INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO

METODOLOGÍA PARA REALIZAR PROYECTOS DE REPARACIÓN, REFUERZO, REHABILITACIÓN Y REESTRUCTURACIÓN PARA OBRAS CIVILES DE EDIFICACIONES EN CONCRETO REFORZADO. CASO PRÁCTICO MUSEO DEL TEMPLO MAYOR DE LA CD. DE MEXICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO CIVIL PRESENTAN:

ISRAEL BIAIS HERNÁNDEZ EDUARDO AGUILAR HERNÁNDEZ

ASESOR: ING. JOSE EDUARDO GUTIERREZ MARTINEZ

MEXICO, D.F. 2005

A MI FAMILIA A MI PADRE MARTIN BIAIS CERVATES. ES DIFICIL PODER EXPRESAR LO QUE ES MI PADRE EN UNA CUANTAS PALABRAS, SIN EMBARGO, SE QUE LO MAS IMPORTANTE QUE EL ME ENSEÑO FUE LA HONESTIDAD Y LA LEALTAD HACIA LAS PERSONAS Y HACIA MIS PROPIAS IDEAS. ME ENSEÑO QUE EXISTE MUCHOS CAMINOS PARA PODER CONSEGUIR MIS OBJETIVOS Y TAMBIEN ME ORIENTO PARA NO CAER EN EL ERROR. TE AGRADESCO PADRE TODOS TUS BUENOS CONSEJOS, EL CARIÑO Y TODO EL TIEMPO QUE HAS ESTADO CONMIGO. A MI MADRE MARINA ARACELI HERNANDEZ LOZANO. HABLAR DE MI MADRE ES HABLAR DE UNA MUJER EJEMPLAR, QUE HA SABIDO HACER DE SU GENTE, UNA GENTE DE BIEN. MI MADRE QUE EN TODO MOMENTO HA ESTADO CONMIGO Y HA LLENADO DE CALMA MI MENTE CON SUS BUENOS CONSEJOS, A MI MADRE POR TODO EL APOYO QUE ME HA BRINDADO DURANTE TODO ESTE TIEMPO, POR SU CARIÑO Y SOBRE TODO POR EL REGALO MAS GRANDE QUE UNA MUJER PUEDE DAR A SU HIJO, LA VIDA. POR TODO LO ANTERIOR Y MUCHO MAS TE AGRADESCO INFINITAMENTE MADRE MIA. A MIS DOS HERMANAS ADRIANA Y JAZMIN. PORQUE SON PARTE IMPORTANTE DE TODO MI ESQUEMA Y HAN ESTADO CONMIGO EN TODO MOMENTO. PORQUE SON MI FAMILIA Y PARTE IMPORTANTE DE ESTE PROYECTO. A MIS SOBRINOS. DANIEL Y SOFIA. AGRADEZCO QUE AHORA ESTEN CON NOSOTROS Y QUE PUEDAN DISFRUTAR DE ESTE MOMENTO AL IGUAL QUE TODA LA FAMILIA BIAIS. A MIS COLEGAS Y AMIGOS LUIS FERNADO LOPEZ HURTADO, ROZBEH BANDEH MOGHADDAM, EDUARDO AGUILAR HERNANDEZ, MARIO TELLEZ ESQUIVEL., ISMAEL HERNANDEZ, HAMZEH BANDEH MOGHADDAM Y A TODAS AQUELLAS PERSONAS QUE YA NO MENCIONE PERO QUE SON PARTE IMPORTANTE DE MI VIDA, REGALANDOME SU AMISTAD DURANTE TODOS ESTOS LARGOS AÑOS, ANTES COMO ESTUDANTE Y AHORA COMO PROFESIONISTA.

ISRAEL BIAIS HERNANDEZ

A MIS PADRES SR. EDUARDO AGUILAR PERALTA Y SRA. HORTENSIA HERNÁNDEZ GÓMEZ, LOS CUALES HAN SIDO EL PILAR DE LOS LOGROS OBTENIDOS EN LO CORTO DE ESTA CARRERA Y LA VIDA. QUE CON SUS CONSEJOS Y REGAÑOS HOY SE A CUMPLIDO UNA META MÁS. Y POR TODO EL AMOR DADO EN ESTA VIDA

A MIS HERMANOS; ANA ESMERALDA AGUILAR HERNÁNDEZ, MARTHA AGUILAR HERNÁNDEZ., JOSÉ EFRAÍN AGUILAR HERNÁNDEZ., LOS CUALES ME DIERON LAS FUERZAS PARA LUCHAR POR ESTOS TRIUNFOS, QUE TAMBIÉN SON SUYOS.

A MI ESPOSA KARLA YOLANDA ALVICIO ARIAS Y A MIS HIJOS; AKARI NUVIA AGUILAR ALVICIO Y ATL YOTLZIN AGUILAR ALVICIO, QUE SON ELLOS QUIEN ME DAN LA FUERZA PARA SEGUIR DÍA A DÍA LUCHANDO POR LOGRAR ESTAS METAS.

A MIS SOBRINOS: ALAN S. LUNA AGUILAR Y ERIDANI SÁNCHEZ AGUILAR.

A TODOS MIS TÍOS POR EL APOYO BRINDADO EN ESTA LUCHA INTERMINABLE; REY DAVID AGUILAR PERALTA, MARILU AGUILAR PERALTA, CONCEPCIÓN HERNÁNDEZ GÓMEZ, EMILIO HERNÁNDEZ GÓMEZ, LAURENTINO HERNÁNDEZ GÓMEZ Y A TODOS LOS QUE HAN APORTADO SU AYUDA PARA FORMAR MI VIDA.

A MIS AMIGOS; ANGEL ALFARO LEMUS, EFRAÍN DE LA CRUZ CRUZ, FERNANDO LÓPEZ HURTADO, ROZBEH BANDEH MOGHADDAM, MARIO TELLEZ ESQUIVEL, FABIOLA PICAZO CUEVAS Y MUY EN ESPECIAL A ISRAEL BIAIS HERNÁNDEZ. Y A TODA SU FAMILIA. A TODOS AQUELLOS QUE NO PINTAN EN ESTAS LÍNEAS PERO QUE SIEMPRE ME BRINDARON SU AMISTAD Y COMPRESIÓN.

Y A TODAS AQUELLAS PERSONAS QUE DE ALGUNA FORMA YA SEA DIRECTAMENTE O INDIRECTAMENTE ME HAN APOYADO EN ESTA NUEVA ETAPA DE MI VIDA.

GRACIAS A TODOS.

EDUARDO AGUILAR HERNANDEZ

AL INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL. NUESTRA ALMA MATTER. A LA ESUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA. NUESTRA SEGUNDA CASA. AL DEPARTAMENTO DE INFORMATICA DE LA E.S.I.A. ZACATENCO. AL ING. SERGIO MARTINEZ GRACIDA, CELIA, IRENE y GABY POR TODO EL APOYO INCONDICIONAL EN LA REALIZACION DE ESTE TRABAJO DE TESIS. AL ING. JOSE EDUARDO GUTIERREZ MARTINEZ POR HABER ACEPTADO SER NUESTRO ASESOR DE TESIS Y POR TENER LA CONFIANZA EN LA REALIZACION DEL PRESENTE TRABAJO, ADEMAS DE TODO EL APOYO BRINDADO AL PROYECTO. AL ING. JOSE LUIS FLORES RUIZ POR HABER CONTRIBUIDO EN GRAN MEDIDA AL DESARROLLO DEL PRESENTE PROYECTO.

PRESENTACION El presente trabajo se realizo con el fin de apoyar a las personas que se encaminan al diseño y construcción de refuerzo en estructuras de concreto reforzado. Por tal motivo y como se indica mas adelante en el índice, dividimos el trabajo en 5 capítulos. Para el primero nos dimos a la tarea de enunciar los distintos factores que intervienen para pensar en reforzar una estructura. Hablando en gran medida y con lujo de detalle, de las posibles fallas que pueden presentarse en elementos de concreto reforzado que constituyen a una edificación. En el segundo capitulo se dan a conocer algunas técnicas de evaluación, las cuales a su vez se dividen en dos partes, preliminares y a detalle. Para poder soportar este trabajo se hace referencia a todo tipo de bibliografía que fue consultada. Así mismo se maneja en gran medida detalles gráficos de las técnicas antes mencionadas. Hablando del tercer capitulo, lo que podemos comentar es que nos basamos mucho en los conceptos y normas que se establecen en el Reglamento de Construcción para el Distrito Federal, en lo que corresponde al apartado sobre Normas Técnicas Complementarias para Diseño de Estructuras de Concreto Reforzado. Aunado a lo anterior, para este capitulo se hace una semblanza de lo que se corresponde al modelamiento por computadora, apoyado por algún paquete ingeniería estructural. Para el cuarto capitulo, hacemos referencia a los métodos de restauración, reparación, reforzamiento y reestructuración de elementos de concreto reforzado. Lo anterior se soporta con material gráfico para una buena descripción y compresión de las técnicas antes mencionadas. Cabe señalar que en este mismo capitulo se presentan técnicas para poder hacer una limpieza y preparación previa el reforzamiento de elementos de concreto reforzado. Por ultimo, se termina el trabajo de tesis con la aplicación de lo que se desarrollo en dos ejemplos, El primero, que refiere al Museo del Templo Mayor de la Cd. de México, y el segundo a La Torre B, Hacienda del Ciervo. Para ambos casos se aplico la misma metodología, sin embargo el proyecto de investigación se complemento para la Torre B. Todo lo que se refiere a un proyecto de reforzamiento queda implícito en el siguiente diagrama de flujo que se presenta a continuación. Por nuestra parte lo único que nos queda es el agradecimiento hacia todas las personas que nos apoyaron en realizar este trabajo de tesis.

INICIO EVALUACION

INVESTIGACION Y DOCUMENTACION DE LA EDIFICACION Y DE LAS ACCIONES QUE LA DAÑARON

INSPECCION EN CAMPO DIAGNOSTICO PRELIMINAR

¿SE NECESITA REFUERZO TEMPORAL?

SI

PROYECTO DE REFORZAMIENTO TEMPORAL Y CONSTRUCCION

NO EVALUAR LA CAPACIDAD DEL INMUEBLE A DETALLE A TRAVES DE TECNICAS DE MODELAMIENTO Y CON INFORMACION DEL DIAGNOSTICO DE CAMPO Y BAJO ACCIONES GENERADAS CON LOS REGLAMENTOS VIGENTES

SE EMITE DICTAMEN TECNICO DE SEGURIDAD ESTRUCTURAL DEL INMUEBLE

¿SE NECESITA DESARROLLAR UN PROYECTO DE REFORZAMIENTO SEGUN EL DICTAMEN?

NO

SI SE HACE UNA SELECCION DEL TIPO DE REFORZAMIENTO SEGUN EL TIPO DE INMUEBLE Y UBICACION DE ELEMENTOS DE REFORZAMIENTO, Y SE FIJAN LOS OBJETIVOS DEL REFUERZO Y SU TIPO

¿EXISTE CONFLICTO ANTE LA FUNCIONALIDAD DEL INMUEBLE CON EL NUEVO?

SI

SE CAMBIA EL TIPO DE REFUERZO PARA EL INMUEBLE

NO DISEÑO DE LOS ELEMENTOS Y SISTEMAS DE REFUERZO SE MODIFICA EL SISTEMA DE REFORZAMIENTO

CALCULO DEL PESO ADICIONAL POR EL REFUERZO

MODELACION DE LOS ELEMENTOS DE REFUERZO EN EL NUEVO DESEMPEÑO DE LA ESTRUCTURA

NO

¿CUMPLE ANTE LOS NUEVOS REQUISITOS FIJADOS COMO OBJETIVOS DE REFUERZO PARA EL INMUEBLE?

SE GENERAN LOS PLANOS DE CONSTRUCCION DEL REFORZAMIENTO Y SUS ESPECIFICACIONES PARA PROYECTO

FIN

LA ESTRUCTURA NO REQUIERE REFORZAMIENTO

INDICE 1. INTRODUCCION HACIA EL DESARROLLO DE PROYECTOS PARA EVALUACIÓN Y REHABILITACIÓN EN OBRAS CIVILES DE EDIFICACIONES 1.1. 1.2. 1.3.

Conceptos Necesidades de reforzamiento Reglamento de construcción y normas relativas al desarrollo de proyectos de reforzamiento

2. EVALUACIÓN O DIAGNOSTICO EDIFICACIONES CIVILES 2.1. 2.2.

DE

ESTRUCTURAS

PERTENECIENTES

Técnicas de evaluación preliminar en una estructura Técnicas de evaluación a detalle en una estructura

Estudio y elección del tipo de análisis Evaluación de resistencia de los elementos estructurales Determinación de acciones que actúan sobre la estructura Modelamiento por computadora Obtención de factores de seguridad estructural Dictamen de estabilidad y seguridad estructural

4. SELECCIÓN, MODELAMIENTO Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA A REFORZAR 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.

Materiales para reparación, refuerzo y protección de estructuras de concreto Preparación y limpieza del sustrato Criterios de reforzamiento en estructuras Reparación y reforzamiento de elementos estructurales Reestructuración de edificios de concreto reforzado

5. RECOMENDACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL REFUERZO ESTRUCTURAL 5.1. 5.2. 5.3. 5.4.

Comentarios sobre rehabilitación y refuerzo de elementos estructurales Ejemplos de aplicación Dictamen técnico Conclusiones

ANEXOS BIBLIOGRAFÍAS

1 2 24

A

3. MODELAMIENTO Y ANÁLISIS DE CAPACIDADES DEL INMUEBLE PARA OBTENER UN DIAGNOSTICO DEFINITIVO 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

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26 27 45

65 65 67 75 77 81 83 84 84 90 97 99 112 121 121 122 133 133

Introducción hacia el desarrollo de proyectos para Evaluación y Rehabilitación en obras civiles de edificación.

1.1. Conceptos Es común pensar que una estructura debe ser segura en términos absolutos, los que implica que sea imposible que vaya a fallar. Este concepto es erroneo y, mas bien, puede afirmarse lo contrario: toda estructura acabará por fallar, a menos que sea demolida antes, o que sea objeto de intervenciones que subsanen y corrijan los indicios de falla (Rosenblueth, 1981). Las estructuras han sido y siguen siendo un elemento de uso potencial para el desarrollo económico y social de un país, el incrementar el nivel de seguridad estructural ademas de conservarlas en condiciones optimas para su correcto desempeño a traves del tiempo, son el objetivo principal del Diagnostico Estructural. En México como en otros países del mundo (Estados Unidos y Japón) existe un fenómeno natural que pone en alto riesgo el correcto funcionamiento y seguridad de una edificación, nos referimos al Sismo. El sismo junto con otros factores que intervienen en las fallas estructurales, hicieron que se desarrollaran técnicas para optimizar y corregir los daños que se presenten en estas. 1.1.1. Reparación. Una reparación se conoce por medio de un proceso mediante el cual se restituyen las características estructurales originales de un edificio, o de sus elementos constitutivos, que han sufrido daño durante un evento sísmico o de cualquier otra índole. 1.1.2. Refuerzo. Entendemos como refuerzo al proceso con el cual las características estructurales originales de un edificio, o de sus elementos constitutivos, que fueron dañados por el efecto destructivo de un evento sísmico se mejoran respecto a la condición original que tenían antes de la ocurrencia de dicho evento. 1.1.3. Rehabilitación. La rehabilitación es el proceso que incluye la combinación de los dos puntos antes mencionados, la reparación y el refuerzo, por medio del cual una estructura dañada por un sismo o evento de cualquier índole que dañe a la estructura, recupera sus características de funcionalidad y puede volver a ser usada. 1.1.4. Reestructuración. Es el proceso mediante el cual el ingeniero modifica las condiciones de trabajo de una edificación, implementando otro tipo de sistema estructural en el inmueble, además de aplicar los tres puntos anteriormente mencionados.

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1.2. Necesidades de Reforzamiento 1.2.1. Causas Podemos definir como causas, aquellos factores que intervienen en la estructura para modificar las condiciones actuales del inmueble. Las diferentes causas de reforzamiento en elementos estructurales, se puede dar en un aspecto general, por necesidades del propietario o por efectos externos a los que esta sometida la estructura al paso de los años. Retomando lo anterior podríamos distinguir en cuatro puntos importantes. •

Indicio de daños en la edificación por siniestros

•

Presente problemas de servicio ó de durabilidad

•

Ampliación y remodelación

•

Cambio del tipo de uso

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Como podemos observar en los puntos anteriormente mencionados, podemos deducir que la necesidad de un reforzamiento no solo se da por la presencia de daños en la estructura, lo cual se retomará mas adelante. 1.2.2. Indicios de daños en la edificación por siniestros Un siniestro nos plantea la amenaza de un hecho fortuito, de características catastróficas. El riesgo es la probabilidad de que dicha eventualidad se convierta en realidad. Existen distintos tipos de siniestro considerados por el R.C.D.F., dando algunos ejemplos enunciamos los siguientes: huracanes, sismos, inundaciones e incendios, los cuales se pueden presentar tanto en el transcurso de la construcción, como después de ella. La localización geográfica del inmueble, es un factor determinante para considerar la acción de estos siniestros; para el Distrito Federal tomaremos de mayor riesgo e impacto a las estructuras, al evento sísmico, la ocurrencia de un incendio y el viento. Los daños ocasionados a una estructura pueden presentarse por la acción de fuerzas horizontales ó laterales, dentro de estas la más importante es el sismo. El sismo, dependiendo de su intensidad y de las características propias de la estructura puede llegar a provocar daños irreversibles que afecten directamente la capacidad de carga de algunos elementos estructurales llevando esto a una falla parcial o total del edificio, lo que conocemos como (Estado Limite de Falla); ó afectar directamente a la operabilidad y uso del inmueble, lo que conocemos como (Estado limite de Servicio). La presencia de un incendio en un edificio, es de gran impacto tanto en vidas humanas como en perdidas materiales, por esta razón existen numerosas Normas de protección contra incendios elaboradas por Institutos de la Unión Americana. Un incendio, hablando en términos de seguridad estructural, afecta en gran medida a estructuras compuestas principalmente de acero, el cual puede llegar a ocasionar un falla parcial o total del edificio. Mientras mayor es la vida de una construcción que ha estado sometida a constantes sismos, como es el caso de estructuras en la ciudad de México, crece la posibilidad de que la resistencia del inmueble vaya deteriorándose, ocasionando un gran numero de fallas a la estructura por lo que se presenta en este contexto como causa potencial para necesidades de un reforzamiento.

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Esc. Preparatoria Seitou de la Prefectura de China Edificio de concreto reforzado, con un sistema estructural a base de marcos resistentes a momento. Este edificio sufrio daño por el sismo de la costa Este de la prefectura de Chiba en diciembre de 1987

1.2.3. Presente problemas de servicio y durabilidad La gran incógnita que envuelve a cualquier tipo de edificación después de su diseño y construcción, es la respuesta que tendrá la estructura ante el uso de sus instalaciones en su vida útil. Elevando al extremo esta visión, cita Heyman (1990) la “regla de los cinco minutos”, refiriéndose a las grandes obras de mampostería. Según esta, si una obra permanece estable y sin signos de mal comportamiento, al menos cinco minutos después de terminada y de haber quitado todo elemento provisional de soporte, ya no va a fallar porque ya probó ser capaz de resistir la carga principal a que va a estar sometida, que es su peso propio, y porque para estructuras de este tipo, los fenómenos de inestabilidad por deformación (pandeo) o de fatiga no son significativos. Heyman advierte que esta regla no se aplica cuando hay posibilidad de hundimientos del subsuelo que pueden aumentar a lo largo de muchos años, o cuando la construcción se encuentra en zona sísmica. Son muchas las causas que pueden deteriorar la resistencia con el tiempo y que pueden llevar la construcción al colapso, inclusive ante el solo efecto de su peso propio. En general este deterioro se hace evidente a la simple observación, mediante agrietamientos, aplastamientos, desprendimientos y deformaciones. En ocasiones, sin embargo, no se encuentra evidencia externa de la pérdida progresiva de resistencia de una estructura, presentándose casos de colapsos súbitos de construcciones que no mostraban signos de daño. En México, como en muchos otros países, cualquier tipo de estructura por construir, se somete a revisiones (hablando estructuralmente), que garantizan el funcionamiento satisfactorio en condiciones de servicio. Es en este contexto que hablaremos del Estado Limite de Servicio, el cual implementa parámetros de revisión a las estructuras para evitar posibles desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños que afecten el correcto funcionamiento de la edificación a lo largo de su vida útil. Por lo tanto, y ya que estamos hablando del factor tiempo, podemos considerar dentro de este rubro a las edificaciones que han sido expuestas a agentes corrosivos en su vida útil ó edificaciones mayores de 50 años, estructuras que presenten deflexiones y agrietamiento, esto debido a las condiciones de carga que pueden ser criticas durante la vida útil de la estructura.

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Edificio Administrativo Edificio de concreto reforzado, que presenta deterioro de resistencia en las columnas del lado izquierdo de la foto

1.2.4. Ampliación y remodelación Al hablar de estos dos términos (en una edificación), debemos tener en mente, de primer instancia, que el funcionamiento estructural de la construcción original y el mecanismo de transmisión de fuerzas se va alterar. Las ampliaciones y remodelaciones se pueden dar en cualquier edificación esto dependiendo de las necesidades del propietario y pueden ser constituidas de otro material que no sea el de la estructura en general. En la etapa de proyecto, se suponen las cargas a las que estará sometida la estructura en su vida útil (Cargas Muertas y Cargas Vivas), siendo las primeras las mas importante en este contexto. Son aquellas con las cuales se diseñan los elementos que la compondrán, sean estos de acero o concreto. Al realizar un trabajo de ampliación, se puede dar el caso de remover partes de la estructura o adicionar elementos que pueden modificar las cargas, lo cual en algunas ocasiones llega a poner en riesgo la estabilidad de la construcción. Por lo tanto y es lógico pensar al momento de crecer una edificación, también las cargas que actuaran sobre ella se incrementaran, lo que obliga al Ingeniero en Seguridad Estructural, a revisar las condiciones actuales del inmueble que se quiera ampliar o remodelar. En una ampliación, la revisión de la capacidad de carga de los elementos estructurales es el primer punto a retomar para sustentar y comprobar la necesidad o no de un reforzamiento, tanto en la Superestructura como en la Subestructura. Como se menciono anteriormente, no solo la presencia de fallas en una estructura es la pauta para un reforzamiento.

COLINDANCIA

Edificio Comercial Proyecto de Ampliación del inmueble de uso comercial. La ampliación tendra lugar en el espacio que corresponde al patio de maniobras

AMPLIACION Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

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1.2.5. Cambio del tipo de uso En el Distrito Federal, como en otras ciudades del país, existe un Reglamento de Construcción, que se encarga de regular todos los lineamientos establecidos para la construcción en el D.F., además de apoyar al diseño de elementos estructurales por medio de formulas que están implementadas en las Normas Técnicas Complementarias. El tipo de uso para el cual esta destinada una estructura por construir, es uno de los tantos factores que influyen para la toma de parámetros de diseño establecidos en estas normas. En el D.F., las estructuras se clasifican en dos grandes grupos (Grupo A, Grupo B), y para cada uno de estos grupos podemos aplicar un Factor de Carga (Fc) diferente; como sabemos el Fc afecta directamente a los elementos mecánicos obtenidos del análisis estructural para el diseño de miembros estructurales.

