoz*, Jorge Prieto*

* Grupo de Estructuras, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá D.C., [email protected]

Fecha de recepción: 15/ 04/ 2004Fecha de aceptación: 13/ 07/ 2004

1. Introducción

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Resumen

El presente trabajo consiste en la evaluación de la vulnerabilidad sísmica física del modulo B del Hospital Universitario San Ignacio, basada en técnicas

de confiabilidad estructural. El estudio se basó en un análisis dinámico espectral del modelo estructural del edificio, variando las solicitaciones (momento,

cortante y fuerza axial) que se generan en el modelo, mediante treinta (30) espectros de respuesta con diferentes periodos de retorno. Se utilizó además el

estudió de patología de los materiales, donde se realizaron ensayos destructivos y no destructivos, para estudiar la variación de la resistencia de los elementos

principales que hacen parte de la estructura (columnas, vigas y capiteles). Mediante la comparación directa entre las curvas de las solicitaciones y las

resistencias, se evaluaron los índices probables de falla y se identificaron diversas deficiencias locales y globales de la estructura ante un evento sísmico.

Estos resultados coinciden con un estudio realizado por el Departamento de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana, lo que indica una

situación apremiante que tiene la estructura.

Palabras clave: Espectro, confiabilidad, análisis estructural, cortante, momento, carga axial, periodo de retorno

Abstract

Is work deals with the physic seismic vulnerability of the B module of the San Ignacio medical facility using the structural reliability technique. This study

was based on a dynamic spectral model of the building, by varying actions (moment, shear and axial force) generated in the model and resorting to thirty

(30) response spectra with different return period. It also resorted to the study of the pathology of materials, in which destructive and non-destructive assays

were conducted to study the resistance variation of the main structural elements that are part of the structure (columns, beams, capitols). By comparing the

actions and resistance curves, probable failure indexes where evaluated and different local and global failures where evaluated in the face of a seismic

event. These results are similar to those obtained in a study (Amezquita, et al 2002) developed by the Civil Engineering Department of the Pontificia

Universidad Javeriana, indicating a problematic situation in the structure.

Key Words: Spectra, reliability, structural analysis, shear, moment, axial load, return period

En Colombia donde no se cuenta con losrecursos suficientes para reforzar apropiadamente todaslas estructuras que lo necesitan, es necesario tener uncriterio de selección para poder decidir cuáles estructurasy cómo se deben priorizar. Es por eso que la confiabilidadestructural ayuda a materializar ese criterio, de tal formaque se puede saber que partes de una estructura debenser reforzadas y cuales no, para mantener su integridadante una solicitación sísmica, de la manera mas económicaposible. El trabajo de confiabilidad estructural llevado acabo en conjunto por la Universidad de Corea, laUniversidad de Arizona (Jungwon y Achintya, 2000), así

como el trabajo de la Universidad de Arabia Saudita(Arafah et al., 2000), dio luces para desarrollar las mejoresideas en el planteamiento de este análisis estructural.

Teniendo en cuenta que la normativacolombiana no contempla la confiabilidad estructuralcomo parámetro mínimo para las construcciones sismoresistentes, fue prioritario analizar que consecuenciasconllevaría tener estos criterios de revisión.

En las estructuras diseñadas hasta la actualidad.El propósito de este estudio, fue analizar la situaciónactual de una estructura de primera necesidad para lacapital de Colombia, a las luces de la metodología de

2. Metodología de Trabajo


ESPECTROS DE RESPUESTA PARA DIFERENTES PERÍODOS DE RETORNO,USADOS EN LA CONFIABILIDAD ESTRUCTURAL DEL H.U.S.I

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cercano a cero, ya que se encuentra en el limite definidopor la función. Por tanto esta condición se llama funciónde estado limite.

3. Y>0. Si bien las variabilidades de la resistencia delelemento estructural están mejor para soportar lasvariabilidades de la carga, no se puede hablar deprobabilidad de falla cero.

2.3 Variación de las cargasMediante un programa de generación de

espectros (Prieto, 2003), se determinaron treinta (30)espectros de respuesta diferentes. Este programa se basóen la variación de algunos parámetros de la ecuación deatenuación definida por la geología, las distancias a lasprincipales fallas geológicas de la región y los datosobtenidos para los eventos sísmicos registrados en losdiferentes medidores localizados cercanos a la zona. Elprograma se utilizó introduciendo la ecuación deatenuación (Ambrasseys et al., 2000), definiendo laaceleración absoluta para diferentes periodos espectralesque varían desde cero hasta dos segundos. Además tieneen cuenta la frecuencia anual de excedencia para elevento sísmico definido por ese espectro de respuesta(i.e. el inverso matemático del periodo de retorno paraese evento sísmico definido por ese espectro de respuesta).Esta ecuación está definida como:

(3)

Donde C1, C2, C4, Ca y Cs son parámetros de laecuación para poder hallar las coordenadas espectrales,y donde Pa y Ps son parámetros que dependen del tipode suelo (se determino que se comporta como roca),puede ser blando o duro. P es un valor constante y esla desviación estándar de Log(Sa) (logaritmo en base 10).El resultado de Sa está dado como un porcentaje de laaceleración de la gravedad para cada periodo de retorno.En la Figura 1 grafica se puede ver la variación de laaceleración de la gravedad en cada uno de los diferentesespectros usados:

Figura 1. Espectros usados en el presente estudio

confiabilidad estructural. Esta estructura construida enlos años cincuenta, posee un sistema estructural dereticular celulado (columna-piso), el cual está compuestopor viguetas (losa aligerada) en dos direcciones conectadasa las columnas con capiteles aligerados. La estructurapresenta deficiencias en el detallado estructural (zonasde confinamiento, cuantías mínimas de columnas, refuerzoa cortante, etc.), lo cual justifica un estudio detallado quedetermine la seguridad, el costo de diferentes alternativasde refuerzo y la respectiva decisión sobre su refuerzo oconstrucción nueva.

2.1 Confiabilidad estructuralEl índice de confiabilidad (ver Ecuación 1),

representa la seguridad de los elementos estructurales,mediante el análisis estadístico de las funciones deresistencia y solicitaciones, variables no correlacionadaspor su naturaleza de origen (Nowak, 2000). Tanto lasfunciones de resistencia y solicitaciones, se estudiaroncon base en información probabilística, definiendo paracada uno de ellas la media y la desviación estándar.

(1)

Para determinar el índice de falla ( ), se evalúala media y la desviación estándar de la resistencia ( R y

R) y de las solicitaciones ( y ). El índice deconfiabilidad de 1 hasta - , indica deficienciasestructurales. Valores altos de ( ) representan unacapacidad adecuada de los elementos para soportar lavariabilidad de las cargas, teniendo en cuenta lavariabilidad intrínseca de su resistencia.

2.2 Función de ComportamientoLa función de comportamiento se define como

la diferencia entre las funciones de la resistencia y lassolicitaciones. (ver Ecuación 2).

(2)

Los estados que se presentaron en la estructurason los siguientes:1. Y<0. Se asume que la función de resistencia es

insuficiente con relación a la función de lassolicitaciones.

2. Y=0. En este estado, la variabilidad de la resistenciaes apenas la necesaria para que se resistan lasvariabilidades de la carga, con nivel de confiabilidad

INCIDENCIAS SÍSMICAS:

* 100%X * 100%Y * 100%X + 30%Y * 100%Y + 30%X

SENTIDO Y

SENTIDO X


3.Resultados del análisis estructural

a)

b)

Período de Retorno (log años)

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De cada espectro se evaluó su probabilidad deocurrencia para realizar las respectivas combinacionesde carga mediante una simulación numérica y usandoel método de Montecarlo. En la Figura 2 se puede observarel comportamiento de las probabilidades de ocurrenciade los diferentes eventos sísmicos utilizados, cuando setiene en cuenta un evento certero, en este caso el de unperiodo de retorno de 10000 años.

Figura 2. Ocurrencia de los eventos sísmicos en función de superiodo de retorno

2.4 Variación de la resistenciaPara poder obtener los valores de resistencia a

compresión del concreto(f’c) de los elementos de laestructura, se hicieron diversos ensayos destructivos y nodestructivos (maquina universal y aparato de ultrasonido),que se pueden apreciar en la Figura 3. Las variacionesdel f’c, afecta directamente la función de densidad de laresistencia a cortante, flexión y fuerza axial de loselementos estructurales del edificio.

Figura 3. a) Colocación de la muestra obtenida como núcleotomado directamente de la estructura, y lista para ser fallada en

la maquina universal. b) Aparato ultrasonido utilizado.

La función que representa la variación de laresistencia a la compresión de todos los elementos de laestructura se presentan en la Figura 4.

Figura 4. Variación de los valores de f’c en la totalidad de laestructura del Hospital Universitario San Ignacio.

2.5 Modelo estructuralSe desarrolló un modelo tridimensional en el

programa de análisis estructural SAP-2000 y se hizo unanálisis dinámico espectral, analizando diversascombinaciones de carga con los treinta (30) espectrosde respuesta (ver Figura 5). Se considero en el modeloun diafragma rígido en cada piso y en su centro de masase colocó la masa total que aporta el entrepiso, capiteles,columnas, vigas, fachada, acabados y un 20% de la cargaviva.