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Otro parámetro importante que se obtiene partiendo del tipo de uso de la estructura, es el peso de Cargas Vivas (C.V.), las cuales se definen como las fuerzas externas que no tienen carácter permanente y se producen por el uso cotidiano del inmueble. En el reglamento de construcción se da un valor diferente de carga para cada tipo de edificación y su uso, por lo tanto si nosotros cambiamos el uso de un edificio, también estamos alterando las acciones que actuaran sobre el. Las consideraciones anteriores deben hacer reflexión en el Ingeniero, así como en el propietario, de que el buen comportamiento de una estructura también depende en gran medida de las actividades futuras a las que estará sometida una edificación y que el cambio de uso de este, representa un factor potencial de riesgo que puede reflejarse en el deterioro de la resistencia para soportar cargas, de los elementos que constituyen a la estructura. Llevando este a un colapso parcial o incluso total.

MUSEO

ESCUELA

Cambio de Uso Representación gráfica del cambio de tipo de uso de un Museo a una Escuela.

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1.2.6. Tipos de fallas en estructuras de concreto Las fallas se definen como un comportamiento estructural que no concuerda con las condiciones de estabilidad esperadas en los diseño, comportamiento que hace necesarias las reparaciones; las fallas también se pueden definir como un comportamiento que no cumple las funciones a las que estaba destinada la estructura terminada. Las fallas aparecen en todo tipo de estructuras: grandes o pequeñas; altas o bajas; mínimas o monumentales; formando marcos o sencillamente soportadas sobre muros.

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Los miembros estructurales los definimos como los componentes principales que conforman los sistemas estructurales, estos permiten que una estructura este en pie, soportando las solicitaciones impuestas en su diseño además de proporcionar estabilidad y rigidez a la misma. Los miembros estructurales se clasifican en:, Vigas, Columnas y Muros estructurales, Losas apoyadas perimetralmente y, Losas planas y zapatas; además de muros de carga como son Muros de mampostería. Cada uno de los elementos estructurales tiene su propio mecanismo de falla, por tal motivo decidimos clasificar las fallas por elementos estructurales, lo que nos permite ser mas objetivos en la identificación de fallas en la estructura. •

Fallas en vigas

La flexión del elemento viga es el resultado de la deformación causada por los esfuerzos de flexión debida a la carga externa y peso propio del miembro estructural. Conforme se aumenta la carga, la viga soporta deformación adicional, propiciando el desarrollo de las grietas por flexión a lo largo del claro de la viga. Este modo de falla sucede cuando la tensión en la fibra mas esforzada de alguna sección excede la resistencia del concreto a la tensión, comenzando a aparecer grietas. A medida que se incrementa la carga, estas grietas aumentan en numero, en longitud y en abertura. Se puede observar muy claramente la zona de la pieza sujeta a tensión, en la que se presentan las grietas, y la zona sujeta a compresión (parte superior, falla por aplastamiento). A partir de la aparición de las primeras grietas, el comportamiento del elemento ya no elástico y las deflexiones no son proporcionales a las cargas. En las regiones agrietadas, el acero toma prácticamente toda la tensión. En esta etapa, el esfuerzo en el acero aumenta hasta que alcanza su valor de fluencia. Desde el momento en que el acero empieza a fluir, la deflexión crece en forma considerable. Los primeros síntomas de la fluencia del acero son un incremento notable en la abertura y longitud de las grietas. A medida que aumenta la longitud de las grietas, la zona de compresión se va reduciendo, hasta que el concreto en esta zona es incapaz de tomar la compresión y se aplasta.

Viga Simplemente Apoyada La viga presenta un comportamiento de falla por flexión, formandose las grietas de tensión por la parte baja a lo largo del claro. Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

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Viga 1 Viga en el instante de la falla sujeta a compresión y flexión combinadas. Podemos observar que la falla inicial, se da por el aplastamiento del concreto en la zona en compresión.

Viga 2 Nivel de agrietamiento a la ruptura. A simple vista se puede observar que tanto el concreto como el acero, ya han revasado los limites permisibles de deformación. Por esta razón el elemento en estas condiciones es incapaz de resistir algun tipo de carga.

Según la cantidad de acero longitudinal con que esta reforzada la pieza, este puede fluir o no antes de que alcance la carga máxima. Por tal motivo podemos identificar tres tipos de vigas según el tipo de falla, esto es, fluencia del acero o aplastamiento del concreto. A) Sección balanceada. El acero empieza a fluir cuando el concreto alcanza su capacidad última de deformación y comienza a aplastarse. B) Sección sobrerreforzada. La falla ocurre por aplastamiento inicial del concreto. En la iniciación de la falla, la deformación del acero será menor que la deformación de fluencia. Así, el esfuerzo en el acero será menor que su resistencia de fluencia. Dicha condición se lograra utilizando más refuerzo en la cara de tensión que el requerido para la condición balanceada. C) Secciòn subreforzada. La falla ocurre por fluencia inicial del acero. El acero continúa estirándose conforme la deformación en el acero aumenta más allá de la deformación de fluencia. Esta condición se obtiene cuando el área del refuerzo de tensión utilizada en la viga es menor que la requerida para la condición de deformación balanceada.

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Algunos autores como González Cuevas y Robles en su obra Concreto Reforzado-tercera edición, nos mencionan que los términos sobrerreforzado y subreforzado, aplicados al caso de elementos con acero sin un limite de fluencia bien marcado, no tiene mas sentido que el de indicar el grado de ductilidad. En la siguiente representación gráfica, se presentan los esquemas de agrietamiento correspondientes a vigas con diferentes porcentajes de acero. En el caso de un elemento sobrerreforzado, la zona de aplastamiento del concreto es mayor que en el caso de otro subreforzado, y a la falla, las grietas del primero son de longitud y abertura menor.

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Secciones en Vigas

a) SUBREFORZADA

Representación gráfica de los dos tipos de secciones mas comunes en las vigas y los modos en que se presentan las fallas debido a la proporción del acero de refuerzo.

Hablaremos ahora de la fuerza cortante y como es que afecta a las vigas de concreto. El efecto primordial de la fuerza cortante en un elemento de concreto, es el desarrollo de esfuerzos de tensión inclinados con respecto al eje longitudinal del miembro. Son estos esfuerzos los que pueden originar la falla del elemento a una carga inferior a aquella que produciría una falla en flexión. Edward G. Navy en su obra Concreto Reforzado-primera edición, dice que el comportamiento de las vigas de concreto reforzado en el instante de la falla por cortante es muy diferente a su comportamiento por flexión. La falla es repentina sin suficiente aviso previo y las grietas diagonales que se desarrollan son mas amplias que las de flexión. Cuando el elemento esta sometido a una carga ligera no existe diferencia entre el comportamiento de un elemento que falle por efecto de fuerza cortante y el de otro que falle por flexión. Antes de que aparezcan las primeras grietas en la parte inferior, debidas a flexión, el comportamiento del elemento es esencialmente elástico.

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Al incrementarse la carga, la fuerza cortante puede originar esfuerzos principales que exceda la resistencia a tensión del concreto, produciendo grietas inclinadas a una altura aproximada de medio peralte. Estas grietas pueden aparecer súbitamente en puntos donde no exista una grieta de flexión o, muy frecuentemente, pueden presentarse como continuación de una grieta de flexión que gradualmente cambia de inclinación.

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Viga 3 Falla tipica de tensión diagonal a nivel de la carga de ruptura. (Prueba por Nawy y cols.)

Viga 4 Viga sometida a etapas de carga, en donde la grieta principal por tensión diagonal se presenta subitamente despues de 12 etapas de carga.

Existen tres modos de falla en vigas sujetas a fuerza cortante: a) Falla en tensión diagonal: La grieta inclinada puede aparecer súbitamente, sin señal previa, y extenderse inmediatamente hasta causar el colapso de la pieza. b) Falla en compresión por cortante: Puede suceder que el agrietamiento inclinado se desarrolle gradualmente y que el colapso de la pieza se produzca finalmente por el aplastamiento de la zona de compresión en el extremo de la grieta inclinada, al reducirse considerablemente la zona disponible para soportar los esfuerzos de compresión originados por flexión. c) Falla en adherencia por cortante: La resistencia se alcanza cuando se presentan extensos agrietamientos longitudinales al nivel del acero de tensión, simultáneos con un aplastamiento ligero en la zona de compresión en el extremo de la grieta inclinada.

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La diferencia esencial entre ambos tipos de falla consiste en que, en una falla por tensión diagonal, el agrietamiento es súbito y causa de inmediato el colapso de la pieza, mientras que en una falla de compresión por cortante la pieza puede soportar cargas mayores que la que produce el agrietamiento inclinado.

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Grieta inclinada formada súbitamente en una sola etapa de carga

a) Falla en tensión diagonal

Grietas inclinadas formadas gradualmente en varias etapas de carga

Acción de Fuerza Cortante en Vigas Las siguientes figuras son una representación esquemática de los diferentes tipos de falla en elementos en los que predomina la fuerza cortante.

b) Falla en compresión por cortante

Grietas inclinadas formadas gradualmente en varias etapas de carga

c) Falla en adherencia por cortante

Continuando con otro modo de falla en las vigas, estudiaremos en este contexto como afecta a los elementos estructurales la Torsión. La torsión ocurre en construcciones monolíticas de concreto principalmente donde la carga actúa a una distancia del eje longitudinal del miembro estructural. Algunos ejemplos de elementos estructurales sujetos a momentos torsionantes son: una viga de extremo en un tablero de piso, una viga de borde cargada en un extremo, vigas perimetrales que circundan una abertura de piso o una escalera helicoidal. Como inicio hablaremos del modo de falla de vigas de concreto simple. En una viga de concreto simple, la falla ocurre súbitamente para valores pequeños del ángulo de giro; es una falla de tipo frágil, similar a la de una viga ensayada a flexión. Esta inicia al formarse una grieta inclinada de tensión en una de las caras mayores de la viga. Esta grieta se abre rápidamente y se extiende a las caras menores de la viga. La falla ocurre finalmente por aplastamiento del concreto en la cara mayor opuesta.

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Viga de mortero Viga de mortero simple en torsión pura: (arriba) vista superior; (Abajo) vista inferior. (Prueba en la Universidad de Rutgers: Law, Nawy y cols..)

En vigas con refuerzo transversal y longitudinal, las primeras grietas torsión se forman en una de las caras mayores. posteriormente cuando alcanza la resistencia al momento torsionante del elemento, el concreto la cara mayor del elemento, opuesta a la cara con grietas de tensión, aplasta, y el acero puede estar fluyendo o no según su porcentaje.

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Viga de yeso Viga de yeso reforzada a la falla en torsión pura. (Prueba en la Universidad de Rutgers: Law, Nawy y cols..)

La torsión raramente ocurre en las estructuras de concreto sin que este acompañada por flexión y cortante.

Vigas de concreto reforzado Acercamiento de las grietas por torsión en vigas de concreto reforzado. (Tomas T. C. Hsu.)

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Fallas en columnas

Las columnas son los miembros verticales a compresión de los marcos estructurales, que sirven para apoyar a las vigas cargadas. Puesto que las columnas son elementos a compresión, la falla de una columna en un lugar critico puede causar el colapso progresivo de los pisos concurrentes y el colapso total último de la estructura completa. Debido a que casi siempre las estructuras son continuas, la carga axial se encuentra actuando simultáneamente con momentos flexionantes, siendo la primera la que ocasionalmente domine.

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Falla en columnas Desplome parcial del edificio, debido a la falla en las columnas ubicadas en el segundo nivel.

A medida que la carga en una columna se incrementa, el agrietamiento se intensifica en los lugares de los amarres transversales, en toda su altura. Esto en el estado limite de falla, el recubrimiento de concreto de las columnas con estribos o la capa que cubre las espirales de las columnas confinadas con espirales, se desprende y las varillas longitudinales quedan expuestas. Las cargas adicionales conducen a la falla y al pandeo local de las varillas longitudinales individuales, en las partes sin soporte entre los estribos. Se debe notar que en el estado limite de falla, el recubrimiento de concreto del refuerzo se desprende primero antes de que se destruya la adherencia.

Columna 1 Desprendimiento y caida del concreto, exposición de acero de refuerzo longitudinal en una zona grande.

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Según Jack C. McCormac en su obra Diseño de Concreto Reforzado4ª.Edición, las columnas de concreto pueden clasificarse en las tres siguientes categorías: Pedestales cortos a compresión. Si la altura de un miembro a compresión es menor que 3 veces su dimensión lateral más pequeña, puede considerarse como un pedestal. El ACI. Establece que un pedestal puede estar diseñado con concreto simple o sin refuerzo.

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Columnas cortas de concreto reforzado. Si una columna de concreto reforzado falla debido a la falla inicial del material, se clasifica como columna corta. La carga que puede soportar esta regida por las dimensiones de su sección transversal y por la resistencia de los materiales de que está hecha. Una columna corta es un miembro robusto con poca flexibilidad. Columna largas o esbeltas de concreto reforzado. Conforme crecen las relaciones de esbeltez, las deformaciones por flexión también crecerán, así como los resultantes momentos secundarios. Si esos momentos son de tal magnitud que reducen apreciablemente la capacidad a carga axial de la columna, ésta se denomina larga o esbelta. Estos momentos secundarios se presentan cuando una columna se flexiona o deflexiona lateralmente en una cantidad ∆, su carga axial genera un momento adicional igual a P∆ (Carga por Deformación). Existen distintos tipos de sección para columnas, como las cuadradas, rectangulares (las cuales en su armado transversal se utiliza estribos), octogonales, redondas, en L y muchas otras más. En el caso de columnas circulares es muy común sujetar el acero longitudinal por medio de zunchadas (con espirales). Si una columna corta con estribos se carga hasta fallar, parte del recubrimiento de concreto se desprenderá y a menos que los estribos estén poco separados entre sí, las barras longitudinales se pandearán inmediatamente al desaparecer su soporte (el recubrimiento de concreto). Tales fallas pueden ocurrir en forma repentina y por lo visto han ocurrido con frecuencia en estructuras sometidas a cargas sísmicas. Cuando las columnas zunchadas se cargan hasta fallar, la situación es muy diferente. El recubrimiento de concreto se desconchará pero el núcleo permanecerá en pie y si el zunchado es de paso pequeño, el núcleo es capaz de resistir una apreciable cantidad adicional de carga, más allá de la carga que origina el desconchamiento. El zunchado con paso reducido junto con las barras longitudinales forman una jaula que confina en forma muy efectiva al concreto. En consecuencia, el desconchamiento del recubrimiento de una columna zunchada da aviso de que ocurrirá una falla si la carga se sigue incrementado. Las columnas se flexionarán bajo la acción de los momentos y éstos tienden a producir compresión en un lado de las columnas y tensión en el otro. Según sean las magnitudes relativas de los momentos y las cargas axiales, existen varias maneras en que las secciones puedan fallar. El siguiente esquema muestra una columna que soporta una carga Pn. En las diversas partes de la figura, la carga se coloca cada vez con mayor excentricidad hasta que finalmente la columna se ve sometida a un momento flexionante de tal magnitud que el efecto de la carga axial se vuelve despreciable.

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(a ) Una ca rga a xia l gra nde que provoca fa lla de l concre to por a pla s ta mie nto con toda s la s ba rra s a lca nza ndo s u flue ncia e n compre s ion.

(b) Ca rga a xia l gra nde y un mome nto pe que ño pe ro toda la s e cción tra ns ve rs a l a compre s ión. La fa lla ocurre por a pla s ta mie nto de l concre to y toda s la s ba rra s tra ba ja n a compre s ión.

(c) Ca rga a xia l gra nde con mome ntos ma yore s que e n (b). La s ba rra s e n e l la do opue s to a la ca rga e s tá n a te ns ión s in lle ga r a e s fue rzo de flue ncia . La fa lla ocurre por a pla s ta mie nto de l concre to.

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Falla en Columna por carga axial y flexión Patron de falla en columnas sometidas a carga con distinta excentricidad. Se nota en primera instancia que una columna puede fallar por carga axial o momento flexionante .

(d) Condición de ca rga ba la nce a da la s ba rra s de te ns ión a lca nza n s u e s fue rzo de flue ncia a l mis mo tie mpo que e l concre to e n e l la do a compre s ión que fa lla a 0.85 f´c por a pla s ta mie nto.

(e ) Un mome nto gra nde con ca rga re la tiva me nte me nor; la fa lla s e inicia por flue ncia de la s ba rra s a te ns ión.

(f) Mome nto de fle xión gra nde . La fa lla ocurre como una viga .

Flexocompresión en columna Agrietamiento tipico de una columna fallada por efecto de la flexocompresión. Se puede observar en el diagrama que la zona en tensión presenta agrietamiento y en la zona a compresión se produce un aplastamiento del concreto

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100 % de ca rga a xia l Intituto Politécnico Nacional

A D

Diagrama de interacción de columnas

Ca rga a xia l Pn

Re gión de la fa lla a compre s ión

Zona de compre s ión ga Ca r

an Ba l

ce a

da

B

Zona de te ns ión 0

Re gión de la fa lla a te ns ión C

El siguiente diagrama de interacción nos muestra las diferentes etapas de resistencia de una columna con proporciones variables de carga axial y momento. Si una columna se carga hasta la falla con sólo carga axial, la falla ocurrirá en el punto A del Diagrama. En el fondo de la curva, el punto C representa la resistencia por flexión del miembro sometido solo a momento. El punto B se llama punto balanceado y representa el caso de la carga balanceada.

Re s is te ncia a fle xión de l mie mbro Mome nto Mn

Como podemos observar en el contexto las fallas ocasionadas a las columnas normalmente ocurren por compresión, flexión y la combinación de ambas, flexocompresión. Pero tambien se pueden presentar otro tipo de fallas y agrietamientos en columnas, estos ocasionados por la acción inmediata y sin previo aviso de las fuerzas horizontales o laterales; como son: Agrietamiento por flexo-cortante, Agrietamiento por cortante, Agrietamiento por adherencia y Agrietamiento por efecto de dovela. Al respecto a estos tipos de agrietamientos, el Cuaderno de Investigación No. 37, de las Normas para la Evaluación del Nivel de Daño por Sismo en Estructuras y Guía Técnica de Rehabilitación, define los daños en columnas y/o muros estructurales en la siguiente clasificación: “aplastamiento” cuando el concreto presenta agrietamiento o indicios de falla por aplastamiento, condición ante la que si se golpea el elemento estructural, el concreto se puede desprender; “desprendimiento y caída” debido a la falla por aplastamiento o agrietamiento severo, el concreto se desprende y cae. Como referencia, las siguientes figuras, se presentan fenómenos de aplastamiento, desprendimiento y caída del concreto precedidos de agrietamiento en el elemento estructural. La clasificación, y contenido del daños en columnas y muros para cada caso se muestra.

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Agrie ta mie nto por fle xión

Agrie ta mie nto por fle xión

Agrie ta mie nto por fle xo-corta nte

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Agrie ta mie nto por corta nte

Agrie ta mie nto por corta nte

Agrie ta mie nto por a dhe re ncia

Agrie ta mie nto por fle xo-corta nte Agrie ta mie nto por fle xión

En los diagramas se observan los tipos de agrietamientos que se pueden presentar en las columnas y muros estructurales, por la acción de un sismo sobre la estructura.

Agrie ta mie nto por e fe cto de dove la Agrie ta mie nto por corta nte

Patron de Agrietamiento

Agrie ta mie nto por corta nte

El agrietamiento observado en el concreto en la parte media de los elementos estructurales columna y/o muro, cuando son sometidos a cargas horizontales, será diagonal y en gran cantidad, denominandosele agrietamiento por cortante. Refiriendonos al Cuaderno de Investigación no. 37, se comenta que despues de ocurrir el agrietamiento inicial en las columnas, se presenta un fenomeno de aplastamiento, desprendimiento y caida del concreto, en la cual gran parte del acero de refuerzo, queda al descubierto.Así mismo nos comenta que aun existiendo desprendimiento de concreto en los extremos de la columna el daño puede o no ser lo suficientemente severo para la aparición de perdida de adherencia entre el acero de refuerzo longitudinal y el concreto del nucleo. En los siguientes diagramas se observa el patrón de los fenomenos de aplastamiento, desprendimiento y caida del concreto

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F a lla p o r a p la s ta m ie n to d e s p re n d im ie n to y c a id a

De s p re n d im ie n to y c a id a d e l c o n c re to d e re c u b rim ie n to

De s p re n d im ie n to y c a id a d e l c o n c re to d e re c u b rim ie n to , fa lla p o r a p la s ta m ie n to

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De s p re n d im ie n to y c a id a d e l c o n c re to d e re c u b rim ie n to

Patron de falla en Recubrimientos

De s p re n d im ie n to y c a id a d e l c o n c re to d e re c u b rim ie n to

F a lla p o r a p la s ta m ie n to , d e s p re n d im ie n to y c a id a d e l c o n c re to d e re c u b rim ie n to

En los diagramas de columnas y/o muros, se observa el fenomeno de aplastamiento, desprendimiento y caida del concreto, posteriores al agrietamiento.

• Fallas en Losas apoyadas perimetralmente Las losas son elementos estructurales cuyas dimensiones en planta son relativamente grandes en comparación con su peralte. Las acciones principales sobre las losas son cargas normales a su plano, ya que se usan para disponer de superficies útiles horizontales como los pisos de edificios o las cubiertas de puentes. En ocasiones, además de las cargas normales actúan cargas contenidas en su plano, como es el caso de losas inclinadas, en las que la carga vertical tiene una componente paralela a la losa, o cuando la losa actúa como un diafragma horizontal que una marcos verticales de distinta rigidez o sujetos a fuerzas horizontales diferentes. En este caso enunciaremos el tipo mas sencillo de losas, apoyadas sobre vigas, y sus posibles fallas que se pueden presentar en ellas, que a su vez se dividen en losas en una dirección y en dos direcciones. Como inicio, se sabe de sobremanera que los esfuerzos producidos por flexión, contracción y cambios de temperatura son los que afectan directamente a la losa, por razones antes mencionadas, esto nos da la pauta para deducir que los esfuerzos producidos por fuerzas horizontales no son de gran afectación a este tipo de elemento estructural.

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El modo de falla por flexión de losas en una dirección es muy similar a la falla por flexión en vigas, por tal motivo nos enfocaremos a las losas que trabajan apoyadas perimetralmente ó en dos direcciones. La siguiente grafica de carga-deformación de una losa, en la cual actúa una carga al centro del claro, nos marca las distintas etapas de falla del elemento.

P

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C

A

D

Re s is te ncia

B Inicio de la flue ncia de l re fue rzo

Cola ps o

Agrie ta mie nto

Grafica carga- deflexión De una losa

0

a

A) Una etapa lineal O-A, en la que el agrietamiento del concreto en la zona de esfuerzos de tensión, es despreciable. B) La etapa A-B, en la que existe agrietamiento del concreto en la zona de tensión y los esfuerzos en el acero de refuerzo son menores que el límite de fluencia. C) La etapa B-C, en la que los esfuerzos en el acero de refuerzo sobrepasan el límite de fluencia. D)

La etapa C-D representa el colapso de la estructura. Configuraciones de agrietamiento para distintos valores de la carga aplicada

Ca rga pe que ña

Ca rga re gula r

Ca rga a lta

Ca rga de fa lla

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Losa de concreto reforzado Agiretamiento por flexión en una losa restringida de concreto refrozado, de un solo tablero. (Prueba por Nawy y col.)

Losa en la ruptura Losa rectangular de concreto en la ruptura. (Pruebas por Nawy y col.)

•

Losas planas y zapatas

Otros tipos de losas que se utiliza en edificaciones, son las llamadas losas planas. Son aquellas que se apoyan directamente sobre las columnas, sin la intervención de vigas. En este tipo de losas se presenta un efecto de falla diferente a las mencionadas anteriormente, el llamado cortante por penetración. El siguiente esquema representa la gráfica carga-deformación al centro de uno de estos elementos. En general si se tiene un elemento relativamente esbelto y dúctil, se pueden desarrollan 3 etapas: A) Del origen al punto A. En esta etapa el comportamiento es aproximadamente lineal, hasta que se presentan los primeros agrietamientos en la cara de tensión de la losa.

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B) En esta etapa, comprendida entre los puntos A y B, se alcanza la primera fluencia del refuerzo horizontal de tensión y el agrietamiento se extiende por la losa. Simultáneamente pueden presentarse grietas inclinadas que van del acero de tensión hacia la periferia de la superficie cargada, formando una pirámide o cono truncado alrededor de esta superficie.

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C) Al final de esta etapa se alcanza la resistencia (punto C) y se produce el colapso final por penetración de la columna a través de la losa, con una superficie de falla en forma de pirámide o cono truncado.

CARGA, P.

Re s is te ncia C

P rime ra flue ncia B de l re fue rzo

A P rime ros a grie ta mie ntos

Grafica carga-deformación De una losa plana o zapata.

DEFORMACION, a.

Dependiendo de la relación entre el claro y el peralte de la losa, o de la relación entre el área de la losa y el área de la superficie de aplicación de carga y de la cantidad de acero longitudinal de flexión, la falla por perforación puede presentarse antes o después de que fluya el acero longitudinal. En otras palabras, en una losa de poca esbeltez y con mucho acero longitudinal no se podrán desarrollar más que la etapas 0A y AB de la curva decrita anteriormente. Incluso, puede suceder que la columna perfore la losa antes de que se alcance el punto B, aunque este caso es poco probable para las dimensiones usuales en la practica. Los edificios que poseen un sistema estructural a base de losas planas pueden fallar en cortante por penetración, o por flexión. Hablando solo del cortante por penetración, consiste en la penetración de la columna dentro de la losa formándose un cono o pirámide truncada. En la siguiente figura (a) se tiene como ejemplo una losa conectada con una columna de borde; en este caso, además de carga axial, se transfiere un momento flexionante de la losa a la columna. Posteriormente en la (b) se muestra el estado típico de agrietamiento al producirse la falla en este tipo de elementos; se puede observar que también se desarrollan grietas de torsión originadas por la transferencia de momentos flexionantes.

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Grie ta s s upe rficia le s Grie ta s de tors íon

S upe rficie de fa lla Intituto Politécnico Nacional

Losa plana de borde

Columna Mome nto fle xiona nte

Espeímen de ensaye y configuración de agrietamiento en una losa conectada a una columna de borde. (Concreto Gonzalez Robles)

(a)

Reforzado, Cuevas

(b)

Cuando el colapso por perforación se presenta después de que la losa a sufrido un agrietamiento considerable, y después de que el acero longitudinal a fluido, el tipo de falla puede clasificarse como de flexión y se caracteriza por una deformación importante. Independientemente de la magnitud de la deformación a la falla, el colapso final se presenta siempre por perforación de la columna a través de la losa, y la superficie de falla tiene forma de una pirámide o de un cono truncado. Lo anterior indica que existe siempre una etapa previa al colapso final, en la cual se desarrollan grietas inclinadas alrededor de la superficie cargada, hasta que se forma una superficie de falla. Fa lla por pe rfora ción

Zapata Aislada Representación gráfica de la falla por penetración en zapatas. Se puede observar que la superficie de falla tiene la forma de una pirámide o de un cono truncado.

Agrie ta mie nto inclina do

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•

Muros de mamposteria

La mampostería reforzada, se ha empleado desde los años 60 en la construcción de estructuras, sobre todo aquéllas destinadas a habitación. A lo largo del tiempo, en nuestro país los sistemas constructivos basados en muros de carga han sido la solución más conveniente para vivienda económica multifamiliar de baja o mediana altura en las que se requiere una subdivisión del área total en pequeños espacios.

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En los Informes técnicos sobre comportamiento de muros de mampostería ante cargas laterales, editados por el CENAPRED, indican que las construcciones de mampostería se basan, generalmente, en sistemas estructurales de muros con resistencia a carga vertical que toman simultaneamente el cortante lateral. En dichos sistemas también son necesarios elementos estructurales horizontales (losas y trabes), para transmitir las solicitaciones verticales de la estrcutura, mediante un trabajo a flexión, hacia los muros de carga que quedan sujetos, entonces, a compresión vertical. Durante un sismo, se presentan fuerzas ineciales en la estructura. Entonces, las losas trabajan como diafragmas horizontales rígidos y los muros deben resistir las fuerzas de corte y flexión que les impone el movimiento del terreno. El efecto de cargas laterales se puede considerar como la superposición de la flexión general de cada muro y del efecto de las restricciones al desplazamiento y a la rotación que el sistema de piso induce sobre el mismo. Para bajos niveles de carga lateral, el equilibrio del muro supuesto como doblemente empotrado, se logra con la presencia de dos momentos flexionantes en el plano del muro, uno en su base y otro en la parte superior. Para cargas laterales significativas, aparecen grietas en las zonas de tensión por lo que el muro no puede suponerse con las mismas condiciones de frontera y el equilibrio del mismo se establece mediante un corrimiento de la resultante a compresión. El corrimiento de la resultante provoca la aparición de fuerzas internas verticales adicionales haciendo que el muro falle por cortante debido a tensión diagonal o por flexión debida a una compresión vertical en el extremo comprimido del muro, lo que ocurra primero. Con el agrietamiento del muro, ocasinado a veces por la flexibilida de la estructura, se presentan concentraciones importantes de esfuerzos en las esquinas del marco de confinamiento que aceleran la penetración de la grieta diagonal en la columna. Si la columna se daña, la estructura se debilita drásticamente reduciendo su rigidez y capacidad de carga vertical y lateral. En muros de carga, las fallas se deben a la fragilidad del material, a la falta de liga entre los elementos y a la falta de confinamiento. En este tipo de estructuras, la aparición de una grieta diagonal está seguida de la falla del elemento y, en ocasiones, de un colapso total si no existe confinamiento. La existencia de elementos de confinamiento mejora en mucho el comportamiento de estructuras a base de muros de carga, ya que la presencia de una mejor liga y el propio confinamiento obligan a que las eventuales grietas diagonales se mantengan con anchuras reducidas aun después de varias repeticiones de carga (Hernández y Meli, 1976).

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Edificio de Interes Social Edificio de mampostería reforzada de 4 pisos. Colapso del primel nivel.

Agrietamiento Diagonal La siguiente fotografía presenta un muro sin confinamiento en los extremos, el cual fue sometido a carga lateral. Produciendose un agrietamiento diagonal.

Muro confinado Modelo sin refuerzo horizontal. Falla tipica por tensión diagonalcortante caracterizada por grietas inclinadas en forma de X. El mecanismo del colapso se formó al penetrar las grietas inclinadas en los extremos de los castillos.

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1.3. Reglamento de construcción y Normas relativas al desarrollo de proyectos de reforzamiento •

México

A partir del año de 1985, después de los desafortunados eventos sucedidos en la Ciudad de México, ocasionados por el sismo, el Reglamento de Construcción del Distrito Federal fue sujeto a revisiones para actualizar y mejorar los criterios de diseño en elementos estructurales. Esto se hizo para dar mayor seguridad a la edificación por la presencia de alguna acción externa que pueda dañar su estabilidad. Cabe mencionar que a partir del sismo, se ha planteado la decisión de revisar el Reglamento cada 10 años.

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Algunas organizaciones dedicadas a la investigación, como son: El Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED) y El Instituto de Ingeniería de la UNAM, han dedicado tiempo para estudiar las causas, comportamiento y efectos que tiene un sismo sobre una estructura, con el fin de reducir el número de pérdidas humanas y materiales. Estos estudios se reflejan en Informes Técnicos y Cuadernos de Investigación los cuales retomaremos mas adelante. Lo importante en este contexto es que los estudios de investigación realizados son utilizados para dar soporte técnico al aplicar Diagnósticos Estructurales en edificaciones, y así poder cubrir algunos lineamientos establecidos en el R.C.D.F. ó para mejorar los criterios de diseño de elementos estructurales. El Reglamento maneja en su Titulo Sexto (Seguridad Estructural), Capitulo IX (Construcciones Dañadas), Artículos 233 al 236; regulan las actividades por realizar el propietario, para reducir los riesgos de un colapso parcial o total en su edificación. Art. 233. Todo propietario o poseedor de un inmueble tiene obligación de denunciar ante el Departamento los daños de que tenga conocimiento que se presenten en dicho inmueble. Art. 234. Los propietarios o poseedores de Edificaciones que presenten daños recabarán un dictamen de estabilidad y seguridad por parte de un Corresponsable en Seguridad Estructural. Hablando de este rubro si el dictamen demuestra que la estabilidad y el buen funcionamiento del inmueble esta en riesgo, el propietario estará obligado a llevar acabo las obras de refuerzo y rehabilitación correspondientes para dar seguridad a la edificación. Art. 235. El proyecto de refuerzo estructural de una edificación, con base en el dictamen a que se refiere el articulo anterior, debera cumplir con lo siguiente: I. Deberá proyectarse para que la edificación alcance cuando menos los niveles de seguridad establecidos para las edificaciones nuevas en este Reglamento. II. Deberá basarse en una inspección detallada de los elementos estructurales, en la que se retiren los acabados y recubrimientos que puedan ocultar daños estructurales. III. Contendrá las consideraciones hechas sobre la participación de la estructura existente y de refuerzo en la seguridad del conjunto, así como detalles de liga entre ambas.

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IV. Se basará en el diagnóstico del estado de la estructura, y en la eliminación de las causas de los daños que se hayan presentado. V. Deberá incluir una revisión detallada de la cimentación. VI. Será sometido al proceso de revisión que establezca el Depto.

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Art. 236. Antes de iniciar las obras de refuerzo y reparación, deberá demostrarse que el edificio dañado cuenta con la capacidad de soportar las cargas verticales estimadas y 30 % de las laterales que se obtendrían aplicando las presentes disposiciones con las cargas vivas previstas durante la ejecución de las obras. •

Japón

A partir del año 1972, durante cinco años, se desarrollo una investigación sobre nuevas metodologías de diseño antisísmico de edificios como parte del proyecto para el desarrollo de tecnología del Ministerio de la Construcción; en consecuencia se logró alcanzar tecnología antisísmica de alto nivel a escala mundial. El fruto del proyecto se plasmó en la realización y edición del nuevo código de diseño antisísmico, puesto en vigor a partir del primero de junio de 1981; desde entonces, ha contribuido a elevar el nivel de la seguridad antisísmica de los edificios. El Centro Japonés de Seguridad de Edificios Especiales (actualmente la Asociación Japonesa de Prevención de Desastres en Edificios), ha publicado la Guía de Diseño para Reparación Antisísmico de Edificios Existentes de Concreto Reforzado, para corresponder a la necesidad de mejorar el comportamiento antisísmico de las estructuras existentes. En México por medio del CENAPRED y con apoyo del citado Centro Japonés, lo anterior se refleja en el Cuaderno de Investigación No. 37 (Norma para la Evaluación del Nivel de Daño por Sismo en Estructuras y Guía Técnica de Rehabilitación). Este proceso de la tecnología antisísmica tiende a disminuir el riesgo de perdidas de vidas por falla y derrumbe de edificios. Para mejorar la seguridad antisísmica de edificios existentes, por este mismo Centro Japonés en abril de 1977, se publicó la Norma de Evaluación del Comportamiento Antisísmico de Edificios Existentes de Concreto Reforzado, indicando los procedimientos para evaluar el comportamiento y la capacidad antisísmica de edificios existentes. La cual se refleja en el Cuaderno de Investigación No. 39 (Normas y Comentarios para la Evaluación del Comportamiento Ante Sismo de Estructuras Existentes de Concreto Reforzado).

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Evaluación o diagnostico de estructuras pertenecientes a edificaciones civiles

Hoy en nuestros días y gracias al avance tecnológico en materia de seguridad estructural, podemos encontrar diversos criterios elaborados por distintas instituciones y autores para aplicar una evaluación estructural. Dependiendo de las necesidades del propietario del inmueble y de las condiciones en las cuales el trabajo de evaluación se pueda realizar, se elegirá la metodología mas adecuada por aplicar para obtener un resultado con mayor precisión en el estudio de seguridad estructural de la edificación. Una evaluación estructural, en un concepto generalizado, lo podemos definir como el proceso de investigación mediante el cual se determinaran las condiciones de trabajo y seguridad en la estructura. Como mencionamos anteriormente esta evaluación estructural se enfocará a edificaciones las cuales su sistema estructural sea a base de elementos de concreto reforzado; Además, de enfocarse al daño estructural que se presenta por la ocurrencia de algún evento extraordinario (SISMO). Por tal motivo lo que se pretende al realizar este trabajo de investigación, es dar a conocer una metodología que podrá ser aplicada para realizar en determinado momento una evaluación estructural de la Capacidad SismoResistente actual en un edificio, usando el Reglamento de Construcción del Distrito Federal. Esta metodología se basa en lo visto y recopilado que los autores proporcionan en sus obras. No obstante, no podemos dejar a un lado otro fenómeno de enorme afectación directa a elementos de concreto reforzado, nos referimos a la corrosión del acero de refuerzo. La posible oxidación y corrosión del acero en una estructura, puede ocasionar un colapso total del inmueble, lo cual obliga al Ingeniero Estructurita a tomar medidas preventivas y correctivas para el mantenimiento y buen funcionamiento de la edificación. La evaluación estructural, dependiendo del enfoque que se le de, en un principio requiere de la recopilación de información que refleje las características actuales referentes al inmueble en estudio, lo cual se presenta en una Evaluación Preliminar, posteriormente y con un grado mayor de investigación se realiza una Evaluación a Detalle, y si aun existe duda del comportamiento de la estructura o el organismo dependiente que se encarga de regular la construcción así lo indique, se realizara una evaluación de mayor precisión haciendo uso de Métodos de Análisis Estructural apoyado en un modelamiento por computadora del inmueble.

2

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2.1. Técnicas de evaluación preliminar en una estructura 2.1.1. Visita de inspección preliminar La inspección preliminar consiste en una revisión ocular de toda la estructura para lograr la identificación de los daños existentes, así como para poder comprender el sistema estructural y su comportamiento ante sismo. Durante la inspección deberán tomarse las medidas de seguridad elementales, procurando evitar las zonas de colapso inminente. El uso de caso es obligado.

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Para una correcta evaluación de los daños y sus causas es necesario identificar el sistema estructural utilizado en el edificio en estudio. Deberá por lo tanto investigarse cual fue el sistema empleado: marcos rígidos con o sin contravientos, con sistemas de piso de vigas y losas o de losas planas sin vigas, macizas o aligeradas; muros de concreto reforzado; muros de mampostería con o sin contravientos; elementos precolados; o alguna combinación de los sistemas anteriores. También es importante tomar nota del sistema de cimentación empleado: zapatas aisladas o corridas; sistemas reticulares total o parcialmente compensados; pilotes de fricción o de punta, o alguna combinación de estos sistemas. Después de la ocurrencia de un evento sísmico los técnicos y profesional de Arquitectura e Ingeniería Civil deberán enfocar sus esfuerzos en la inspección y descripción del tipo de daño en los edificios para su localización y cuantificación, lo que puede implicar retirar parte de los acabados (daños tales como: los problemas de asentamiento y desplomo, las condiciones y características del daño en los elementos estructurales, la posible caída o volcamiento de objetos y elementos no-estructurales). Finalmente, con base en los resultados de la evaluación se emitirá un dictamen sobre la necesidad de rehabilitar la estructura. La realización de equipo: • • • • • • • • •

estas operaciones de inspección requiere el siguiente Casco Cinta métrica Plomada o nivel Martillo y cincel o desarmador Linterna Cámara fotográfica Binoculares Grietómetro (Fig. 1) Tabla de apoyo y formas de inspección Fig. 1 Grietómetro Este se utiliza medir anchos grietas.

para de

Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0

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2.1.2. Conceptos a investigar en la evaluación preliminar Se investigará el estado o la condición del edificio en su conjunto por problemas de asentamiento, desplomo y daño en elementos estructurales. En la revisión de los elementos estructurales, basta centrarse en el nivel o en el entrepiso o entrepisos mas dañados. Asimismo se deberá revisar a los elementos no-estructurales que exhiban daño importante y tengan riesgo de caída o volcamiento. Tal es el caso de las chimeneas, apéndices en azoteas, escaleras de emergencia, acabados de fachada, etc. Finalmente se deberá investigar la existencia de la memoria de cálculo y planos de diseño arquitectónico y estructural.

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Para sistematizar el acopio de la información, es indispensable el uso de formas prediseñadas que reflejen las condiciones actuales de la estructura, las cuales deben contener en un aspecto general. • • • • • • •

Identificación del edificio Identificación del sistema estructural Identificación de daños en elementos estructurales Identificación de daños en elementos no estructurales Identificación de problemas de estructuración Identificación de problemas de cimentación Estimación de la posible causa de los daños

En el siguiente capitulo se mostraran algunas de las formas de evaluación preliminar utilizadas para la clasificación de daños estructurales. Para recabar la información, es conveniente formar brigadas de dos elementos: un ingeniero estructurista, quien deberá clasificar los daños, llenar las formas y elaborar las recomendaciones, y un auxiliar para efectuar las mediciones pertinentes. La inspección se iniciará con la observación de la estructura desde el exterior. No debe entrarse a la construcción si se considera que no existen las condiciones de seguridad adecuadas. Las fotografías de los daños, tanto en los elementos estructurales como en los que no lo son, constituyen una información importante para el análisis posterior de la estructura, pues esta evidencia puede alternarse o desaparecer muy pronto con las primeras acciones de rehabilitación temporal o definitiva. En el primer capitulo se expuso de una forma independiente los tipos de fallas en los elementos de concreto que conforman los sistemas estructurales; sin embargo, trabajando en conjunto los miembros estructurales el modo en que se presentan los daños difiere del daño cuando se presenta solo el elemento, haciendo un poco difícil su descripción en el modo de falla, Se sugiere consultar bibliografías para tener una perspectiva mas amplia respecto al tema en cuestión. Con lo anterior se puede tener un perspectiva preliminar y ya se puede observar la conveniencia de hacer un estudio mas profundo para tomar decisiones sobre que hacer con la estructura.

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2.1.3. Formatos a aplicar para diagnostico preliminar después de un siniestro. Los formatos de evaluación preliminar que a continuación se enumeran, tienen su propia metodología de aplicación y criterios de evaluación, lo cual no difiere mucho uno de otro, sin embargo, si se desea conocer en su totalidad la metodología de investigación se tendrá que dirigir al documento en especifico. Para el presente trabajo de tesis, se esta aplicando un criterio generalizado de investigación y evaluación, tomando lo mas importante y representativo de cada una de las metodologías de investigación; sin embargo y como un complemento a este trabajo, se adjunta a los formatos de evaluación preliminar la metodología de aplicación para cada uno de estos. •

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Formatos de evaluación preliminar

a) Guía practica para la evaluación estructural de edificios dañados. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto (IMCYC), Marzo de 1987. Anexo 1 b) Norma para la evaluación del nivel de daño por sismo en estructuras y guía técnica de rehabilitación, Cuaderno de Investigación No. 37. Centro Nacional de Prevención de Desastres, Diciembre de 2001. Anexo 2 c) Formato de evaluación estructural Instituto Politécnico Nacional. Anexo 3 d) Formatos aplicados por Protección Civil. Anexo 4

2.1.4. Clasificación y evaluación preliminar de los daños Para la evaluación de las estructuras se utilizará la clasificación de daños de la siguiente Tabla 1. El ingeniero deberá aplicar su criterio para determinar el tipo de daño de acuerdo con la cantidad de elementos dañados y la importancia de cada uno de ellos para la estabilidad de la estructura. Los criterios de evaluación del inmueble son los siguientes: I.Daño no estructural. No existe reducción importante en la capacidad sismoresistente. No se requiere desocupar. La reparación podrá limitarse a la restauración de los elementos no estructurales. II.Daño estructural ligero. No existe reducción de la capacidad sismoresistente. No se requiere desocupar. La reparación consistirá en la restauración de los elementos dañados. III.Daño estructural fuerte. Existe una reducción en la capacidad sismoresistente. Debe desocuparse y mantenerse sólo el acceso controlado, previo apuntalamiento. Es necesario realizar un proyecto de reparación para la restauración y el refuerzo de la estructura. IV.Daño estructural grave. Existe una reducción importante en la capacidad sismo-resistente. Debe desocuparse y suprimirse el acceso y la circulación en la vecindad. Es necesario proteger la calle y las construcciones colindantes mediante el apuntalamiento o proceder a la demolición urgente. De ser posible, deberá recurrirse a una evaluación definitiva que permita decidir si procede la demolición o bien, la restauración y el refuerzo de la estructura.

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Tabla 1. Clasificación de daño causado por sismo Reparación de estructuras de concreto y mamposteria Oscar M. González Cuevas Intituto Politécnico Nacional

Tipo de daño No Estructural

Estructural Ligero

Estructural Fuerte

Estructural Grave

Descripción •

Daño únicamente en los elementos

• Grietas de menos de 0.5 mm de ancho en los elementos de concreto (Fisuras ≤ 0.4 mm) • Fisuras y caída de aplanados en paredes y techos • Grietas de menos de 3 mm de ancho en muros de mampostería • Desplome de la construcción de menos del 1 % de su altura • Hundimiento o emersión de menos de 20 cm

• Grietas de 0.5 a 1 mm de ancho en elementos de concreto • Grietas de 3 a 10 mm de ancho en muros de mampostería • Desplome de la construcción del 1 % al 2 % de su altura • Hundimiento o emersión de 20 a 40 cm

• Grietas de más de 1 mm de ancho en elementos de concreto • Desprendimiento del recubrimiento en columnas • Aplastamiento del concreto, rotura de estribos y pandeo del refuerzo en vigas, columnas y muros de concreto • Agrietamiento de losas planas alrededor de las columnas • Aberturas en muros de mampostería • Desplome en columnas • Desplome de la construcción de más del 2 % de su altura • Hundimiento o emersión de más de 40 cm

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2.1.5. Rehabilitación temporal Si como los resultados de la evaluación preliminar de daños se concluye que no es necesaria la demolición inmediata de la estructura, deberá definirse las medidas de emergencia apropiadas para garantizar protección temporal mientras se lleva a cabo el estudio de la rehabilitación definitiva.

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Estas medidas tienen por objeto aliviar la carga vertical sobre los componentes estructurales dañados y proteger la estructura contra las acciones laterales debidas a posibles réplicas del sismo, disponiendo elementos de apoyo y de contraventeo provisionales. El propósito de la rehabilitación temporal es proporcionar resistencia provisional a aquellos elementos y conexiones de los cuales dependa la seguridad del sistema estructural total. Además, la protección temporal deberá incluir medidas que garanticen la seguridad de las personas en las zonas adyacentes al edificio dañado y de los trabajadores que realicen las labores de rehabilitación. El diseño de los sistemas de protección temporal debe efectuarse con premura, por lo que no se suele disponer de suficiente tiempo para aplicar los métodos convencionales de dimensionamiento. Así, deberá recurrirse a métodos aproximados de análisis para determinar las magnitudes de las cargas y de sus efectos. Debido a la urgencia de las medidas a tomar, el ingenio, la intuición y la experiencia deberán suplir la falta de un análisis detallado. En las secciones siguientes se hacen consideraciones sobre las fuerzas o acciones que deben tomarse en cuenta en el diseño de los sistemas de protección temporal, se describen algunos elementos auxiliares útiles y se sugieren diversos procedimientos de apuntalamiento vertical y de contraventeo. 2.1.5.1. Acciones En el capitulo IX, art. 236 del R.C.D.F. indica que antes de iniciar cualquier obra de refuerzo y reparación, deberá demostrarse que el edificio dañado cuenta con la capacidad de soportar las cargas verticales estimadas y 30 por ciento de las laterales que se obtendrían aplicando las presentes disposiciones con las cargas vivas previstas durante la ejecución de las obras. Para alcanzar dicha resistencia será necesario en los casos que se requiera, recurrir al apuntalamiento o rigidización temporal de algunas partes de la estructura. Podrá prescindirse de los soportes o apuntalamientos laterales en aquellos casos en que los daños a reparar sean locales y se considere evidente que la estabilidad general de la estructura es adecuada. 2.1.5.2. Apuntalamiento vertical •

Consideraciones generales

El proporcionar apoyo vertical auxiliar a las columnas y muros de carga seriamente dañados es la primera medida a tomar al instalar un sistema de protección temporal.