Figura 5. Modelo estructural en SAP2000

Mediante el desarrollo de macros yprogramación en una hoja electrónica, se creó toda labase de datos con los diferentes resultados para cadauno de los elementos principales seleccionados. Seestudió en detalle el comportamiento estadístico de lasfunciones de densidad de probabilidad (solicitaciones),con el objeto de evaluar el ajuste y la correspondientefunción más adecuada en cada caso (Núñez, 2003). Las


Fuerza Variable AjustadaPmax (Resistencia axial)Pu (Acción axial)Mmax (Resistencia a momento)Mu (Acción de momentos)Vres (Resistencia a cortante)Vu (Acción de cortante)Vplast (Cortante plastificador)

Función de Densidad de ProbabilidadGammaLogísticaWeibull

Log logísticaGauss InversaLog logística

Pearson Tipo 5

Fuerza Variable AjustadaMn(-) (Resistencia a momento neg.)Mu(-) (Acción de momento neg.)Mn(+) (Resistencia a momento pos.)Mu(+) (Acción de momento pos.)Vres (Resistencia a cortante)Vu (Acción de cortante)

Función de Densidad de ProbabilidadGauss Inversa

LogísticaGauss Inversa

LogísticaGauss InversaLog logística

DEFICIENCIAESTRUCTURAL

L I M B O

A S U M I D O

SEGURIDADESTRUCTURAL

VARIACIÓN DE LOS ÍNDICES DE CONFIABILIDAD A CARGA AXIAL. EN LOSNUEVE PISOS DEL MÓDULO 8 DEL H.U.S.I. (PORTICO 1.7)

INDICE DE CONFIABILIDAD

ÍNDICE DE CONFIABILIDAD A CORTANTE EN X PARA LAS COLUMNASDEL MÓDULO 8 DEL H.U.S.I. (PÓRTICO 1.7)


PIS

O

98

sismorresistente, que no considera zonas deconfinamiento adecuadas. Así mismo, con respecto a lacarga axial las columnas se encuentran en un rango deseguridad estructural.

En las Figuras 9 y 10 se aprecian los índices deconfiabilidad por carga axial y cortante de las columnasdel pórtico del eje 1.O. En este pórtico sucede lo mismoque en el anterior, ya que se observan deficiencias acortante de las columnas. Además se aprecia un índicenegativo, al evaluar la carga axial de la columna en elpiso 8, lo que indica que se encuentra en el rango dedeficiencia estructural.

En la Figura 11 se observa un esquema delpórtico del eje 1.O, donde los índices de confiabilidadobtenidos en la evaluación a cortante de las vigas, sonnegativos, lo que representa deficiencia estructural. Estoindica una probable falla por punzonamiento entre lasviguetas y los capiteles aligerados, debido al inadecuadodetallado estructural entre los dos elementos de laestructura.

Figura 7. Índices de confiabilidad para el análisis de esfuerzoaxial en el pórtico 1.7

Figura 8. Índices de confiabilidad para el análisis de esfuerzocortante en el sentido del primer modo de vibración de la

estructura para el pórtico 1.7

funciones obtenidas después de los ajustes, se presentanen las Tablas 1y 2.

Tabla 1. Resultados del ajuste de datos de las fuerzas variablesen las columnas

Tabla 2. Resultados del ajuste de datos de las fuerzas variablesen las vigas

Los resultados obtenidos se estudiaron yevaluaron considerando los criterios de revisión estructural,como se observa en la Figura 6, donde se establece losrangos de deficiencia estructural, limbo asumido yseguridad estructural. El limbo asumido (Índice deconfiabilidad entre 0 y 1), con el que se trabajó en esteestudio, tuvo en cuenta una evaluación aproximada delos factores sociales y económicos de la zona. Sin embargo,para la rehabilitación y actualización de la estructuradel hospital, usando las técnicas de confiabilidadestructural, es necesario hacer un estudio detallado delos limites óptimos, para que sirvan de base en la tomade decisiones.