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Evidentemente se requiere apoyo vertical en el piso correspondiente al elemento dañado. En algunas situaciones es posible limitar el apuntalamiento a un solo piso como se muestra en la Fig.2. En tales casos debe revisarse la resistencia a cortante en la secciones t – t de la Fig.2 para garantizar que el apuntalamiento vertical sea efectivo.

t

t

t

t

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Fig. 2 Apuntalamiento Apuntalamiento vertical en un piso Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

Columna o muro dañado

Una alternativa más confiable consiste en proporcionar soporte provisional a todos los niveles además del correspondiente al elemento dañado, como se ilustra en la Fig.3. De esta manera se reducen considerablemente las fuerzas cortantes en las secciones t–t a ambos lados del elemento vertical dañado. Cuando los elementos de soporte provisional se apoyan sobre losas debe cuidarse que no se presenten problemas de penetración. Para evitar esto, los elementos de soporte deben apoyarse sobre piezas horizontales, que pueden ser tablones o vigas de madera acostados, que distribuyan la carga. Estas piezas pueden combinarse con placas de acero para casos de cargas grandes o sistemas de piso débiles. Debe procurarse que los puntales sean colineales en todos los niveles. Generalmente será necesario trasmitir cargas hasta la cimentación e incluso puede requerirse la construcción de un cimiento provisional para llevarlas hasta el suelo. La distancia entre los elementos de apoyo provisional y el elemento dañado debe ser la mínima posible, aunque dejando espacio suficiente para los trabajos de reparación. Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

33 t

t

t

t

t

t

t

t

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Columna o muro dañado

t

t

t

t

Fig.3 Apuntalamiento vertical en varios pisos Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

•

Soportes de madera

La madera es quizá el material para apuntalamiento vertical más fácil de conseguir, puesto que es el generalmente utilizado en las obras falsas y cimbras requeridas para la construcción de estructuras de concreto. Las secciones más comunes son el polín de 4 x 4 pulg, la viga de 4 x 8 pulg, el tablón de 2 pulg de grosor y las tablas o duelas de ¾ pulg a 1 ½ pulg. Estas medidas son nominales; las medidas reales suelen ser algo menores. Los tablones y tablas se consiguen en varios anchos. Pueden también aprovecharse los postes comúnmente utilizados en líneas de transmisión de energía eléctrica. La madera generalmente asequible es pino. En los anexos se proporcionan valores de esfuerzos permisibles conservadores para madera de pino y se sugieren métodos simplificados para dimensionar elementos de madera sujetos esencialmente a cargas axiales de compresión, que son las predominantes en elementos de soporte vertical. Las secciones o escuadrías mencionadas pueden combinarse de diversas formas para soportar cargas de alguna importancia.

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Con cargas ligeras pueden utilizarse polines o vigas sin arriostrar. Para repartir la carga y evitar los problemas de penetración mencionados anteriormente es necesario colocar en los apoyos tablones o vigas acostados. En uno de los extremos deberán colocarse cuñas en la forma indicada en el inciso 2.1.5.4. (Fig. 4.A).

PUNTALES

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CUÑAS DE MADERA DURA TABLON O VIGA

MURO DAÑADO

A) Puntales simples

Fig. 4 PERNOS DE 1/2 PULG. 15

30 cm

30

Apuntalamiento vertical con piezas de madera Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

FLEJE

B) Puntales formados por dos vigas

TABLON O VIGA TABLAS

CUÑA DE MADERA DURA

VIGAS O POLINES

Pueden formarse elementos compuestos compactos uniendo dos vigas por medio de clavos, pernos o flejes como se indica en la Fig. 4.B.

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La eficiencia de los miembros aislados puede incrementarse por medio de arriostramientos triangulares que disminuyan las longitudes efectivas de pandeo como se muestra en la Fig.4.C. El arriostramiento puede hacerse únicamente en el sentido desfavorable en caso de secciones rectangulares como las vigas. En caso de secciones cuadradas como los polines, el arriostramiento deberá hacerse en ambos sentidos para que sea efectivo. Las piezas para arriostrar deben tener un grosor mínimo de una pulgada y un ancho mínimo de 10 cm. Deben clavarse con clavos de 2 ½ pulg. El numero de clavos de cada unión debe ser el máximo posible en el espacio disponible, sin que se excedan los espaciamientos que establecen las normas. Los detalles de apoyo deben ser semejantes a los mencionados para miembros simples aislados.

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Cuando las porciones de muros entre aberturas se han agrietado de manera que su capacidad de carga y su estabilidad lateral son dudosas, puede recurrirse a refuerzos con piezas de madera como los mostrados en la Fig.5. Una solución semejante es apropiada cuando se han presentado daños en los dinteles y muros sobre aberturas.

Corte 1-1 1

2

Fig. 5 Apuntalamiento aberturas

1. Muro dañado

2. Apuntalamiento

de

Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

• Perfiles de acero Cuando las cargas que deben soportarse son grandes debe recurrirse al empleo de perfiles simples de acero o a combinaciones de ellos para formar diferentes tipos de secciones compuestas. Tanto los perfiles simples como las secciones compuestas deben estar provistos de placas de apoyo. Deben acuñarse debidamente, en forma semejante a la utilizada para los elementos de soporte de madera. El dimensionamiento se lleva a cabo por los procedimientos usuales. Una alternativa interesante consiste en un refuerzo formado por ángulos colocados en las esquinas de la columna dañada y unidos por placas de metal como se muestra en la Fig.6. Este tipo de soporte puede aprovecharse para el refuerzo definitivo de la columna como se describirá mas adelante. En los extremos de los ángulos deben colocarse placas de acero con el fin de garantizar un apoyo adecuado. Los huecos entre los ángulos y la superficie de la columna por reforzar deben rellenarse con un mortero con aditivos expansores.

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36 SOLERA DE ACERO @ 30 ó 60 cm

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Fig. 6 Apuntalamiento con ángulos y soleras de acero

ANGULO

Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

• Puntales telescópicos y elementos tubulares diversos Existen diverso elementos estándar producidos industrialmente para ser usados en cimbras y obras falsas en la construcción de estructuras de concreto que pueden aprovecharse para apuntalar. Para cargas muy ligeras pueden utilizarse soportes telescópicos independientes como el mostrado en la Fig.7a. La capacidad de estos elementos es del orden de dos toneladas y su altura máxima es de aproximadamente tres metros. La altura puede ajustarse por medio de un dispositivo a base de rosca. Están provistos de placas de apoyo en los extremos, pero en caso de que los esfuerzos de penetración sean excesivos, deberán disponerse tablones o vigas adicionales en ambos extremos para lograr una mejor repartición de la carga. Para soportar sistemas de piso o techos ligeros que hayan sufrido daños, puede recurrirse a combinaciones de elementos tubulares como en el caso ilustrado en la Fig.7b. La altura de estos elementos puede ajustarse por medio de dispositivos de rosca como en la Fig.7c. Al igual que en el caso de los soportes telescópicos independientes deben cuidarse los detalles de apoyo en ambos extremos. Los datos sobre capacidad útil de los elementos estándar descritos deben obtenerse de los fabricantes.

Fig. 7 Puntales telescópicos y elementos tubulares diversos Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

(a)

(b)

(c)

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2.1.5.3. Soporte lateral • Consideraciones generales Como se menciono anteriormente, en las normas de emergencia en materia de construcción para el D.F. , se exige que en los edificios dañados se prevea un soporte lateral adecuado durante las operaciones de reparación. La determinación de la capacidad y la distribución de los soportes laterales es uno de los aspectos más difíciles del diseño de sistemas de protección temporal. Entre otros factores es necesario considerar la resistencia y localización de las porciones de la estructura original que no hayan sufrido daños graves. Además debe procurarse que el sistema de apuntalamiento estorbe lo menos posible, tanto en el uso normal del edificio como en los trabajos de la reparación definitiva.

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El soporte lateral puede lograrse con puntales inclinados y con sistemas de contraventeo de diversos tipos. En los siguientes incisos se describen algunas alternativas posibles. • Soporte lateral de muros Debe proporcionarse soporte lateral a los muros de carga de mampostería o concreto a fin de que no caigan hacia fuera debido a posibles réplicas del sismo o a otras acciones horizontales, lo que ocasionaría el derrumbe de los pisos o techos que sostienen. Esto puede hacerse mediante un apuntalamiento exterior semejante al ilustrado en la Fig.8. Los puntales pueden estar formados por dos vigas unidas por pernos o flejes, colocadas a distancias convenientes según las fuerzas que se estima que deben resistir. Deben apoyarse a la altura de los pisos sobre piezas verticales de madera, unidas al muro por elementos de conexión adecuados para resistir la componente vertical del puntal inclinado. El extremo inferior debe tener apoyo, empotrándolo o por algún otro procedimiento para que resista fuerzas laterales. La inclinación de los puntales con respecto a la horizontal no debe ser superior a 45° y preferiblemente debe ser de aproximadamente 25°. El apoyo sobre el suelo debe ser adecuado. Para su ajuste suelen disponerse cuñas en el extremo inferior. El apuntalamiento puede hacerse también con perfiles laminados o con tubos de acero. ELEMENTO VERTICAL UNIDO AL MURO

Fig. 8

CUÑAS DE MADERA DURA

Apuntalamiento exterior Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C. PUNTAL INCLINADO

MUERTO

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Cuando no se dispone de espacio suficiente para colocar puntal o tensores inclinados exteriores, pueden utilizarse tirantes de acero que unan los muros exteriores con los interiores perpendiculares a ellos. En las Figs. 9 y 10 se ilustran dos alternativas posibles. También se pueden ligar los muros exteriores a elementos del sistema de piso como en la Fig.11, o colocar tirantes de muro a muro como en la Fig.12.

1 m:n 200

1 140

1

500

2

1

d=30

6

4

5

Fig. 9 Soporte interior con tirantes (Alternativa A) Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

100

500

3

5

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5 1

2

4

6

5

4 CORTE 1-1

1. muro exterior; 2. muro interior; 3. grieta; 4. tensor; 5. canales; 6. placas.

2

Fig. 10

1

6

Soporte interior con tirantes (Alternativa B) 8 2

2 8

5

6

Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

4 5

3

6

6

5

7

6

8

4 CORTE 2-2

1. muro exterior; 2. muro interior; 3. grieta; 4. tensor; 5. canales; 6. placas; 7. templadores; 8. ángulos

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CANAL Intituto Politécnico Nacional

MURO DE MAMPOSTERIA

TIRANTES

VIGAS DEL SISTEMA DE PISO

PLACA DE ACERO

Fig. 11 Anclaje de muro exterior a vigas de los sistemas de piso Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

CANAL

TIRANTES ENTRE VIGAS DEL SISTEMA DE PISO (3/4" - 1" DIAM)

MURO DE MAMPOSTERIA

Fig. 12 Anclaje de muro a muro Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

Debe observarse que no siempre estos sistemas de soporte de los muros exteriores son suficientes para garantizar la estabilidad general de la estructura. Así en algunas situaciones deben complementarse con contraventeos semejantes a los que se describen en el siguiente inciso.

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•

Contraventeo de marcos

Los edificios a base de marcos pueden rigidizarse por medio de contraventeos formados por miembros diagonales de madera o de acero que trabajen en compresión, dispuestos en la forma indicada en la Fig.13. Para que sean efectivos deben acuñarse adecuadamente en ambos extremos. Debe también revisarse que la resistencia a cortante tanto de la viga como de la columna en los apoyos de los puntales inclinados sea suficiente para resistir las componentes debidas a dichos elementos rigidizantes. Si las columnas no son capaces de resistir las componentes verticales introducidas por el contraventeo, será necesario completarlo con elementos adicionales verticales. Una forma de lograr lo anterior se muestra en la alternativa de contraventeo de la Fig.14.

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Fig. 13

a)

Contraventeo con puntales en compresión Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

PUNTALES DE MADERA O ACERO

b)

Fig. 14 Alternativa de contraventeo con perfiles metálicos Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C. VIGUETA

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El contraventeo puede también realizarse con miembros sujetos a tensión como se indica esquemáticamente en la Fig.15. Los miembros pueden consistir en cables o en perfiles laminados de acero. La ventaja de este tipo de contraventeo es que los miembros no están expuestos a pandeo. Los perfiles laminados se dimensionan por los métodos usuales de esfuerzos permisibles o de resistencia última. Los cables suelen dimensionarse por resistencia última ya que el dato que acostumbran dar los fabricantes es la carga de rotura. Un factor de seguridad de tres parece razonable. Para que sean efectivos los cables deben estar ligeramente tensados con templadores. Como en el caso de los elementos rigidizantes en compresión, deben revisarse los efectos que los tirantes producen en las vigas y columnas. Los detalles de unión de los tirantes a la estructura en proceso de reparación deben estudiarse cuidadosamente. En el caso de cables debe tenerse en cuenta las recomendaciones de los fabricantes.

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Fig. 15 Contraventeo con tensores o tirantes Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

En algunas situaciones puede resultar conveniente proporcionar soporte a una estructura por medio de tirantes exteriores en la forma ilustrada en la Fig.16. En tales casos en necesario diseñar un muerto de anclaje apropiado. El diseño del muerto debe hacerse de manera que se cuente con un factor de seguridad mínimo de 1.5 para las siguientes condiciones. a) El peso del muerto debe ser superior a la componente vertical del tirante. b) La superficie del muerto que actúa sobre el suelo debe ser lo suficientemente grande para que el empuje pasivo sea superior a la componente horizontal del tirante. c) La localización del anclaje del tirante debe ser tal que no ocasione el volteo del muerto. Fig. 16 TENSORES O TIRANTES

TENSORES O TIRANTES

Soporte lateral con tirantes o tensores exteriores Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

MUERTO

MUERTO

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2.1.5.4. Métodos de acuñar Para transferir cargas en los elementos estructurales dañados al sistema de soporte temporal es necesario acuñar adecuadamente los miembros del sistema que trabajan en compresión. Esto puede hacerse por medio de diversos dispositivos: cuñas de madera; gatos mecánicos; gatos hidráulicos ordinarios y gatos hidráulicos planos

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Las cuñas de madera deben fabricarse de madera dura, seca y libre de nudos. Las fibras deben quedar orientadas como se muestra en la Fig.17. Una vez ajustadas deben evitarse posibles movimientos clavándolas Fig.18a. No deben usarse cuñas sueltas como en la Fig.18b.

Fig. 17 Orientacion de las fibras en cuñas de madera Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

Fig. 18 Uso de cuñas de madera Reparación de estructuras de concreto y mampostería Oscar M. Gonzales C.

a) CLAVAR PARA EVITAR MOVIMIENTO

b) USO INCORRECTO

Los gatos mecánicos, Fig.19., deben tener una superficie de apoyo proporcional a la carga que transmiten, de manera que no haya problemas de penetración excesiva, además dicha superficie debe estar en relación con la altura del gato de manera que no haya riesgo de volteo. Como regla general se sugiere que se cuente con 50 cm2 de apoyo por cada tonelada de carga.

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Fig. 19 Gatos mecanicos

Varios gatos hidráulicos, Fig.20., pueden conectarse de manera que apliquen igual carga simultáneamente en varios elementos del sistema de apoyo. Los gatos hidráulicos deben estar calibrados de manera que el operador pueda relacionar la presión del aceite con la carga aplicada. Una ventaja de los gatos hidráulicos es que pueden manejarse a distancia, sin que los operarios corran peligro durante el acuñado. Cuando la base de los gatos no proporciona un apoyo adecuado puede intercalarse una pieza de madera o una placa de acero entre la base y la superficie de apoyo para lograr una mejor repartición de la carga.

Fig. 20 Gatos hidráulicos

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Los gatos planos constituyen un medio eficaz de acuñar y pueden operarse a distancia al igual que los gatos hidráulicos ordinarios. Generalmente funcionan inyectándoles agua o aceite. Si se desea hacer permanente la deformación del gato puede inyectarse lechada de cemento; la presión de inyección deberá mantenerse mientras la lechada endurece. Los gatos planos suelen ser de forma circular aunque también se fabrican con otras formas. En la Fig.21a se muestra un gato plano antes y después de la inyección de líquido. A veces es conveniente colocar lechada, madera dura o placas de plomo entre la estructura soportada y el gato plano para mejorar las condiciones de apoyo Fig.21b. Una vez terminada la operación de gateo es conveniente instalar cuñas de madera como medida de seguridad en caso de una pérdida de presión Fig.21c.

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Fig. 21 Gatos planos mortero de cemento o madera dura

a)

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b) cuñas de madera

A

corte A-A

gatos planos

A

c)

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2.2. Técnicas de evaluación a detalle en una estructura 2.2.1. Inspección de daños detallada Esta última etapa de la identificación de los daños en la estructura, se deberá efectuar después de su rehabilitación temporal. Estas inspecciones son exámenes de campo de todas las características físicas de las estructuras civiles y de cualquier situación peligrosa en ellas. Para su realización, tendrán que ser retirados todos los acabados de los elementos estructurales que se sospeche puedan estar dañados con base en la inspección preliminar.

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La inspección detallada consiste en registrar la descripción del estado en que se encuentra cada elemento dañado. Para esto se recomienda el uso de fichas individuales que incluyan fotografías del elemento en cuestión. La información que así se recabe, deberá llevarse a copias reducidas de los planos para facilitar su manejo dentro del proyecto de reparación. 2.2.2. Conceptos é información necesaria en una inspección a detalle Para realizar la evaluación definitiva de la estructura y el proyecto de reparación, además de la identificación de los daños, conviene contar con información adicional sobre el diseño original del edificio, su proceso de construcción y el uso y adaptaciones que haya tenido durante su vida útil. Esta información se puede agrupar en los siguientes conceptos a) Planos estructurales b) Planos arquitectónicos c) Planos de instalaciones d) Memorias de cálculo e) Estudio de mecánica de suelos f) Normas de diseño utilizadas g) Normas de diseño vigentes para la reparación h) Bitácora de la construcción i) Informes de control de calidad de los materiales empleados j) Uso actual de la estructura k) Remodelaciones o reparaciones previas 2.2.3. Verificación de la información Es necesario e indispensable verificar la validez de la información disponible, pues tanto la estructuración como las propiedades de los materiales de una construcción pueden haber sufrido cambios con el tiempo, o cabe la posibilidad de que no se hayan cumplido las especificaciones del proyecto desde un principio.

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Los principales conceptos que requieren ser verificados son los siguientes: a) Planos estructurales, arquitectónicos y de instalaciones que contemplen: •

Existencia y ubicación de los elementos estructurales

•

Dimensiones y armado de los elementos estructurales

•

Existencia, ubicación y tipo de los elementos divisorios

•

Existencia y ubicación de aberturas

•

Tipos de acabados y elementos de fachadas

•

Rellenos de azoteas

•

Uso actual de la estructura

•

Existencia y ubicación de ductos

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Para localizar el refuerzo o cables de acero en elementos de concreto puede emplearse el sistema de detección electromagnético, entre otros, o el procedimiento de remoción del recubrimiento. b) Características de los materiales. Para la verificación de las características mecánicas de los materiales pueden utilizarse pruebas destructivas y no destructivas sobre el concreto, además de pruebas a la tensión de barras de refuerzo. c) Nivelación y mecánica de suelos. Cuando se tengan indicios de desplomes o hundimientos, será necesario efectuar una nivelación general de la estructura, e incluso se deberán hacer nuevos sondeos y pruebas de laboratorio para la verificación de las características del suelo. Es aconsejable determinar un perfil que muestre la variación de los desplazamientos laterales del edificio con su altura, y realizar nivelaciones periódicas hasta cerciorase de que ya no hay movimientos significativos. 2.2.4. Evaluación de propiedades del concreto estructural Las características mecánicas del concreto de los elementos estructurales que componen al edificio en estudio, se obtiene mediante pruebas que permite determinar la calidad del mismo en servicio. Este tipo de pruebas permite determinar la capacidad del concreto para desempeñar con seguridad y eficacia la función para la que se construyo. La necesidad de hacer una evaluación a fondo de una estructura de concreto en servicio puede determinarse de las observaciones sucesivas de un proceso gradual de daño o deterioro grave. Este proceso puede ser consecuencia de la severidad de las condiciones de exposición, de defectos de construcción originalmente inadvertidos o bien, de la ocurrencia de un daño repentino ocasionado por un acontecimiento extraordinario.

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En términos generales, estas pruebas pueden dividirse en tres clases: a) Pruebas no destructivas, que se aplican exteriormente a la estructura sin afectarla.

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b) Pruebas destructivas, que consisten en realizar análisis sobre muestras de concreto extraídas directamente de la estructura. c) Pruebas de carga, que determinan el comportamiento de la estructura ante cargas reales. Cada una de estas pruebas tiene sus propios meritos y limitaciones, de cuyo balance puede concluirse su utilidad y posibilidad de aplicación en cada caso particular. 2.2.4.1.

Pruebas no destructivas

La mayor parte de las pruebas no destructivas que se utilizan para evaluar la resistencia y la homogeneidad del concreto en la estructura lo hacen en forma indirecta, midiendo otras características y propiedades. Los métodos de pruebas más usuales son: determinación de dureza superficial, propagación de vibraciones y transmisión de radiaciones. Hay también procedimientos para medir el recubrimiento, diámetro y localización del acero de refuerzo: la medición electromagnética y la remoción del recubrimiento (calas). Es conveniente usar alguna de estas pruebas en combinación con otra de ellas cuando se desea una mejor estimación de los resultados . La Tabla 2 muestra un resumen de todos los resultados obtenidos por medio de estas pruebas no destructivas. •

Pruebas de dureza superficial

Mediante la dureza de la superficie del concreto, puede estimarse su resistencia a compresión utilizando relaciones empíricas. La dureza superficial del concreto puede determinarse por el método de penetración o por el de rebote. El primero, llamado prueba de penetración o de pistola Windsor, se basa en la penetración de un perno de acero en el concreto por medio de una carga de pólvora medida con precisión; la medida cuidadosa de la profundidad de penetración del perno mediante un micrómetro, es una estimación de la resistencia a compresión. Aún no se dispone de una evaluación completa de la prueba, ya que no se ha aplicado extensamente, pero de dispone del método ASTM-C-803-75T (Standard test method for penetration resistente of hardened concrete), para su aplicación. El método de rebote consiste en utilizar un martillo de percusión, conocido también como esclerómetro (Fig.22). Este martillo genera una fuerza de impacto que hace rebotar una pieza en forma de émbolo accionada por un resorte. El valor del rebote depende de la dureza superficial del concreto y, como en el método anterior, este valor se relaciona directamente con la resistencia a compresión del concreto.

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1

9

3

6

4

5

8

10

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2

7 1. Embolo 2. Concreto 3. Camisa tubular 4. Guía 5. Escala

6. Masa 7. Botón asegurador de lectura 8. Resorte 9. Resorte 10. Seguro

Fig. 22 Esclerómetro

El esclerómetro es un instrumento útil y práctico para trabajos en obra, al grado de que su empleo se encuentra normalizado (ASTM-C-805-79, NOMC-192-1986). Permite estimar la resistencia del concreto, principalmente en forma comparativa entre diferentes zonas de una misma estructura o entre la estructura y especimenes hechos del mismo concreto. Para que esta información cualitativa tenga mayor validez, es necesario observar ciertas reglas en la ejecución de la prueba y tomar en cuenta determinadas condiciones de la superficie de concreto sobre la cual se realiza. A continuación se mencionan varios aspectos que deben tomarse en cuenta al evaluar los resultados de esta prueba. • El esclerómetro debe aplicarse sobre una superficie plana, de preferencia colada contra cimbra. • Si el concreto sometido a la prueba no forma parte de una gran masa, debe apuntalarse firmemente, pues de otro modo su vibración durante la prueba puede amortiguar el impacto y reducir el rebote. • Es muy importante la posición del esclerómetro durante su aplicación al concreto, por lo que el instructivo siempre se acompaña con una serie de gráficas para distintas posiciones de prueba. Es recomendable que todas las determinaciones de carácter comparativo se realicen en una misma posición. • Conforme disminuye el grado de humedad de la superficie, el valor del rebote aumenta. Con agregados ligeros, el rebote disminuye, lo mismo que con agregados de menos tamaño. La presencia de acero de refuerzo cerca de la superficie incrementa el rebote. • La aplicación de sustancias en la superficie del concreto influye en su respuesta al impacto; por ejemplo, si a la cimbra se le aplica un compuesto que impida su adherencia con el concreto, la superficie puede contaminarse y manifestar menos dureza de la que debería; asimismo, si la superficie se encuentra carbonatada, el concreto puede manifestar más dureza superficial de la que posee en el interior. • También influye el grado de rugosidad de la superficie, pues a mayor aspereza menor rebote. Para eliminar este efecto, se recomiendo pulir el área de la prueba con un material abrasivo que se suministra junto con el equipo o por medio de una piedra de carborundo.

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A todos los factores mencionados habría que añadir obviamente la influencia de la edad del concreto en el momento de la prueba; sin embargo, este factor no se considera significativo tratándose de estructuras en servicio, en cuyo caso la edad mínima del concreto suele ser de varios meses. Intituto Politécnico Nacional

Las principales prácticas en el uso del esclerómetro, son: a) Calibrar el instrumento de acuerdo con el tipo de concreto que se ensaya, empleando especimenes colados del mismo concreto o, en su defecto, núcleos extraídos de la estructura. b) Colocar siempre el émbolo en posición perpendicular a la superficie del concreto bajo prueba. Es importante que la comparación de resultados se haga sólo entre lecturas realizadas sobre superficies con la misma inclinación ya que la inclinación del martillo respecto a la vertical afecta el valor del rebote. c) Delimitar áreas reducidas, de aproximadamente 30 x 30 centímetros para realizar la prueba. d) Efectuar en cada área de prueba de 15 a 30 impactos en puntos separados no menos de 3 cm entre sí. e) Analizar la dispersión de los rebotes así obtenidos, con el fin de descartar aquéllos que, por ser demasiado apartados del promedio, puedan considerarse influidos por factores ajenos a la calidad real del concreto. El promedio de los valores aceptables es representativo de la dureza de la superficie del concreto en el área correspondiente. Con este promedio se obtiene, en la gráfica de calibración, la resistencia probable. En vista de los diferentes factores que pueden afectar las resistencias obtenidas con esta prueba, éstas deben tomarse más bien en forma cualitativa; se recomienda interpretar estos resultados como resistencias relativas. De esta manera, pueden agruparse áreas de resistencias similares, e identificar en la estructura las zonas donde el concreto sea de calidad inferior. El señalamiento de estas zonas constituye un dato de mucha utilidad, especialmente si se requiere realizar una evaluación por medio de pruebas de propagación de vibraciones o de extracción de núcleos. •

Propagación de vibraciones

Entre los intentos realizados para medir de manera no destructiva alguna propiedad física del concreto que pueda relacionarse con su resistencia, se ha tenido éxito con la medición de la velocidad de propagación de ondas de alta frecuencia. El principio básico del ensaye ultrasónico del concreto en la estructura es que se comporta como material elástico y que, como tal, transmite ondas longitudinales de compresión y de cortante. La velocidad a la cual viajan estas ondas a través del concreto, VP, se relaciona con el módulo dinámico de elasticidad, ED, mediante:

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ED = donde:

ρ (VP )2 (1 + υ )(1 − 2υ ) (1 + υ ) Intituto Politécnico Nacional

ρ = Densidad del concreto υ = Relación de Poisson correspondiente

El valor de ED permite calcular en forma aproximada el valor del módulo estático de elasticidad (EE) con la relación ED = 1.18 EE. Esta expresión es válida para concretos clase 1, cuyo peso volumétrico en estado fresco es superior a 2.2 ton/m3. Para obtener una mejor aproximación, es necesario que en la estructura en servicio se realicen tanto mediciones ultrasónicas como ensayes de extracción de núcleos. El aparato que se utiliza en esta prueba genera una vibración de alta frecuencia en el concreto por la aplicación de un impulso mecánico, y recoge el impulso en otro punto de la superficie del concreto a una distancia medida desde el punto de generación. (Fig. 23). Además, contiene un mecanismo que mide el tiempo que toma la onda delantera del pulso en viajar desde el trasmisor hasta el receptor. Con los datos de tiempo y distancia, la velocidad de propagación se obtiene de manera directa (V = d/t), así como el valor correspondiente ED. Por este medio, pueden ensayarse elementos de concreto con espesores entre 0.1 y 2.5 metros, aunque se han hecho pruebas en elementos hasta de 15 m de espesor.

Sensor

Sensor

(Transmisor)

(Receptor)

Fig. 23 Esquema del aparato de pulso ultrasónico Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

Elemento de concreto en servicio

Pantalla de lectura del tiempo

Generador de pulso

Circuito medidor del tiempo

Amplificador Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

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Además de revelar los cambios de densidad del concreto, debidos a falta de compactación o variaciones en la relación agua/cemento, la medición del pulso ultrasónico también puede emplearse para detectar la profundidad de grietas en la estructura y para verificar el deterioro debido a heladas o a la acción química. Las grietas perpendiculares a la dirección de propagación del pulso hacen que éste se difracte alrededor de la grieta, lo que aumenta su tiempo de recorrido y, en consecuencia, disminuye su velocidad aparente.

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Sin embargo, cuando el plano de la grieta coincide con la dirección de propagación del pulso, éste puede pasar por cualquiera de los lados de la grieta sin que su velocidad se afecte significativamente. Esta circunstancia y otras particularidades, hacen necesario que esta prueba se realice con personal que posea suficientes conocimientos, experiencia y criterio. Son tres las formas básicas para transmitir y registrar el pulso (Fig.24.) a) Transmisión directa a través del espesor del concreto. Es la más satisfactoria; en este caso, el transmisor y el receptor están en lados opuestos del elemento estructural. b) Transmisión semidirecta. No es tan satisfactoria como la anterior; se utiliza en estructuras en las que no puede emplearse la transmisión directa y, por lo tanto, el transmisor y el receptor se colocan en las caras próximas a las esquinas. c) Transmisión indirecta. Es la menos satisfactoria; la transmisión y la recepción tienen que realizarse desde un mismo lado del elemento, como en los casos de muros de contención y cimentaciones.

TRANSMISION DIRECTA

Fig. 24 Método de transmisión del pulso ultrasónico Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

TRANSMISION SEMI-DIRECTA

TRANSMISION INDIRECTA

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En la Tabla 3, se presenta una clasificación aproximada de la calidad del concreto en función de la velocidad de propagación del pulso ultrasónico. Velocidad longitudinal del pulso (m/seg)

>

4500

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Calidad de concreto

Excelente

3500 - 4500

Buena

3000 - 3500

Dudosa

2000 - 3000 <

2000

Mala

Tabla 3 Calidad probable del concreto según la velocidad de pulso Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

Muy mala

Como son demasiadas las variables que afectan los resultados de la prueba ultrasónica, conviene establecer la relación entre la velocidad de pulso y la resistencia mediante el ensaye directo en especimenes elaborados con el mismo concreto de la estructura que se pretende evaluar. Debido a que esto rara vez es posible en estructuras en servicio, hay que admitir entonces que el valor fundamental de los resultados de la prueba ultrasónica es más bien de carácter cualitativo, y que su aplicación debe enfocarse preferentemente a la identificación de zonas de la estructura con diferente calidad y a la detección de grietas. Un mérito importante de este procedimiento no destructivo es que permite apreciar el estado del concreto en toda su profundidad, lo que no siempre se logra con la extracción de núcleos. Otra ventaja es que puede aplicarse sin riesgo en estructuras de concreto que almacenan agua, donde la extracción de núcleos no es recomendable. El procedimiento descrito se encuentra normalizado en el método de prueba ASTM C-597-83 y en NOM-C-2751986. •

Transmisión de radiaciones

Este procedimiento se basa en la medición de la radiación que absorbe un material, estableciendo una correlación empírica entre la cantidad de radiación absorbida y la densidad del medio atravesado. De este modo pueden detectarse los cambios de densidad del concreto en la estructura, relacionándolos con su grado de compactación y resistencia mecánica. En el caso del concreto, pueden emplearse fuentes de radiación que produzcan Rayos X o Rayos Gama. Como los equipos necesarios para la producción de los primeros requieren alto voltaje y son más costosos, en la práctica se prefieren los segundos. Debe considerarse que la radiografía con Rayos Gama implica usar isótopos radiactivos y que, por tanto, requiere de estrictas medidas de seguridad en sus aplicaciones prácticas.

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Existen dos formas de aplicación: en una se mide la intensidad de la radiación después de haber atravesado un elemento de concreto de espesor conocido y, en la otra, la medición se realiza sobre la misma superficie en que se aplica la radiación, captando los rayos que se reflejan. La segunda tiene la ventaja de que puede aplicarse aun cuando no sea accesible la cara opuesta del elemento. En ambos casos, el procedimiento es aplicable a espesores máximos de concreto de 90 cm, por lo que su utilidad se limita a detectar cavidades bien definidas en elementos relativamente delgados.

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La Fig.25, muestra el arreglo para medir la densidad del concreto, empleando una fuente radiactiva productora de rayos gama y un tubo Geiger-Muller como dispositivo medidor. Aunque este procedimiento no destructivo produce resultados confiables, su utilización es costosa y requiere de personal especializado.

Varilla ajustable de bronce

Funda de bronce Fuente radiactiva

Envoltura de plomo para canalizar los rayos gama

Fig.25

Tubo Gelger - Muller

Arreglo para medir la densidad del concreto mediante rayos gama Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

•

Medición electromagnética

Existen dispositivos diseñados específicamente para medir el espesor del recubrimiento del concreto sobre el refuerzo con una precisión de ± 5 mm, y determinar el diámetro de las barras de refuerzo cuando se conoce su recubrimiento. Estos dispositivos son equipos relativamente simples que actúan por emisión de ondas electromagnéticas, lo que permite localizar la posición de las varillas de acero, en función de su respuesta a dichas ondas. La calibración de estos equipos normalmente se hace para acero de grado estructural ahogado en concreto de cemento Pórtland; sin embargo, también puede hacerse para aceros de alta resistencia y otras clases de cemento. Algunos tipos de acero inoxidable no son magnéticos y por ello no son detectables con este procedimiento, en tales casos, debe utilizarse como alternativa la remoción del recubrimiento (calas).

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Un cambio de diámetro en las varillas, por ejemplo de la Número 3 (3/8”) a la número. 12 (1 ½”), no afecta sensiblemente la aproximación con que se mide el recubrimiento; sin embargo, para varillas de pequeño diámetro, del orden de 5 mm, el recubrimiento medido es probablemente algo mayor que el recubrimiento real. Este método se encuentra reglamentado en la norma británica BS 4408, parte 1. •

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Remoción del recubrimiento (calas)

Este método es particularmente útil en los casos en que se necesita reconstruir un plano estructural o verificar uno ya existente. Este procedimiento consiste en exponer el acero de refuerzo y los estribos para determinar su diámetro y su separación, y el espesor del recubrimiento de concreto, en los elementos en donde se requiere determinar estos parámetros. Se realizan utilizando martillo y cincel rasurando la superficie hasta exponer el acero de refuerzo, pero sin profundizar más de lo necesario. Este proceso debe realizarse cuidadosamente para no ocasionar daños en las áreas adyacentes a la ranura ni tampoco el refuerzo existente. Previamente, el Ingeniero Estructurista debe proporcionar un plano en el que se especifiquen los elementos y la ubicación y longitud de las calas que deben hacerse. En lo que sigue, se presentan algunos ejemplos acerca de la forma de efectuar las calas. Estos dibujos son representativos de las más comunes y su ejecución depende del tipo de estructura y del ingenio del estructurista. Cuando deseen conocerse los porcentajes del refuerzo principal, las calas deben realizase, en el caso de columnas, en dos de sus lados y a la mitad de su longitud y, en el de vigas, en las zonas de momentos flexionantes máximos negativo y positivo (Fig.26). Debe profundizarse la cala cuando se presuma que existen paquetes de varillas en el armado.

Fig.26

B C

5

Calas para conocer porcentajes de acero en columnas y trabes (acotaciones en cm)

5

CALA PERIMETRAL VARILLAS

5 A

Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

5

TRABE

A

C B

R

NUMERO DE RAMALES

LOSA

LOSA

R

COLUMNA

R

R

R = recubrimiento SECCION A - A

TRABE

NUMERO DE VARILLAS

TRABE

SECCION B - B

NUMERO DE RAMALES

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Para determinar los parámetros del refuerzo por cortante (estribos), se hacen tres calas paralelas al eje del elemento (viga o columna), dos de ellas, partiendo de cada uno de los extremos del elemento hasta un cuarto de su longitud y la tercera en el centro de la longitud de estos elementos hasta que se descubran dos estribos (Fig.27).

Fig.27

ESTRIBOS

CALA

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Calas para conocer refuerzos por cortante en vigas o columnas (acotaciones en cm)

SEPARACION DE ESTRIBOS L/2

Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E. L

HASTA DESCUBRIR DOS ESTRIBOS

L/2 ELEMENTO ESTRUCTURAL

L/4

A los muros de concreto de edificios, será necesario realizarles dos calas, una vertical y la otra horizontal, en uno de sus vértices inferiores, con una longitud de 65 cm mínimo (Fig.28).

Fig.28 Calas para muros de concreto (acotaciones en cm) Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

5 CALAS ACERO DE REFUERZO

= 65 5

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Las dos calas en la zona de momento flexionante máximo positivo y otras dos en la zona de momento flexionante máximo negativo. En ambos casos, las calas serán perpendiculares entre sí, con una longitud de 65 cm (Fig.29). CALAS EN LA PARTE INFERIOR DE LA LOSA (ACERO NEGATIVO)

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Fig.29 = 65

Calas para losas de concreto (deben hacerse en las dos direcciones) (acotaciones en centimetros)

5

Manual de mantenimiento de obras civiles, C.F.E.

CALAS EN LA PARTE INFERIOR DE LA LOSA (ACERO POSITIVO)

Las calas siempre deben repararse removiendo de la superficie el concreto debilitado y el polvo, aplicando un adhesivo epóxico para unir concreto viejo con concreto nuevo y resanando con un mortero cemento-arena en proporción 1:3 o una resina epóxica con aditivo expansivo, dándole un acabado similar al original. En algunas ocasiones se solicita realizar una prueba estándar de tensión a las varillas de refuerzo para verificar la calidad del acero. Para ello, deben extraerse las muestras cuidadosamente, procurando no dañar la estructura más de lo necesario. Posteriormente, deben restituirse las varillas con otras de buena calidad, respetando la longitud de anclaje y amarrándolas o soldándolas a las varillas originales, de acuerdo a lo especificado por el ACI o los reglamentos locales vigentes. Debe repararse el concreto de acuerdo con lo indicado para calas. 2.2.4.2. Pruebas destructivas Como alternativa o como complemento de las pruebas no destructivas ya descritas, existe la posibilidad de extraer muestras del concreto de la estructura con el fin de someterlas a pruebas que permiten conocer sus características, propiedades y condiciones actuales. Las pruebas que se efectúan con mayor frecuencia al concreto de la estructura en las muestras obtenidas son: • Pruebas físicas: densidad, absorción, resistencia mecánica (compresión, tensión, flexión y módulo de elasticidad estático a compresión). • Examen petrográfico. • Proporción de vacíos. • Pruebas químicas: contenido de cemento y relación agua/cemento original.

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Además, eventualmente pueden efectuarse otras pruebas tales como resistencia a congelación y deshielo, permeabilidad, módulo de elasticidad dinámico y cambios volumétricos por saturación y secado en muestras extraídas del concreto (Tabla 4). Intituto Politécnico Nacional

•

Muestreo del concreto en la estructura

Como ya se mencionó, la realización de pruebas en muestras de concreto endurecido, extraídas directamente de la estructura, es una forma de evaluación que puede utilizarse como alternativa o como complemento de las pruebas no destructivas. Para hacer esta evaluación, es necesario que las fallas o deficiencias en la estructura sean muy evidentes o bien, que los resultados de las pruebas no destructivas no se estimen concluyentes. En general, el muestreo del concreto en la estructura se realiza por medio de barrenos para recuperar núcleos cilíndricos que se utilizan como especimenes de prueba. En ciertos casos de elementos que trabajan a flexión, como losas por ejemplo, se prefiere operar con especimenes prismáticos (vigas) que se obtienen cortando el concreto con sierra de disco y se ensayan a flexión. La obtención preparación y ensaye de estas muestras cilíndricas y prismáticas se reglamentan en el método de prueba ASTM C-42-84ª (NOM-C-169-1978). Considerando el alto costo de este muestreo y el daño que puede significar para ciertos elementos, es preferible limitarlo a las zonas críticas de la estructura donde el deterioro o daño sea evidente, donde la auscultación previa con esclerómetro, ultrasonido o radiación haya detectado concreto de baja compactación o calidad inferior. El orden que normalmente se sigue para realizar las pruebas destructivas es utilizar primero los especimenes para obtener su densidad y absorción; después se les determina su resistencia mecánica a compresión, tensión o flexión y, eventualmente, su módulo de elasticidad estático a compresión. De las porciones excedentes del recorte de los especimenes o bien, de sus fragmentos después de determinarles la resistencia mecánica, pueden obtenerse las muestras de concreto necesarias para el examen petrográfico y las pruebas químicas. •

Pruebas físicas

a) Densidad y absorción. Estas determinaciones pueden realizase en las muestras de concreto siguiendo el método de prueba ASTM C-129-79 (NOM-C-263-1983). Los resultados obtenidos deben compararse entre sí, ya que tratándose de un solo tipo de concreto, procedente de una misma estructura, la variación de estas características puede considerarse como índice de cambios en su homogeneidad y compactación. b) Resistencia mecánica. La determinación más común que se realiza en los núcleos cilíndricos es la resistencia a compresión simple, por el método de prueba ASTM C-39-84 (NOM-C-83-1977).

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También se determina su resistencia a tensión por compresión diametral, por el método de prueba ASTM C-496-85 (NOM-C-163-1986), y su módulo de elasticidad estático a compresión, según el método BS-1881: parte 121: 1983 (NOM-C-128-1982). A los especimenes de forma prismática (vigas) se les destina únicamente al ensaye de tensión por flexión, conforme al método ASTM-C-78-84 (NOM-C-191-1986 y NOM-C-303-1986).

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Se evalúa una zona de concreto de calidad dudosa mediante la prueba de, por lo menos, tres núcleos con humedad similar a la que tenga la estructura en condiciones de servicio. El concreto se considerará adecuado si el promedio de las resistencias de los tres núcleos es mayor o igual al 80% de la resistencia de proyecto (f´c) de la estructura y si la resistencia de todos los núcleos es mayor a 70% de f´c. Cuando los resultados de las resistencias sean erráticos, se permite probar nuevos núcleos. Si la resistencia de los nuevos corazones ensayados no cumplen con el criterio de aceptación que se ha descrito, puede ordenarse la realización de pruebas de carga. Hay un cierto número de variables que afectan la magnitud de la resistencia de los núcleos e incrementan su dispersión. Entre estos pueden mencionarse: diámetro, relación de esbeltez, condición de humedad del concreto durante la prueba, presencia de acero de refuerzo en los núcleos, dirección del barreno con respecto a la del vaciado del concreto, profundidad del sitio de extracción en relación con la altura original del colado, edad del concreto, etcétera. Para tratar de reducir la influencia de estas variables, en el método de ensaye (ASTM C-42-84a, NOM-C-169-1978), se reglamentan, en lo posible, todos los aspectos relacionados con la extracción, preparación y ensaye de los núcleos. De esta manera si se respetan estrictamente las reglas del método, es válido considerar que las variaciones de resistencia que se manifiesten en los núcleos corresponden a variaciones reales en la estructura, y que la magnitud de la resistencia de los núcleos también corresponde, con aproximación razonable, a la resistencia real de la estructura en cada sitio de prueba. Es conveniente realizar la evaluación de una estructura con base en todos los datos de resistencia disponibles, tanto de los cilindros de control obtenidos durante la construcción como de los núcleos o corazones extraídos de la estructura en servicio. •

Examen petrográfico

El examen petrográfico de una porción de concreto proveniente de una estructura puede suministrar información útil para estimar el comportamiento futuro de ese concreto o para explicar la causa de su comportamiento pasado. Las técnicas mediante las cuales se lleva a cabo el estudio petrográfico del concreto endurecido están bien definidas en la practica normalizada ASTM C 856-83 y, en la actualidad, constituyen un medio auxiliar de importancia para evaluar cualitativamente el estado del concreto en una estructura en servicio. Para dar una idea completa de la utilidad de esta práctica, a continuación se reproducen los propósitos que puede abarcar cuando se examina una muestra de concreto endurecido proveniente de una construcción.

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a) Determinación detallada del estado del concreto en una construcción. b) Determinación de las causas de la mala calidad, percance o deterioro del concreto en una construcción. c) Determinación de si el concreto se fabricó o no conforme a lo especificado.

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d) Descripción de la matriz cementante, incluyendo la determinación cualitativa de la naturaleza del aglutinante hidráulico utilizado, grado de hidratación, grado de carbonatación si existe, evidencia de falta de sanidad del cemento, presencia de un aditivo mineral, naturaleza de los productos de hidratación, lo adecuado del curado y una relación agua/cemento inusitadamente alta o baja. e) Determinación de si tuvieron lugar reacciones álcali-sílice, álcalicarbonato o cemento-agregado, o reacciones entre contaminantes y la matriz, y sus efectos sobre el concreto. f) Determinación de si el concreto ha estado expuesto y ha sido afectado por ataque de sulfatos o sufrido otro ataque químico, por congelamiento temprano o por otros efectos dañinos de la congelación y el deshielo. g) Determinación de si un concreto que estuvo expuesto al fuego se encuentra esencialmente sin daño, se encuentra moderado o seriamente dañado. h) Investigación del comportamiento del agregado fino o grueso en la estructura o determinación de la composición del agregado para compararlo con agregados de fuentes aprobadas o especificadas. i) Determinación de la presencia y naturaleza de tratamientos superficiales. En la Norma ASTM C-856-83, pueden consultarse los aspectos relevantes que se incluyen al hacer el examen visual de una muestra de concreto (véase la Tabla 1 de la norma), y la información que se obtiene cuando el examen de la muestra se realiza con estereomicroscopio (véase la Tabla 2 de la norma). Además, en la misma norma, se hace un resumen de los efectos del fuego sobre las características del concreto (véase la Tabla 3 de la norma). Por todo lo expuesto, resulta evidente que este examen, conducido por un petrógrafo competente experimentado, puede aportar información complementaria al ensaye de los núcleos, extraordinariamente útil para definir el estado actual del concreto en la estructura sometida a evaluación. •

Proporción de vacíos

En el concreto endurecido existen tres clases de vacíos, cuyas dimensiones en centímetros son: Vacíos producidos por el aire atrapado o incluido....