Figura 6. Limites de los índices de confiabilidad usados en esteestudio

En las Figuras 7 y 8 se presentan los índices deconfiabilidad de carga axial y cortante por piso para lascolumnas del pórtico del eje 1.7. Se observa que elproblema fundamental es la capacidad a cortante de lascolumnas, lo que se debe a la falta de detallado estructural


5. Conclusiones

4. Discusión de los resultadosP

ISO


ÍNDICES DE CONFIABILIDAD A CARGA AXIAL EN LOS NUEVE PISOSDEL MÓDULO B DEL H.U.S.I. (PÓRTICO 1.O)

PIS

O


ÍNDICE DE CONFIABILIDAD A CORTANTE EN SENTIDO X EN LAS COLUMNASDEL MÓDULO B DEL H.U.S.I. (PÓRTICO 1.O)

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Con relación a la capacidad de carga axial delas columnas (Ver Figuras 7 y 9), se concluye que seencuentran dentro de los limites de seguridad. Conrespecto a la capacidad a cortante de las columnas y lasvigas (Ver Figuras 8 y 10), se detectaron debilidadesimportantes las cuales deben ser objeto de estudio parasu reforzamiento y actualización estructural. Lo anteriorconcuerda con el estudio realizado por la PontificiaUniversidad Javeriana, basados en las especificacionesdel FEMA-310 (1998).

Mediante análisis de confiabilidad se comprobóla existencia de problemas que pueden afectar laestabilidad de la estructura y de los elementos noestructurales ante la ocurrencia de un sismo. Con baseen los análisis efectuados, pueden llegar a presentarsefallas por punzonamiento en las inmediaciones de loscapiteles por la alta flexibilidad del sistema. Este tipo defalla es considerada frágil e inadmisible durante laocurrencia de un terremoto, teniendo en cuenta laexperiencia internacional de edificaciones construidascon este sistema estructural y que han colapsado durantelos terremotos, como ejemplo el sismo de ciudad deMéxico del año 1985.

El Módulo B del Hospital Universitario SanIgnacio, es una estructura que no cumple con lasespecificaciones que exige la Norma Colombiana deDiseño y Construcción Sismorresistentes (NSR98, lo cualse debe a que fue construido en los años 50, época queen Colombia no existían normas o requisitossismorresistentes. Dicha deficiencia se detectó endiferentes partes de la estructura mediante técnicas deconfiabilidad estructural. El sistema estructural del Hospitales poco competente para asegurar la estabilidad globaly resistir la variabilidad de las cargas probables generadaspor un sismo. En el estudio por confiabilidad de laformación de articulaciones plásticas de los elementosprincipales, se encontró que ninguna viga se plastificaantes que cualquier columna, lo que indica un mecanismode colapso que inicia con la falla de las columnas, queimplica un alto riesgo e insuficiente seguridad de todala estructura.

De acuerdo con el estudio realizado y dada laalta importancia del Hospital, resulta de particular interésque se realice un estudio en el que se evalúen diversasalternativas de intervención entre las que se puedenmencionar: rigidización y/o reforzamiento, colocación

Figura 9. Índices de confiabilidad para el análisis de esfuerzoaxial en el pórtico 1.O

Figura 10. Índices de confiabilidad para el análisis de esfuerzocortante en el sentido del primer modo de vibración de la

estructura para el pórtico 1.O

Figura 11. Comportamiento de los índices de confiabilidad ( )para momento y cortante en vigas y columnas. Pórtico 1.O del

edificio del Hospital Universitario San Ignacio


6. Bibliografía

100

de disipadores de energía, cambio en las propiedadesdinámicas de los edificios, aislamiento en la base, etc.,además de una evaluación de riesgo directamenterelacionado con la confiabilidad, para tomar las decisiónmás adecuada desde el punto de vista beneficio – costoen la estructura.

Ambraseys N. N., Simpson K. A., Bommer J. J. (2000),“Prediction of Horizontal Response Spectra in Europe”.Departamento de Ingenieria Civil, Imperial College ofScience and Technology and Medicine. Londres.

Amezquita A., Muñoz E., Forero M. y Quinteros J. (2002),“Estudio de la vulnerabilidad sísmica estructural de lasinstalaciones del hospital universitario de San Ignacioadscrito a la Pontificia Universidad Javeriana en BogotáD.C.”.

Arafah A.M. (2000), “Reliability of Reinforced ConcreteBeam Section as Affected by Their ReinforcementRatio”. King Saud University. Saudi Arabia.

FEMA- 310 (1998),The federal emergency managementagency- Handbook for the seismic evaluation ofbui ldings-a pres tandard, Es tados Unidos.

Jungwon H. y Achintya H. (2000), “Reliability Estimationof Buildings Subjected to Seismic Excitation”. YonseiUniversity. Seoul, Korea , University of Arizona.

Nowak A. (2000), “Reliability of Structures”. EditorialPretience Hall.

Núñez F. (2003), “Confiabilidad del edificio del HospitalUniversitario San Ignacio cuando es sometido asolicitación sísmica”. Trabajo de grado, PontificiaUniversidad Javeriana, Departamento de IngenieríaCivil, Bogotá, Colombia.

Prieto J. (2003), “Programa de generación de espectrospara diferentes periodos de retorno”. Bogotá, Colombia

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