= 10-1 a 10-3

Conductos capilares.................................................

= 10-3 a 10-4

Poros del gel de cemento.........................................

= 10-7

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Los dos primeros pueden observarse con un microscopio óptico; los terceros, sólo con microscopio electrónico. La práctica ASTM C-457-82a suministra el procedimiento para determinar el contenido de vacíos producidos por aire, la superficie específica y el factor de espaciamiento del sistema de vacíos en el concreto endurecido, por medio del microscopio.

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La determinación del contenido de aire en una muestra de concreto endurecido, extraída de una estructura, se justifica principalmente cuando en la elaboración del concreto se utilizo un aditivo inclusor de aire. •

Pruebas químicas

a) Contenido de cemento. Con cierta frecuencia se requiere conocer el contenido de cemento en el concreto endurecido, para compararlo con el consumo unitario que en teoría debió emplearse al elaborar dicho concreto. Existen varios procedimientos para esta determinación; sin embargo, los que mas se utilizan son los métodos químicos que se basan en la medición del óxido de calcio o de sílice soluble bajo condiciones establecidas, tal como se describe en el método de prueba ASTM C-85 (NOM-C-154-1987). Con estas valoraciones puede calcularse el contenido de cemento en el volumen original de la muestra. Los resultados de estos métodos son confiables y pueden emplearse para verificar el contenido de cemento en diferentes partes de la estructura, ya sea para detectar si hubo segregación o para establecer una correlación con los resultados de la prueba de núcleos. Para que la información sea mas precisa, es conveniente hacer pruebas de solubilidad en los agregados utilizados. Una limitación de las pruebas químicas es que ciertos agregados o aditivos minerales, como las puzolanas, producen cantidades importantes de óxido de calcio o de sílice disuelta que oscurecen los resultados. Por ello, en los casos en que así sucede, se prefiere el método microscópico. b) Relación agua/cemento original. La determinación de la relación agua/cemento originalmente contenida en el concreto al ser colocado en la estructura puede aportar, al igual que el contenido de cemento, un dato útil para entender su comportamiento posterior, y para correlacionarlo con los resultados del ensaye de núcleos. Conforme a la norma británica BS 1881, Parte 6, este dato puede obtenerse en una muestra de concreto endurecido, determinando el agua que ocupa los poros capilares (agua evaporable) más el agua químicamente combinada con el cemento (no evaporable). La primera se obtiene secando la muestra a 105 °C y llenando los poros con tetracloruro de carbono después de hacer el vacío. La segunda, se calcula a partir de la determinación de la perdida por ignición y del contenido de dióxido de carbono en la fracción del concreto que resulta después de eliminar el agregado.

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Con el agua total así determinada y el contenido de cemento obtenido por el procedimiento anterior, se calcula la relación agua/cemento original del concreto ensayado. Intituto Politécnico Nacional

2.2.4.3. Pruebas de carga Las pruebas de carga posiblemente representan la última opción para verificar la capacidad de carga de una estructura o parte de ella, cuando otros procedimientos han fallado o no son aplicables. Las pruebas de carga se aplican en los siguientes casos: a) El reconocimiento de haberse cometido un error de diseño o una deficiencia constructiva. b) La evidencia de agrietamiento, deflexiones, desplazamientos o vibraciones excesivos, ocurridas en las condiciones normales de servicio o después de un evento extraordinario. c) El incumplimiento de las especificaciones de resistencia en los cilindros de control. d) La imposibilidad para resolver el problema mediante la extracción y ensaye de núcleos o el uso de procedimientos no destructivos. e) Cuando no exista suficiente evidencias teórica o experimental para juzgar en forma confiable la seguridad de la estructura. f) El cambio de uso de la estructura y/o el incremento de las condiciones de carga de operación, respecto a las que se consideraron en el diseño. g) En edificaciones en las que pueda haber frecuentemente aglomeración de personas, así como las obras provisionales que pueden albergar a más de 100 personas. En el reglamento de las construcciones de concreto reforzado, del comité ACI 318 – 83, (Diseño de estructuras de concreto, capitulo 20 ,Ed. IMCYC) se reconoce que los criterios para juzgar los resultados de las pruebas de carga sólo se han establecido confiablemente para el caso de miembros estructurales sometidos a flexión; de manera que para miembros en otras condiciones de esfuerzo se sugiere optar por la investigación analítica del comportamiento estructural, como una opción de las pruebas de carga. Además de esta limitación, hay que considerar que las pruebas de carga suelen ser laboriosas y no siempre son factibles, por la dificultad que representa cargar ciertos miembros como columnas y muros. Es aconsejable que las pruebas de carga sólo se realicen en situaciones que lo justifiquen, y que su ejecución se lleve a cabo, de ser posible, bajo la dirección y supervisión del proyectista de la estructura, conforme a lo señalado en la Tabla 5 para pruebas de carga verticales. Cuando se requiera evaluar la seguridad de una construcción ante efectos sísmicos, deberán diseñarse procedimientos de ensaye y criterios de evaluación que tomen en cuenta las características peculiares de la acción sísmica, como son la acción de efectos dinámicos y de repeticiones de cargas alternadas.

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2.2.4.4. Resumen del proceso de evaluación Hay opiniones que consideran más confiables y concluyentes los resultados de las pruebas efectuadas directamente al concreto extraído de la estructura que aquellos obtenidos con los procedimientos no destructivos.

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Sin embargo, tomando en cuenta tiempo y costo, los segundos tienen ventaja sobre los primeros, por lo cual un criterio razonable consiste en iniciar la evaluación de la estructura con ensayes no destructivos y, con base en sus resultados, decidir si es necesario continuarla con la extracción y ensaye de núcleos e, incluso, con una prueba de carga. Desde luego, hay casos en que este criterio puede modificarse realizando la extracción de núcleos sin pasar por las pruebas no destructivas, particularmente cuando el deterioro o daño son evidentes y están bien localizados.

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Tabla 5. Procedimiento para realizar pruebas de carga 1) Seleccionar la forma de aplicar la(s) carga(s) y la(s) zona(s) de la estructura donde se hará la prueba. Tomar las precauciones necesarias para proteger la seguridad de las personas y del resto de la estructura, en caso de falla de la zona ensayada.

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2) Aplicar una carga igual al 85% de la de diseño (incluyendo factores de carga), en la(s) zona(s) más desfavorable(s) – (a) (b) (c). 3) Mantener la carga durante 24 hrs como mínimo y tomar lecturas de deflexión final y ancho de las grietas mayores. Se considera que la estructura ha fallado si ocurre colapso, falla local o un incremento local brusco de desplazamiento o de la curvatura de una sección. 4) Repetir la prueba de carga, si 24 hrs después de quitar la sobrecarga la estructura no recupera, como mínimo, el 75% de sus deflexiones (d) (e). Esta segunda prueba no debe iniciarse antes de 72 hrs de terminada la primera. Se considerara la falla si en 24 hrs no recupera el 75% de las deflexiones debidas a esta segunda prueba, después de la descarga. 5) Si durante la prueba de carga ocurrieran grietas tolerables, estas deben reparase una vez terminada la prueba. 6) En caso de que la prueba de carga no sea satisfactoria, proponer y realizar las modificaciones pertinentes, para posteriormente realizar una prueba de carga verificatoria. (a) Cuando se trate de verificar la seguridad de elementos o conjuntos que se repiten, bastará probar con el 10% de ellos, pero no menos de 3, distribuidos en distintas zonas de la estructura. (b) Una prueba de carga no debe hacerse sino hasta que la porción de la estructura tenga por lo menos 56 días de edad. (c) Aplicar la carga con un mínimo de 4 incrementos aproximadamente iguales sin impacto sobre la estructura. (d) Podrá considerarse que los elementos horizontales han pasado la prueba de carga, aún si la recuperación de las flechas no alcance el 75%, siempre y cuando la flecha máxima no exceda de 2 mm ó L2/20000h) donde L es el claro libre del miembro que se ensaya y h su peralte total en las mismas unidades; en voladizos se tomará L como el doble del claro libre. (e) En los sistemas de concreto presforzado no deben repetirse las pruebas de carga.

Tabla 6. Procedimiento para realizar pruebas de carga Prueba Prueba de carga

Resultado Carga aplicada, deflexiones, ancho de grietas

Procedimiento ACI 318-83, cap. 20 RCDF-87, Arts. 239 y 240

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Tabla 2. Pruebas no destructivas Prueba

Resultado

Procedimiento

Penetración: Pistola de Windsor

F´c

ASTM C-803-82

Dureza superficial: Esclerómetro

F´c

ASTM C-805-79 NOM-C-192-1986

Propagación de vibración: (pulso ultrasónico)

Velocidad de propagación, EDinamico

ASTM C-597-83 NOM-C-275-1986

Transmisión de radiaciones

Densidad

(No existe norma)

Medición electromagnética

Recubrimiento, diametro y colocación de refuerzo

BS 4408, parte 1

Remoción del recubrimiento

Recubirmiento, diametro y colocación de refuerzo

(No existe norma)

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Tabla 4. Pruebas destructivas Prueba

Resultado

Procedimiento

Barrenación de núcleos

F´c

ASTM C-42-84a NOM-C-169-1978

Densidad y absorción

Peso volumétrico y % de absorción de agua

ASTM C-128-88 NOM-C-263-1983

Resistencia mecánica a compresión

F´c

ASTM C-39-84 NOM-C-83-1975

Módulo de elasticidad elástico

EElastico

BS 1881: parte 121:1983 NOM-C-128-82

Resistencia a la tensión por compresión diametral

Ft (esfuerzo de tensión)

ASTM C-496-85 NOM-C-163-1986

Resistencia a la flexión (en vigas)

M (Modulo de ruptura)

ASTM C-78-84 NOM-C-191-1986 NOM-C-303-1986

Petrografía

Propósito múltiple *

ASTM C-856-83

Proporción de vacíos

% de vacíos

ASTM C-457-82a

Pruebas químicas Contenido del cemento

% óxido de calcio % sílice soluble % de pasta

ASTM C-85-73 NOM-C-154-1987 ASTM C-457-82a

Relación de agua/cemento original

a/c

BS 1881, parte 6

* Condición del concreto, causas de la mala calidad, reacción álcaliagregado, composición de la matriz cementante, etc.

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Modelamiento y análisis de capacidades del inmueble para obtener un diagnostico definitivo

Para poder evaluar el estado de una estructura dañada, es necesario conocer su capacidad sismo – resistente inicial y con ella como base, tratar de comprender su comportamiento durante el sismo y las causas de los daños que se hayan presentado. Junto con la experiencia y el buen juicio del estructurista se podrá hacer uso de las herramientas de análisis estructural que se publican en el actual R.C.D.F. vigente, con el fin de apoyar a un dictamen final de evaluación mostrando cuantitativamente e identificando las zonas en la estructura con mayor daño causado por algún evento sísmico. Las formulas, parámetros y demás factores que intervienen en la determinación de los valores cuantitativos para la construcción del modelo por computadora y de un dictamen definitivo se obtendrán del R.C.D.F. y Normas Técnicas Complementarias vigentes, ya que el propósito de la revisión estructural es determinar la Capacidad – Sismo resistente actual. 3.1. Estudio y elección del tipo de análisis Según sean las características de la estructura de que se trate, ésta podrá analizarse por sismo mediante el método simplificado, análisis estático ó alguno de los dinámicos, dinámico modal y dinámico paso a paso, con sus respectivas limitaciones publicadas en el R.C.D.F.

• Método simplificado de análisis Este método de análisis verifica únicamente que en cada entrepiso la suma de las resistencias al corte de los muros de carga, proyectados en la dirección en que se considera la aceleración, sea cuando menos igual a la fuerza cortante total que obre en dicho entrepiso, haciendo uso de coeficientes sísmicos para los distintos tipos de estructuras que se clasifican en el reglamento. El método simplificado será aplicable al análisis de edificios que cumplan simultáneamente los siguientes requisitos: a) En cada planta al menos el 75% de las cargas verticales estarán soportadas por muros ligados entre sí mediante losas monolíticas u otros sistemas de piso suficientemente resistentes y rígidos al corte, con una distribución sensiblemente simétrica con respecto a dos ejes ortogonales.

3

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Los muros a lo que se refiere este párrafo podrán ser de mampostería, concreto reforzado, placa de acero, compuesto de estos dos últimos materiales, o de madera; en este último caso estarán arriostrados con diagonales.

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b) La relación entre la longitud y ancho de la planta del edificio no excederá de 2.0. c) La relación entre la altura y la dimensión mínima de la base del edificio no excederá de 1.5 y la altura del edificio no será mayor de 13 m.

• Análisis estático y dinámico Los métodos dinámicos pueden utilizarse para el análisis de toda estructura, cualquiera que sean sus características. Puede utilizarse el método estático para analizar estructuras regulares de altura no mayor de 30 m, y estructuras irregulares de no más de 20 m. Para los edificios ubicados en la zona I, los límites anteriores se amplían a 40 y 30 m, respectivamente. • Análisis dinámico modal Con este método de análisis en el cual la estructura se supone que presenta un comportamiento lineal, se trata de representar las condiciones a las que esta expuesta la estructura al momento de un sismo, por tal motivo la determinación de los modo naturales de las fuerzas laterales que actúan sobre la estructura, así como los modos naturales de vibración de la misma con periodo mayor o igual a 0.4 seg. La elección de este método de análisis comprende una herramienta potencial para la evaluación de una estructura y el cual requiere como en los casos anteriores de cubrir ciertos parámetros establecidos en las Normas Técnicas Complementarias. • Análisis dinámico paso a paso Este método de análisis, si se emplea, podrá acudirse a acelerogramas de temblores reales o de movimientos simulados, o una combinación de éstos, siempre que se usen no menos de cuatro movimientos representativos, independientes entre sí, cuyas intensidades sean compatibles con los demás criterios que consignan las Normas Complementarias, y que tenga en cuenta el comportamiento no-lineal de la estructura. Por tal motivo con este método se intenta reproducir el esquema de daños mediante un análisis paso a paso de la estructura. • Análisis de segundo orden Este procedimiento consiste en obtener las fuerzas y momentos internos tomando en cuenta los defectos de las deformaciones sobre dichas fuerzas y momentos, la influencia de la carga axial en las rigideces, el comportamiento no lineal y agrietamiento de los materiales, duración de las cargas, cambios volumétricos por deformaciones diferidas, así como la interacción con la cimentación.

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3.2. Evaluación de resistencia de los elementos estructurales Para cada uno de los elementos en estudio de los cuales se tenga duda del comportamiento durante un sismo, o los cuales sean objeto de mayor atención por pertenecer al sistema que soporta y da rigidez a la estructura, se tendrá que analizar su capacidad sismo-resistente actual, empleando las Normas Técnicas Complementarias que se incluyen en el R.C.D.F. vigente, lo anterior para elementos a base de concreto simple o reforzado, con lo cual posteriormente se realizara una comparación con los elementos mecánicos obtenidos del análisis estructural, para así poder determinar los Factores de Seguridad (Fs) correspondientes en cada caso particular.

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La revisión de los elementos constituidos en acero se realizará con lo establecido en el Manual de Construcción en Acero-Diseño por Esfuerzos Permisibles (IMCA). 3.2.1. Concreto En las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto, maneja que la revisión por realizar corresponde al Estado Limite de Falla, ya que como anteriormente lo definimos, es aquel en donde la estructura presenta una falla por capacidad de carga al existir un agotamiento de los elementos estructurales que la componen, lo cual nos puede llevar al colapso de una edificación. • Hipótesis para la obtención de resistencias de elementos La determinación de resistencia de secciones de cualquier forma sujeta a flexión, carga axial o una combinación de ambas, se efectuará a partir de las condiciones de equilibrio y de las siguientes hipótesis: a) La distribución de deformaciones unitarias longitudinales en la sección transversal de un elemento es plana. b) Existe adherencia entre el concreto y el acero de tal manera que la deformación unitaria del acero es igual a la del concreto adyacente. c) El concreto no resiste esfuerzos de tensión. d) La deformación unitaria del concreto en compresión cuando se alcanza la resistencia de la sección es 0.003. e) La distribución de esfuerzos de compresión en el concreto, cuando se alcanza la resistencia de la sección, es uniforme con un valor fc´´ igual a 0.85fc* hasta una profundidad de la zona de compresión igual a β1c Donde β1 = 0.85; si fc* ≤ 28 MPa (280 kg/cm2) β1 = 1.05 – (fc*/140) ≥ 0.65 si fc* ≤ 28 MPa (280 kg/cm2) c profundidad del eje neutro medida desde la fibra extrema en compresión.

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El diagrama esfuerzo-deformación unitaria del acero de refuerzo ordinario, sea o no torcido en frío, puede idealizarse por medio de una recta que pase por el origen, con pendiente igual a Es, y una recta horizontal que pase por la ordenada correspondiente al esfuerzo de fluencia del acero, fy. En aceros que no presentan fluencia bien definida, la recta horizontal pasará por el esfuerzo convencional de fluencia. El esfuerzo convencional de fluencia se define por la intersección del diagrama esfuerzo-deformación unitaria con una recta paralela al tramo elástico, cuya abscisa al origen es 0.002, o como lo indique la norma respectiva de acero. Pueden utilizarse otras idealizaciones razonables, o bien la gráfica del acero empleado obtenida experimentalmente. En calculo de elementos de concreto presforzado deben usarse los diagramas esfuerzo-deformación unitaria del acero utilizado, obtenidos experimentalmente.

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La resistencia determinada con estas hipótesis, multiplicada por el factor FR correspondiente, da la resistencia del elemento en estudio. 3.2.1.1.

Flexión

Para los elementos los cuales sea necesario realizar una revisión de la capacidad resistente a flexión (MR), las N.T.C. nos maneja las siguientes expresiones las cuales tomando en cuenta las condiciones de equilibrio é hipótesis generales anteriormente mencionadas quedan de la siguiente manera. I. Secciones rectangulares sin acero de compresión.

M R = FR bd 2 f ´´c q (1 − 0.5q )

(1.1)

M R = FR AS f y d (1 − 0.5q )

(1.2)

o bien

donde

b ancho de la sección d peralte efectivo

q=

pf y

p=

As área del refuerzo de tensión f´´c esfuerzo uniforme de compresión

(1.3)

f ´´c As bd

(1.4)

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II. Secciones rectangulares con acero de compresión.

⎡ ⎤ a⎞ ⎛ M R = FR ⎢( As − A´s ) f y ⎜ d − ⎟ + A´s f y (d − d ´)⎥ 2⎠ ⎝ ⎣ ⎦ donde

a= a As A´s d´

(1.5)

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( As − A´s ) f y f ´´c b

profundidad del bloque equivalente de esfuerzos área del acero a tensión área del acero a compresión distancia entre el centroide del acero a compresión y la fibra extrema a compresión

La ecuación 1.5 es válida sólo si el acero de compresión fluye cuando se alcanza la resistencia de la sección. Esto se cumple si

( p − p´) ≥ donde

6000 β 1 d´ f ´´c 6000 − f y d f y

(1.6)

A´s bd

(1.7)

p´=

Cuando no se cumpla esta condición, MR se determinará con un análisis de la sección basado en el equilibrio y las hipótesis anteriormente mencionadas; o bien se calculara aproximadamente con las ecuaciones 1.1 o 1.2 despreciando el acero de compresión. III. Secciones T e I sin acero de compresión. Si la profundidad del bloque de esfuerzos, a, calculada con la ecuación 1.8 no es mayor que el espesor del patín, t, el momento resistente se puede calcular con las expresiones 1.1 o 1.2 usando el ancho del patín a compresión como b. Si a resulta mayor que t, el momento resistente puede calcularse con la expresión 1.9.

d=

As f y f ´´c b

⎡ t⎞ a ⎞⎤ ⎛ ⎛ M R = FR ⎢ Asp f y ⎜ d − ⎟ + (As − Asp ) f y ⎜ d − ⎟⎥ 2⎠ 2 ⎠⎦ ⎝ ⎝ ⎣

(1.8)

(1.9)

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donde

Asp = a=

En las expresiones anteriores

f ´´c (b − b´)t fy

(A − A ) f s

sp

y

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f ´´c b´ b ancho del patín b´ ancho del alma

La formula 1.9 es válida si el acero fluye cuando se alcanza la resistencia. Lo cual se cumple si. f ´´c 6000 β1 (1.10) A ≤ b´d + A

f y f y + 6000

s

sp

IV. Flexión biaxial La resistencia de vigas rectangulares sujetas a flexión biaxial se podrá valuar con la ecuación 1.13. V. Resistencia a flexión de vigas diafragma Se considera como viga diafragma aquellas cuya relación de claro, L, a peralte total h, es menor que 2.5 si son continuas en varios claros, o menor que 2.0 si consta de un solo claro libremente apoyado. L es la distancia libre entre apoyos. Si la cuantía As/bd es menor o igual que 0.008, la resistencia a flexión de vigas diafragma se puede calcular con la expresión.

M R = FR AS f y z

(1.11)

donde z es el brazo del par interno. En vigas de un claro, z se valúa con el criterio siguiente.

L⎞ ⎛ z = ⎜ 0 .4 + 0 . 2 ⎟ h , h⎠ ⎝

z = 0.6 L

L si 1.0 < h ≤ 2.0 si

L ≤ 1 .0 h

Las vigas diafragma continuas se pueden ser revisadas por flexión con el procedimiento siguiente: a) Analícese la viga como si no fuera peraltada y obténgase los momentos resistentes necesarios; b) Calcúlese las áreas de acero con la ecuación 1.11, valuando el brazo en la forma siguiente:

L⎞ ⎛ z = ⎜ 0 .3 + 0 .2 ⎟ h , h⎠ ⎝

si 1.0 <

L ≤ 2 .5 h

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z = 0.5L

si

L ≤ 1 .0 h Intituto Politécnico Nacional

3.2.1.2. Flexocompresión Para realizar la revisión de un elemento a Flexocompresión, el factor de resistencia, FR, se aplicará a la resistencia a carga axial y a la resistencia a flexión, con un valor de 0.8 cuando el núcleo este confinado con un zuncho que cumpla con los requisitos que se especifican en la norma. Si el núcleo no esta confinado y la falla es en compresión, FR se supondrá igual a 0.7. I. Compresión y flexión en dos direcciones Son aplicables las hipótesis anteriormente mencionadas. Para secciones cuadradas o rectangulares también puede usarse la expresión siguiente:

PR =

1 1 / PRX + 1 / PRY − 1 / PRO

(1.12)

donde PR PRO PRX PRY

carga normal resistente, aplicada con las excentricidades ex y ey carga axial resistente, suponiendo ex = ey = 0 carga normal resistente, aplicada con un excentricidad ex en un plano de simetría carga normal resistente aplicada con una excentricidad ey en el otro plano de simetría

La ecuación 2.12 es válida para PR/PRO 0.1. Los valores de ex y ey deben incluir los efectos de esbeltez y no serán menores que la excentricidad prescrita de 0.05h ≥ 20 mm, donde h es la dimensión de la sección en donde se considera la flexión. Para valores de PR/PRO menores que 0.10, se usará la expresión siguiente:

M ux M uy + ≤ 1.0 M Rx M Ry

(1.13)

donde Mux y Muy son los momentos actuantes del análisis estructural según los ejes x y y; MRx y MRy son los momentos resistentes obtenido según los mismos ejes.

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3.2.1.3.

Fuerza cortante

Las expresiones para VCR que se presentan a continuación para distintos elementos son aplicables cuando la dimensión transversal, h, del elemento, paralela a la fuerza cortante, no es mayor que 700 mm. Cuando la dimensión transversal h, es mayor que 700 mm, el valor de VCR deberá multiplicarse por el factor obtenido con la siguiente expresión:

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1 – 0.0004(h – 700) El factor calculado con la expresión no deberá tomarse mayor que 1.0 ni menor que 0.8. La dimensión h estará en mm. I. Vigas sin preesfuerzo En vigas con relación claro o peralte total, L/h, no menor que 5, la fuerza cortante que toma el concreto, VCR, se calculará con el criterio siguiente: si p < 0.015

VCR = FRbd (0.2 + 20 p ) f *c

si p > 0.015

(1.14)

VCR = 0.5FRbd f *c

(1.15)

Si L/h es menor que 4 y las cargas y reacciones comprimen directamente las caras superiores e inferiores de la viga, VCR se obtendrá multiplicando el valor que da la ecuación 1.15 por

M⎞ ⎛ ⎜ 3 .5 − 2 .5 ⎟ Vd ⎠ ⎝

> 1.0

pero que se tome VCR mayor que

1.5 FRbd f *c En el factor anterior M y V son el momento flexionante y la fuerza cortante que actúan en la sección. Si las cargas y reacciones no comprimen directamente las caras superior e inferior de la viga, se aplicará la ecuación 1.15 sin modificar el resultado. Para las relaciones L/h comprendidas entre 4 y 5, VCR se hará variar linealmente hasta los valores dados por las ecuaciones 1.14 y 1.15. Cuando carga concentrada actúa a no mas de 0.5d del paño de un apoyo, el tramo de viga comprendido entre la carga y el paño del apoyo, además de cumplir los requisitos en esta sección, se revisará con el criterio de cortante por fricción de la sección. Para secciones T, I o L, en todas las expresiones anteriores se usará el ancho, b´, en lugar de b. Si el patín esta a compresión, al producto de b´d pueden sumarse las cantidades t2 en vigas T e I, y t2/2 en vigas L, siendo t el espesor del patín.

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II. Elementos anchos En elementos anchos, como losas, zapatas y muros, en los que el ancho, b, no sea menor que cuatro veces el peralte efectivo, d, con espesor hasta de 600 mm y donde la relación

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M Vd no exceda de 2.0, la fuerza resistente, VCR puede tomarse igual a

0.5FRbd f *c independientemente de la cuantía de refuerzo. Si el espesor es mayor de 600 mm, o la relación M/Vd excede de 2.0, la resistencia a la fuerza cortante se valuará con el criterio que se aplica a vigas (sección I). III. Miembros sujetos a flexión y carga axial En miembros a Flexocompresión en los que el valor absoluto de la fuerza axial de diseño, Pu no exceda de

FR (0.7 Ag f *c +2000 AS ) la fuerza cortante que toma el concreto, VCR se obtendrá multiplicando los valores dados por las ecuaciones 1.14 y 1.15 por 1 + 0.007(Pu/Ag). Para valuar la cuantia P se usará el área de las varillas de la capa mas próxima a la cara de tensión o a la de compresión mínima en secciones rectangulares, y 0.33As en secciones circulares, donde AS es el área total de acero en la sección. Para estas últimas, bd se sustituirá por Ag, donde Ag es el Area bruta de la sección transversal Si Pu es mayor que

FR( 0.7 f * c Ag + 2000 As )

se hará variar linealmente VCR, en función de Pu, hasta cero para

Pu1 = FR ( Ag f ´´c + As f y ) En miembros sujetos a flexotensión, VCR se obtendrá multiplicando los valores dados por las ecuaciones 1.14 o 1.15 por 1 – 0.03(Pu/Ag). Para valuar p y tratar secciones circulares, se aplicará lo antes dicho para miembros a Flexocompresión. Pu es el valor absoluto de la fuerza axial de diseño, en kg, obtenida con el factor de carga mas desfavorable en cada caso; Ag el área bruta de la sección transversal y As el área total de acero en la sección, ambas en cm2.

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IV. Miembros de concreto preesforzado En secciones con preesfuerzo total, donde los tendones estén adheridos y no estén situadas en la zona de transferencia, la fuerza VCR se calculará con la expresión

VCR = FR bd (0.15 f * c + 50

Vd p M

)

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(1.16)

Sin embargo, no es necesario tomar VCR menor que

0.5FR db f * c ni deberá tomarse mayor que

1.3FR bd f * c En la expresión 1.16, M y V son el momento flexionante y la fuerza cortante que actúan en la sección y dp es la distancia de la fibra extrema en compresión al centroide de los tendones de preesfuerzo. El peralte efectivo, d, es la distancia de la fibra extrema en compresión al centroide de los tendones de preesfuerzo situados en la zona de tensión, sin que tenga que tomarse menor que 0.8 veces el peralte total. En secciones con preesfuerzo parcial, y en secciones con preesfuerzo total donde los tendones no estén adheridos, o situadas en la zona de transferencia, se aplicarán las ecuaciones 1.14 o 1.15 según el caso. El peralte efectivo, d, se calculará con la expresión 1.17.

Asp f sp d p + As f y d s Asp f sp + As f y

(1.17)

(Asp, área de acero de refuerzo, ds es la distancia entre la fibra extrema a compresión y el centroide del acero ordinario a tensión, y fsp es el esfuerzo en el acero de preesfuerzo, Asp, cuando se alcanza la resistencia del elemento). En ambos casos, la contribución de los patines en vigas T, I y L se valuará con el criterio que se prescribe en la sección I para vigas sin preesfuerzo. V. Muros sujetos a fuerzas horizontales en su plano Las disposiciones de esta sección se aplican a muros cuya principal función sea resistir fuerzas horizontales en su plano, sin cargas verticales de consideración, con relación L/t no mayor de 70 (L es la longitud horizontal del muro). Si actúan cargas verticales importantes, la relación L/t debe limitarse a 40. El espesor, t, de estos muros no será menor de 13 cm; tampoco será menor que 0.06 veces la altura no restringida lateralmente.

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La fuerza cortante, VCR, que toma el concreto en muros sujetos a fuerzas horizontales en su plano se determinará con el criterio siguiente: Si la relación de altura a largo horizontal, H/L, del muro no excede de 1.5, se aplicará la expresión

VcR = 0.85 FR

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f * c tL

VI. Uniones Viga-Columna Se admitirá revisar la resistencia del nudo a fuerza cortante en cada dirección principal de la sección en forma independiente. La fuerza cortante se calculará en un plano horizontal a media altura del nudo. En nudos confinados por 4 trabes que llegan a él y el ancho de cada una es al menos igual a 0.75 veces el ancho respectivo de la columna, la resistencia del elemento puede calcularse con la siguiente ecuación.

5.5FR

f * c be h

En otros nudos se tomará igual a

4.5FR 3.2.1.4.

f * c be h

Torsión

En miembros los cuales sea necesario una revisión por torsión se aplicará la siguiente ecuación.

TOR = 0.6 FR ∑ x 2 y f * c

(1.18)

En miembros que también estén sujetos a tensión axial, el valor de TOR se multiplicará por 1 - 0.03Pu/Ag, donde Pu es la tensión de diseño en kg, y Ag el área bruta de la sección reducida, en cm2.

3.3. Determinación de acciones que actúan sobre la estructura Para poder iniciar este subcapítulo, se debe de entender que se hará una revisión estructural de acuerdo a la normatividad y reglamentación vigente para el Distrito Federal, en el caso de la Ciudad de México. Por tal razón retomaremos los criterios establecidos en el R.C.D.F. para poder determinar las acciones que actúan en la estructura por analizar. Las acciones que actúan sobre una estructura se definen de la siguiente manera según el Art. 186 del R.C.D.F.; Acciones permanentes, Acciones variables y Acciones accidentales. Por tal motivo las estructuras y cada una de sus partes deberán tener la resistencia adecuada para soportar las cargas a las que estará impuesta en su vida útil.

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I. Las acciones permanentes son las que obran en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad varía porco con el tiempo. Las principales acciones que pertenecen a esta categoría son: la carga muerta; el empuje estático de tierras y de líquidos, y las deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura que varía poco con el tiempo, como los debidos a preesfuerzos o a movimientos diferenciales permanentes de los apoyos.

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II. Las acciones variables son la que obran sobre la estructura con una intensidad que varía significativamente con el tiempo. Las principales acciones de esta categoría son: la carga viva; los efectos de temperatura; las deformaciones impuestas y los hundimientos diferenciales que tengan una intensidad variable con el tiempo, y las acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo, incluyendo los efectos dinámicos que pueden presentarse debido a vibraciones, impacto o frenaje. III. Las acciones accidentales son las que no se deben al funcionamiento normal de la edificación y que pueden alcanzar intensidades significativas sólo durante lapsos breves. Pertenecen a esta categoría: las acciones sísmicas; los efectos de viento; los efectos de explosiones, incendios y otros fenómenos que pueden presentarse en casos extraordinarios. Para cubrir el punto numero uno (Acciones permanentes), se realizo un levantamiento o inspección a detalle del inmueble en estudio. Lo anterior para corroborar dimensiones, localización y tipo de materiales que constituye a los elementos estructurales. De igual forma para determinar otros elementos que actúan de manera continua en la estructura y puedan provocar un carga adicional a la misma, sin ser parte del sistema estructural, las cuales podrán ser consideradas como carga muerta. Las acciones variables y sus intensidades quedan definidas en los Arts. 187, 188, 193 y 194 del Cap. III del R.C.D.F. Para poder continuar con la obtención de las acciones que afectan a la estructura, antes que nada, debemos definir con claridad y objetividad que son las Cargas Muertas (C.M.) y las Cargas Vivas (C.V.). Lo anterior en base al R.C.D.F. 3.3.1. Cargas Muertas El Art. 196 considera como cargas muertas los pesos de todos los elementos constructivos, de los acabados y de todos los elementos que ocupan una posición permanente y tiene un peso que no cambia sustancialmente con el tiempo. Para la evaluación de las cargas muertas se emplearán las dimensiones especificas de los elementos constructivos y los pesos unitarios de los materiales. En este capitulo se proporcionas valores unitarios de los materiales mas comunes para la construcción en el D.F.

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3.3.2. Cargas Vivas El Art. 198 considera a las cargas vivas a aquellas fuerzas que se producen por el uso y ocupaciones de las edificaciones que no tienen carácter permanente. Existen tres tipos de cargas vivas: carga viva máxima (Wm), carga instantánea (Wa), carga media (W) las cuales quedan definidas en el Art. 199 así como sus magnitudes y parámetros para ser aplicadas en un calculo para diseño estructural.

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3.4. Modelamiento por computadora El representar las características reales de una estructura para así poder comprender y conocer su comportamiento en distintas condiciones de carga (viva, muerta, sismo, viento), que se pudieran presentar en determinado momento, es una tarea laboriosa, se tienen o se tiene que realizar un modelo o una serie de modelos para poder interpretar las características de la estructura a analizar, ya sea mediante un programa de computo o un método analítico manual. Por lo tanto, para poder agilizar mas esta etapa de la evaluación, se debe tener mucho cuidado y prestar mayor atención al realizar las inspecciones de campo, sobre todo aquellas en las cuales se deben definir dimensiones de elementos y conocer la configuración estructural del inmueble en estudio. Los planos estructurales, son una herramienta muy indispensable para poder crear nuestro modelo en la computadora, de no ser así, nos apoyaremos en los croquis realizados de la estructura que se localizan en los formatos de inspección a detalle. El modelo puede ser en el plano o en el espacio según el programa o método a usar, se recomienda el modelamiento por computadora en el espacio para tener una representación gráfica más real del efecto de las acciones sobre la estructura. Existen diversos programas de cómputo los cuales se pueden utilizar para construir un modelo de la estructura, entre los más utilizados podemos mencionar los siguientes:

• • • •

STAAD.PRO 2003 RAM SAP 2000 ECOgw

Es importante mencionar que algunos modelan la estructura como si fuesen nuevas y que el análisis más recomendable para evaluarlas, es el llamado 2º Orden, o no lineal, mediante el cual podemos conocer su comportamiento en base a sus elementos mecánicos y desplazamientos en la estructura.

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3.4.1. Topología de la estructura. La topología es el primer paso al realizar un modelo de la estructura, y la podemos definir como la creación de la configuración estructural del inmueble. Esta etapa del modelamiento es la primera y la de mayor cuidado, ya que de esta depende en un rango muy amplio, el optimo funcionamiento del modelo al momento de realizar el análisis estructural. El modo de idealizar todos los elementos que constituyen a la estructura, quedan en función del ingeniero que este realizando la revisión estructural.

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La forma mas rápida de crear nuestra estructura, es exportando un archivo DXF, proveniente de algún programa de diseño. Para nuestro caso el archivo fue exportado de Autocad, y fue importado en Staad.Pro 2004. Se traza en autocad el eje de los elementos que conforman la estructura en planta, posteriormente se depura el archivo para que quede el layer utilizado y se guarda con extensión DXF. La planta que se importo podrá orientarse respecto a los ejes coordenados antes de terminar el comando y se podrá elevar el edificio copiando y pegando las plantas a la altura de entrepiso descrita para el proyecto.

Fig.30 Modelo estructural creado en STAAD. Pro. Hacienda del Ciervo Torre B

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La conectividad entre los miembros es también otro factor importante en una buena idealización de la estructura. Cada uno de los miembros debe estar conectado de forma adecuada al otro, para así, poder evitar un traslape de nodos. Cuando un primer elemento se conecta al inicio de un segundo, el último nodo del primero corresponde al primero del segundo, de esta forma se esta dando continuidad a nuestro modelo. Por otro lado, si hubiese la necesidad de conectar un miembro a la mitad de otro, se tendrá que generar un nodo en la distancia a la cual se pretende conectar el primer elemento.

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3.4.2. Propiedades mecánicas de los materiales Las estructuras en general, pueden estar constituidas de distintos materiales constructivos. El concreto y el acero son los mas importantes para una edificación. Es en este punto en donde se aplicaran los resultados obtenidos de las pruebas al concreto y al acero efectuadas en la inspección a detalle, con las cuales se obtendrá un parámetro más certero de la resistencia de los elementos estructurales que la constituyen. Los valores de mayor cuidado serian el F´c del concreto y el Modulo de Elasticidad, los cuales se utilizar en el modelo por computadora para trabajar con datos reales de construcción. Tomando en cuenta lo anterior y como se recordara, en el Capitulo 2 de este documento, se tienen estudios a detalle de las propiedades mecánicas de la estructura que se esta revisando, con lo cual obtendremos y sustituiremos esos valores obtenidos para nuestro modelo. Lo anterior se realiza para poder optimizar al máximo los resultados de nuestro análisis estructural. 3.4.3. Definición del tipo de apoyo de la estructura. El tipo de apoyo que se idealice en el modelo dependerá del tipo de cimentación que se esta trabajando, así mismo como de las características propias del suelo que la sustenta. Para el análisis sísmico de estructuras desplantadas sobre formaciones de suelo blando se requiere tomar en cuenta los efectos de sitio y la interacción suelo estructura.

METODO ESTATICO ZONA I

ZONAS II y III

REGULARES

H

<

40 m

H

<

30 m

IRREGULARES

H

<

30 m

H

<

20 m

SE CONSIDERA INTERACCION SUELO - ESTRUCTURA

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3.4.4. Condiciones de carga en la estructura En este apartado hacemos la recomendación de manejar por separado todo tipo de carga que actúe sobre la estructura, posteriormente y para efectos de análisis se realizaran las combinaciones pertinentes. Los cinco estados de carga importante que se tienen son CVmax, CVinst, CVmed, CM y SCM. Para cada una de las anteriores se hará la combinación siguiente: Comb1. Comb2. Comb3.

(1.0) CVmax + (1.0) CM (1.0) CVinst + (1.0) CM (1.0) CVmed + (1.0) CM

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+ (1.0) SCM + (1.0) SCM + (1.0) SCM

Al termino de cargar las combinaciones se procederá a realizar el análisis. 3.4.5. Análisis dinámico de la estructura. Posterior al análisis bajo cargas gravitacionales, el siguiente paso es crear un espectro de diseño sísmico. Este espectro depende del tipo de zona en que se encuentre ubicada nuestra estructura. En las NTC para Diseño por Sismo se especifican los parámetros y formulas necesarias para calcular las aceleraciones en función al periodo natural de vibración al que se someterá la estructura. Se adoptará como ordenada del espectro de aceleraciones para diseño sísmico, a expresada como fracción de la aceleración de gravedad. Lo que corresponde a periodo T será expresado en segundos. Dentro del programa Staad.Pro, el espectro de diseño se genera como un estado de carga primario. Por tal motivo, generamos un espectro de diseño en dirección X y otro en dirección Y, al cual se le aplica un factor de 1.0. Así mismo se tiene que generar la masa que se desplazara en las dos direcciones, esa masa corresponde al peso propio de la estructura y el estado de carga que corresponda a la Comb2 antes mencionada.

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3.5. Obtención de factores de seguridad estructural Para este sub-capitulo podemos definir dos grandes rubros. Por un lado tenemos la resistencia de los elementos y por el otro los valores últimos obtenidos del análisis estructural (elementos mecánicos).

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Para el primer caso, resistencia de elementos estructurales, podemos definir que antes de la ocurrencia del sismo, la resistencia será aquella que se obtenga con base en las formulas reglamentarias vigentes. En cuanto a la resistencia del elemento después de la ocurrencia del daño, se determinara afectando el valor de resistencia previo a la ocurrencia del daño por un índice η obtenido conforme se indica en la siguiente tabla, la cual se basa al nivel de daño estructural que el elemento haya sido expuesto. (Norma para la Evaluación del Nivel de Daño por Sismo en Estructuras y Guía Técnica de Reparación). Tabla 7.Coeficiente de degradación de las propiedades y características de comportamiento sísmico η. Nivel de daño en columnas y muros

Columna (M)

Columna (S)

Muro

I

1.0

1.0

1.0

II

1.0

0.8

0.9

III

0.6

0.4

0.6

IV

0.0

0.0

0.3

Nota: 1) Basado en el procedimiento de clasificación de Nivel de Daño 2) Columna (M): Claramente presenta una condición de falla por flexión 3) Columna (S): Aquellas columnas que presenten características de daño no contempladas en el inciso anterior 4) Todas las estructuras con muros estructurales .

Como se puede apreciar en la tabla, el nivel de daño del elemento a revisar es un dato de suma importancia, ya que de el depende el coeficiente de reducción que aplicara a la capacidad resistente del elemento después del evento sísmico. Lo anterior hace énfasis al capitulo 2, en donde se define el nivel de daño el cual esta en función del nivel de agrietamiento que presenta el elemento. En lo que respecta a la obtención de elementos mecánicos partiendo del análisis estructural, se puede decir que este depende de las condiciones actuales de carga en la estructura, de las propiedades mecánicas del concreto en estudio y del sitio en donde se localiza el inmueble en estudio, lo cual se puede reflejar en una interacción suelo-estructura. Es indispensable mencionar que hay que tomar en cuenta de sobremanera el tipo de cimentación y las características mecánicas del suelo que la soporta. Ya que como es el caso del suelo del Valle de México, el cual esta conformado en su totalidad por arcillas, afecta directamente en la respuesta de la estructura ante la incidencia de un sismo.

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Todo lo anterior queda definido para poder dar paso a lo que se conoce como factores de seguridad de los elementos estructurales. La finalidad de saber cuantitativamente en que condiciones se encuentra el inmueble y los elementos que la constituyen, servirá para poder definir cuales de estos están por debajo de la capacidad resistente requerida, poniendo así en riesgo la estabilidad de la misma. Entre otros resultados, también se definirá el proceso de reparación, reforzamiento o reestructuración que se necesite aplicar.

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Un criterio establecido define que los factores de seguridad no serán menores a la unidad, todos aquellos que sean mayores de uno, quedan exentos de cualquier tipo de reforzamiento. Por el contrario si el factor de seguridad es menor o igual a la unidad, se tendrá que planear un reforzamiento adecuado el cual no afecte en gran magnitud al comportamiento original de la estructura. Estos factores de seguridad se ejemplifican a continuación. Para flexión.

F .S . =

MR >1 MU

Para cortante.

F .S . =

VCR >1 VU

Para flexocompresión.

F .S . =

PR >1 PU

Para cortante

F .S . =

VCR >1 VU

VIGAS

COLUMNAS

Fig.31 Representacion gràfica para la obtenciòn de Factores de Seguridad.

Fa ctore s de s e gurida d pa ra fle xión Fa ctore s de s e gurida d pa ra corta nte Fa ctore s de s e gurida d a fle xocompre s ión

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3.6. Dictamen de estabilidad y seguridad estructural Con la obtención de los factores de seguridad se podrá entonces extender un dictamen de seguridad estructural, el cual en el mejor de los casos solo se referirá a una restauración de los elementos que se encuentren dañados procurando aumentar su ductilidad. Por el contrario, si el estudio concluye que la capacidad de la estructura original no cumple con las normas vigentes (F.S. < 1), se presentaron daños generalizados fuertes o graves y se encontraron problemas de estructuración, entonces la reparación deberá tender al refuerzo de la estructura. En este caso de la restauración y el refuerzo de los elementos dañados, será recomendable introducir nuevos elementos rigidizantes, sobre todo si se tiene una estructuración deficiente.

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Es importante tener en cuenta que la restauración de un elemento dañado, en general, solo permite recuperar entre el 70% y 80% de la rigidez original, de tal forma que cuando más del 25% de los elementos de una estructura deben restaurarse, es necesario recurrir también al refuerzo de la misma. Existen diversos factores que influyen en la decisión de llevar a cabo un proyecto de reforzamiento, entre los mas importantes se mencionan los siguientes: a) b) c) d) e) f) g)

Costo Funcionalidad Espacio Estética Aspectos políticos Importancia Social Dificultad técnica

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Selección, modelamiento y diseño de la estructura a reforzar

4.1. Materiales para reparación, refuerzo y protección en estructuras de concreto Este subcapitulo tiene por objeto dar a conocer la gama de materiales y sistemas que pueden ser usados para las reparaciones, refuerzo y protección de estructuras de concreto. La reparación de estructuras de concreto y mampostería necesitan materiales adecuados para el resane de grietas y la sustitución de morteros y concretos dañados, que sean capaces de alcanzar rápidamente su resistencia y mantener su adherencia indefinidamente. En combinación, también se requiere acero de refuerzo, placas y perfiles metálicos, soldadura y conectores mecánicos Algunos productos se comercializan ya dosificados y con instrucciones precisas para su aplicación. Cuando no sea así, será necesario respaldar su uso con pruebas de laboratorio. En la elección de los materiales de una reparación, debe procurarse que exista compatibilidad entre su resistencia y rigidez y la de los materiales originales. 4.1.1. Concreto El concreto de cemento Pórtland es un material tradicionalmente usado en reparaciones y refuerzos. En la gran mayoría de los casos, requiere una dosificación que mejore algunas de sus características naturales. Puede que sea necesario obtener altas resistencias iniciales, eliminar la contracción por secado, lograr ligeras y controladas expansiones, elevada adherencia al sustrato, baja permeabilidad y otras propiedades, normalmente obtenidas a costa del empleo de aditivos y adiciones tales como plastificantes, reductores de agua, impermeabilizantes, escoria de alto horno, cenizas volantes, microsílica y, la clásica reducción en la relación agua/cemento. Existen en el mercado microconcretos y morteros industrializados ya adecuadamente dosificados para uso en reparaciones y refuerzos. Están incluidos en este grupo el concreto lanzado, tanto vía seca como vía húmeda. Normalmente usan agregados gruesos de tamaño máximo característico igual a 9 mm, lo que en realidad los clasificaría como microconcretos o morteros lanzados.

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Los materiales avanzados, formulados a base de resinas y combinaciones de resinas con otros materiales, fibras, rellenos, etc.- se establecieron como respuesta científico – técnica moderna a las exigencias de comportamiento y durabilidad en continua evolución en todo el mundo, especialmente en las situaciones en que el concreto necesita ser modificado o donde su uso es inadecuado.

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• Concreto colado in situ Los principales obstáculos que enfrenta el uso del concreto colado in situ en reparaciones son la contracción y la falta de adherencia que producen la perdida de contacto con el concreto viejo. Para evitar la contracción se puede recurrir al uso de algún aditivo estabilizador y para mejorar la adherencia, a la preparación de la superficie de contacto con lechada o con algún adhesivo. Es posible acelerar el fraguado y mejorar la trabajabilidad del concreto por medio de aditivos acelerantes y plastificantes. El colado debe efectuarse por capas de menos de 20 cm, compactadas con vibrador. Un buen curado es importante para minimizar las contracciones. Para efectuarlo pueden utilizarse membranas de curado. • Concreto lanzado El concreto lanzado presenta muchas ventajas como material de reparación, sobre todo para muros de concreto o mampostería: buena adherencia; alta resistencia y necesidades mínimas de cimbra El equipo utilizado mezcla neumáticamente la arena y el cemento con el agua en el momento de la expulsión y proporciona la cantidad mínima necesaria para la hidratación, logrando así altas resistencias Para minimizar la contracción es necesario efectuar un curado apropiado. El uso de aditivos acelerantes permite alcanzar la resistencia especificada con rapidez. • Concreto a base de resinas Este material se obtiene al sustituir el cemento por resinas (epoxi, poliéster, acrílico, metacrilato, etc.) en la fabricación del concreto. Resulta útil para remplazar pequeños volúmenes de concreto dañado, por su gran adherencia, alta resistencia y baja contracción. Además de su baja resistencia al calor, los concretos a base de resinas tienen el inconveniente de tener un modulo de elasticidad mucho menor que los concretos de cemento Pórtland. 4.1.2. Aditivos Son productos especialmente formulados para mejorar algunas propiedades de los concretos y morteros, tanto en el estado fresco como endurecido. Se considera como aditivo todo producto adicionado hasta un máximo de 5% en relación a la masa del cemento. Por encima de este porcentaje debe ser considerado como adición y tener tratamiento distinto.

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Los aditivos normalmente son clasificados según su acción principal sobre los concretos y morteros, siendo de mayor interés para las reparaciones, refuerzos y protección, los aceleradores de fraguado y endurecimiento, los retardadores, los reductores de agua o plastificantes y los expansores. Los aditivos impermeabilizantes también pueden ser usados, sin embargo, en general reducen mucho la resistencia mecánica de los concretos, siendo mas recomendados para morteros de protección sin función estructural.

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4.1.3. Morteros poliméricos Son morteros a base de cemento Pórtland modificados con polímeros, que usan agregados con granulometría adecuada – generalmente continua atendiendo a las curvas de Bolomey; o discontinua, en el caso de alta resistencia a la abrasión – formulados especialmente con aditivos y adiciones que les confieren propiedades especiales. Son también llamados morteros de base mineral y el proceso de endurecimiento está basado en la reacción de los granos de cemento con el agua de mezclado. En general tienen contracción compensada y son tixotrópicos, permitiendo su uso en superficies verticales e inclinadas. 4.1.4. Inyección de lechada de base cemento La lechada es un material fluido y autonivelable en estado recién mezclado, destinado a rellenar cavidades y consecuentemente tornarse adherente, resistente y sin contracción en el estado endurecido. La lechada se puede emplear en la inyección de grietas menores de 0.5 mm de ancho en elementos de concreto o mampostería y en la preparación de la superficie de contacto entre concreto nuevo y viejo para mejorar la adherencia. En grietas de mas de 0.5 mm de ancho es preferible recurrir al uso de lechadas de morteros de cemento – arena. La lechada de base cemento está constituida por cemento Pórtland común u ordinario, cemento compuesto (con adiciones) o cemento de alta resistencia inicial, agregados de granulometría adecuada, aditivos expansores y aditivos superplastificantes. Para reducir la contracción y aumentar la fluidez de la lechada, es recomendable utilizarla en combinación con aditivos expansores y superplastificantes. Por sus características de alta fluidez, buena adherencia, baja contracción y alta impermeabilidad, este tipo de lechada es conveniente para reparaciones en locales de acceso difícil o en secciones densamente armadas. Existen en el mercado productos especiales (grouts) a base de cemento, aditivos y arenas seleccionadas, que se distribuyen en dosificaciones especificas para lograr lechadas de baja contracción que desarrollan altas resistencias a edad temprana. Estos materiales son muy útiles para el anclaje de conectores metálicos en el concreto.

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Para el resane de huecos, tanto en concreto como en mampostería, es conveniente recurrir al uso de morteros de cemento – arena en combinación con aditivos expansores que minimicen la contracción. Así mismo, se pueden emplear morteros epóxicos a base de resinas, de gran adherencia, alta resistencia y baja contracción, que también proporcionan excelentes resultados en el anclaje de conectores metálicos en el concreto.

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4.1.5. Morteros y lechadas orgánicos Son morteros y lechadas formulados con resinas orgánicas donde la unión y la resistencia del conjunto es dada por las reacciones de polimerización y endurecimiento de los componentes de las resinas, en ausencia de agua. El cemento Pórtland puede entrar en la composición del producto como un agregado fino también llamado rellenador, completando la distribución granulométrica y rellenando los vacíos de la arena, actuando como inerte. Normalmente resultan morteros y lechadas con elevada resistencia mecánica y química, apropiadas para ambientes altamente agresivos o en aquellos lugares donde son exigidos altos rendimientos en las reparaciones, refuerzo y protecciones. En general están formulados para uso en pequeños volúmenes y espesores, pues tienen elevada adherencia al sustrato y bajo modulo de deformación longitudinal, así como deformación lenta superior a la de los concretos y morteros de cemento Pórtland. Son también llamados morteros o revestimientos anticorrosivos. Las lechadas de base orgánica pueden ser formuladas con resina prácticamente pura, cuando se destinan a rellenar fisuras, siendo conocidas también como lechada para inyección de fisuras, teniendo baja viscosidad. Dentro de estos morteros podemos mencionar los siguientes y algunas de sus propiedades. • Morteros de base epóxica Los tipos más comunes de morteros y lechadas para esa finalidad son los de base epóxica, generalmente ofrecidos en dos o tres componentes; la resina (epóxica), el endurecedor (amina y/o poliamidas) y agregados seleccionados. Estos morteros poseen excelente resistencia a ácidos no oxidantes y álcalis, así como buena resistencia a algunos solventes orgánicos. Son atacados por ácidos oxidantes, blanqueadores y ambientes muy alcalinos. La resistencia térmica no supera los 70º C. Toleran pH en el intervalo de 2.0 a 10.0. Los epóxicos presentan óptimas propiedades físicas y mecánicas, además de buena adherencia en varios tipos de superficies.

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• Morteros de base fenólica Los morteros de base fenólica están constituidos de aglomerantes de resina de fenolformaldeido con relleno (sílica, carbono, coque pulverizado o barita) conteniendo un catalizador ácido.

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Tienen buena resistencia a la mayoría de los ácidos minerales y soluciones de sales inorgánicas y a soluciones levemente oxidantes, pero son rapidamente atacados por agentes oxidantes fuertes como los ácidos: nítrico, crómico y sulfúrico concentrado. Presentan comportamiento satisfactorio en soluciones levemente alcalina y en muchos solventes, sin embargo tienen poca resistencia a álcalis fuertes. La resistencia térmica va hasta 175º C y toleran pH de 0.7 a 0.9. El tiempo de uso de este tipo de morteros es corto y necesitan estar refrigerados hasta el momento de ser usados. • Morteros de base poliéster y de base estervinílica Los morteros de base poliéster y base estervinílica son productos tricomponentes constituidos por resinas en solución, catalizador y relleno inertes con modificadores de formulación. Este tipo de morteros tienen excelente resistencia mecánica y química y tienen óptima resistencia a la mayoría de los ácidos. No resisten los productos cáusticos ni los blanqueadores. Toleran pH en el intervalo de 0.9 a 13.0. Los morteros de base estervinílica tienen mayor resistencia química y térmica (hasta 115º C) que los de base epóxica. • Morteros de base furánica Los morteros de base furánica son constituidos por resina líquida, catalizador y relleno (sílica, carbono, barita o coque pulverizado). Estos morteros son resistentes a ácidos no oxidantes, a álcalis, a productos muy solventes, a sales, gases, aceites, grasas y detergentes. Pueden ser usados en temperaturas de hasta 200º C y en un intervalo de pH de 1.0 a 13.0. El calor acelera el curado del endurecedor y el frío lo retarda. 4.1.6. Revestimientos monolíticos Los revestimientos monolíticos, también llamados laminados, son constituidos de un refuerzo e forma de manta, tejido o fibras, generalmente de vidrio, poliéster o nylon, dispuesto en una o mas capas, embebidas por resinas de base estervinílica, epóxica, poliéster, furánica o fenólica. Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

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Las resinas representan la barrera química del revestimiento. Los refuerzos por quedar impregnados con la resina, auxilian la formación de una barrera química mas rica y posibilitan la aplicación de capas mas espesas de revestimiento. Además, los refuerzos auxilian en la reducción de la contracción durante el curado, sin embargo, reduce la flexibilidad del sistema. Las cargas minerales poseen un papel importante en la reducción del coeficiente de dilatación térmica, en la reducción de la contracción durante el curado, en la adecuación de la consistencia, además de posibilitar el aumento y el control del espesor del laminado, reduciendo su costo final.

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4.1.7. Adhesivos y primer Son materiales usados como puente de adherencia entre otros dos, siendo en general uno de ellos sobre la superficie de concreto viejo, también llamado de sustrato. Ofrecen una mejoría sustancial de la adherencia entre diversos materiales, tales como: concreto viejo/concreto nuevo, acero/concreto nuevo, concreto viejo/mortero base poliéster, etc. Los primer, además de actuar como puente de adherencia, pueden actuar como protectores del sustrato, o sea, como parte de un sistema de protección del acero de refuerzo contra la corrosión. Los adhesivos y primers más empleados son los de base epóxica y los llamados latex, o sea, base acrílica o base acetato de polivinilo o base estireno – butadieno. Los de base polivinilo (PVA) en general son reemulsionables lo que los torna no aconsejables para uso en locales húmedos o reparaciones y refuerzos de importancia. Los de base epóxica tienen un comportamiento estructural superior a los demás, sin embargo, tienen el inconveniente de requerir el sustrato seco, lo que no siempre es viable en obra. 4.1.8. Productos para anclaje y remediar barras de acero. Son productos de anclaje, en general de base polimérica, predominantemente poliéster bicomponente, o de base cemento, ambos de pegado rápido y ligeramente expansivos. Están disponibles para mezclar in situ, o en forma de cartuchos con el material ya dosificado. Para remediar barras de acero lo más común es usar un conector mecánico de presión (manguito), que no es otra cosa que una sección de un tubo de acero en el cual son introducidas – posicionadas tope a tope – las dos barras a remediar. Cuando este conjunto es sometido a presión la conexión se deforma contra las barras anclándose en las corrugaciones. Este proceso permite remediar barras tipo CA-50, con corrugaciones de 12.5 hasta 40 mm, y utilizar la capacidad total de resistencia mecánica de las barras remediadas. Existen otros tipos especiales de remedio mecánico, como por ejemplo, la que se forma cuando dos conectores mecánicos de presión, unidos cada uno a una barra de acero, se unen a través de un tornillo, para formar una única barra.

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Los remedios mecánicos tipo CCL, efectuadas por proceso de prensado, satisfacen lo que disponen las normas de estructuras de concreto. 4.1.9. Concretos y morteros de fraguado/endurecimiento rápido.

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En innumerables ocasiones es preciso realizar reparaciones rápidas que permitan por ejemplo la continuidad de la producción en industrias o la liberación del transito. Los productos pueden ser morteros elaborados con cemento aluminoso, que presentan fraguado rápido y alta resistencia en las primeras edades. Los cuales tienen el inconveniente que con el tiempo pierden parte de la resistencia alcanzada inicialmente, debido a la transformación morfológica que sufren los cristales de aluminato. Estos productos pueden ser también formulados con base en la reacción del magnesio con fosfato, que así como el anterior, desarrollan rápidas resistencias iniciales. Son también empleados para esta finalidad los materiales de base sulfato de calcio. 4.1.10. Soldadura y anclajes mecánicos La reparación de elementos de concreto y mampostería requiere con frecuencia la adición de acero de refuerzo y la fijación de conectores metálicos. Debido a las altas temperaturas que genera, el uso de soldadura para unir el acero de refuerzo nuevo con el viejo puede producir cambios en sus características mecánicas. Por esta razón, se debe efectuar la soldadura de acuerdo con las normas, poniendo especial atención en precalentar el acero y en evitar su enfriamiento rápido. Una alternativa para la unión de barras son los sistemas de extrusión. La necesidad de anclar elementos conectores metálicos en el concreto se puede resolver ahogándolos con lechadas o morteros. Otra opción consiste en recurrir a anclajes mecánicos como los clavos o pernos hincados por disparo; las barrenanclas y los taquetes. 4.2. Preparación y limpieza del sustrato La preparación y la limpieza del elemento a reforzar o reparar, es una acción tan importante que muchos autores consideran que el 50% o más del éxito de una recuperación o reforzamiento adecuado dependen de esta. 4.2.1. Preparación del sustrato La preparación del sustrato es entendida como un conjunto de procedimientos realizados antes de la limpieza superficial y de la aplicación de los materiales y productos de corrección, o sea son los tratamientos previos de la superficie de los elementos estructurales.

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Existen diversas técnicas con las cuales podemos realizar esta labor, sin embargo cada una de ellas tiene su ventaja y desventaja, lo cual depende en mucho de las condiciones en las cuales el elemento a reparar o reforzar se encuentra el momento de la acción. Por tal razón en la siguiente tabla se enlistan las técnicas y procedimientos mas utilizados.

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4.2.1.1. Escarificación manual

Usos más comunes: Preparación de pequeñas superficies y locales de difícil acceso con equipos mayores. Repicado de las superficies. Equipo: Puntero, cincel y mazo Procedimiento: Escarificación de afuera para dentro evitando golpes que puedan astillar las aristas y los contornos de la región que se trata. Retirar todo el material suelto, mal compactado y segregado hasta llegar al concreto sano, obteniendo una superficie rugosa y cohesiva, que propicie buenas condiciones de adherencia. Se debe prever apuntalamiento adecuado, cuando sea necesario. Ventajas: Poco ruido y ausencia de polvo excesivo, además no exige instalaciones específicas de agua o energía, ni mano de obra especializada Desventajas: Baja productividad, uso limitado. Después de la escarificación es necesario efectuar limpieza preferiblemente con aire comprimido para remover el polvo. Requiere cuidados para no comprometer la estructura.

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4.2.1.2. Escarificación mecánica

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Usos más comunes: Preparación de grandes superficies, repicado. Equipo: Rebaje electromecánico o maquina de desbaste (para pisos) Procedimiento: Escarificar de afuera para dentro para evitar astillar las orillas y cantos. En las superficies planas, remover la nata superficial y procurar crear la rugosidad debida en el concreto. Retirar todo el material suelto, mal compactado y segregado hasta llegar al concreto sano. Se debe prever el apuntalamiento adecuado cuando sea necesario. Ventajas: Alto rendimiento en la preparación, no requiere mano de obra especializada. Desventajas: Rendimiento bajo para espesores mayores de 1 cm. Requiere cuidados para no comprometer la estructura. Después de la escarificación es necesario proceder a la limpieza con aire comprimido, para remover el polvo. 4.2.1.3. Demolición

Usos más comunes: Preparación de grandes superficies, demoliciones. Equipo: Martillo neumático (20 kg) o electromecánico. Procedimiento: Retirar todo el material suelto, mal compactado y segregado hasta llegar al concreto sano. Se debe prever apuntalamiento adecuado. Ventajas: Permite el uso de varios martillos acoplados al mismo compresor (en el caso de martillos neumáticos). Alto rendimiento en la preparación. Desventajas: Requiere cuidados para no comprometer la estructura existente. La demolición no es adecuada para elementos estructurales esbeltos. Necesita de mano de obra especializada.

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4.2.1.4. Chorro de arena seca o húmeda

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Usos más comunes: Preparación de grandes áreas y locales angulosos. Equipo: Compresor de aire, equipo de chorro de arena, abrasivo (arena), manguera de alta presión, salida direccional y, eventualmente agua. La arena utilizada debe tener una granulometría adecuada, debe ser lavada, sin contener materia orgánica y tiene que estar seca en el momento de la utilización. La arena usada en los trabajos no es reutilizable. Procedimiento: Mantener la salida del chorro en posición ortogonal con relación a la superficie de aplicación. Se debe mover constantemente en círculos, distribuyendo uniformemente el chorro para una mejor remoción de todos los residuos que puedan perjudicar la adherencia. Ventajas: Prepara las superficies que serán recuperadas o reforzadas, eliminando todas las partículas sueltas, removiendo todo material que pueda afectar la adherencia de la capa protectora. Permite la limpieza del acero de refuerzo, removiendo los productos de la corrosión que se forman en su superficie. En caso de usar chorro húmedo se reduce la cantidad de polvo, ya que cada partícula queda envuelta en una película de agua. Desventajas: Provoca alto grado de suciedad y polvo en el ambiente (en el caso de chorro seco). No remueve fracciones con espesor mayor de 3 mm y, en ciertos casos, precisa escarificación previa. Después de la utilización del chorro seco, es necesario proceder a la limpieza de toda la superficie con aire comprimido.

4.2.1.5. Disco de corte

Usos más comunes: Retiro de rebabas, delimitación del contorno del área a ser reparada, abertura de surcos – ranuras para tratamiento de fisuras.

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Equipo: Maquina de corte dotada del disco diamantado. Procedimiento: Mantener el disco en posición ortogonal con relación a la superficie. Antes de iniciar, marcar con lápiz de cera o equivalente, el contorno del servicio a ser ejecutado.

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Desventajas: Requiere el uso de mano de obra especializada y accesorios adecuados. Dificultades en el acceso del equipo a algunas regiones específicas. Requiere cuidados con relación al control del espesor de corte para no dañar estribos o anillos ni acero de refuerzo.

4.2.2.

Limpieza de las superficies

La limpieza de las superficies es entendida como el conjunto de procedimientos efectuados instantes antes de la aplicación de los materiales de recuperación. La Tabla, reúne los principales procedimientos de limpieza. 4.2.2.1. Chorro de agua fría

Usos más comunes: Limpieza de grandes áreas. Equipo: Manguera de alta presión, equipo tipo lava-a-chorro y salida direccional. Procedimiento: Iniciar la limpieza por las partes mas altas, procurando mantener una presión adecuada para la remoción de partículas sueltas. Ejecutar, de preferencia, movimientos circulares con la salida del chorro para facilitar la limpieza de toda la superficie. Ventajas: Posibilita limpiar la superficie al mismo tiempo que la humedece. Desventajas: No es adecuado cuando los materiales de reparación requieren sustrato seco para una buena adherencia. 4.2.2.2. Chorro de agua caliente

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Usos más comunes: Limpieza de grandes áreas o locales levemente contaminados con grasas. Equipo: Manguera de alta presión, equipo tipo lava-a-chorro y salida direccional.

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Procedimiento: Iniciar la limpieza por las partes mas altas, procurando mantener una presión adecuada para la remoción de partículas sueltas. Ejecutar, de preferencia, movimientos circulares con la salida del chorro para facilitar la limpieza de toda la superficie. Ventajas: Ayuda a limpiar impurezas orgánicas tales como grasa, aceites, pinturas, etc. Cuando se mezcla con removedores biodegradables. Desventajas: No es adecuado cuando los materiales de reparación requieren sustrato seco para una buena adherencia. Requiere protección con guantes térmicos y operador calificado 4.2.2.3. Vapor

Usos más comunes: Preparación de grandes áreas y locales contaminados con impurezas orgánicas o minerales (sales). Equipo: Manguera de alta presión dotada de aislamiento térmico para evitar perdida de calor, salida direccional y caldera para generar vapor. Procedimiento: Si es en forma de chorro, el procedimiento es similar al descrito en chorro de agua fría. Ventajas: Ayuda a eliminar las impurezas minerales y orgánicas como grasa, aceite, pintura, etc; de preferencia, debe ser asociado a removedores biodegradables, para poder obtener mejores resultados. Desventajas: Exige operador especializado. 4.2.2.4. Chorro de aire comprimido

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Usos más comunes: Eliminación de polvo después de los procedimientos de preparación, como escarificación, escoba de acero o chorro de arena a presión. También es usado cuando en la superficie fuera aplicada una resina de base epóxica, que requiere sustrato seco y limpio.

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Equipo: Manguera de alta presión y compresor dotado de filtro de aire y de aceite, para garantizar la descontaminación. Procedimiento: Existiendo cavidades, colocar en su interior la extremidad de la manguera, ejecutando la limpieza del interior para el exterior. Una vez limpias, las cavidades deben ser rellenadas con papel, procediendo entonces a la limpieza de la superficie adyacente. Es importante comenzar siempre el proceso por las cavidades, pasando después para las superficies vecinas, para evitar depositar polvo en su interior. Ventajas: Elimina el polvo y permite, enseguida, la aplicación del adhesivo estructural de base epóxica, siempre que el sustrato este seco. Adecuado para limpieza de fisuras, antes de ejecutar el procedimiento de inyección de lechada. Desventajas: Es inadecuado para superficies húmedas.

4.2.2.5. Aspiración al vacío

Usos más comunes: Limpia en seco la superficie del concreto, adecuadas para recibir adhesivos y puentes de adherencia que exigen sustrato seco. Equipo: Aspirador de polvo industrial especialmente proyectado y equipado para aspirar polvo de concreto, con alta potencia. Procedimiento: Aspirar cuidadosamente las áreas que serán tratadas manteniendo la boca del aspirador próxima (2 mm) a la superficie del concreto. Ventajas: Retira partículas pequeñas (polvo) sin producir contaminación. Ideal para locales cerrados (sin ventilación). Desventajas: No retira partículas grandes ni húmedas.

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4.3. Criterios de reforzamiento en estructuras La necesidad de reparar o reforzar una determinada estructura, restaurando su seguridad y aumentando su durabilidad (vida útil), se ha convertido en una actividad cada vez mas común por una serie de razones; estructuras cada vez mas esbeltas, solicitaciones más intensas, ambientes mas agresivos, mayor conciencia y conocimiento por parte de los responsables del mantenimiento de las estructuras, recuperación o aumento del valor del inmueble, dificultades para demoler y reconstruir, cambios de uso de la obra y otros.

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Al realizar un proyecto de refuerzo, primero se determina el criterio principal de refuerzo correspondiente a la capacidad objetivo del refuerzo, es importante seleccionar el método de refuerzo mas adecuado. Cuando se emplea el refuerzo para aumentar la ductilidad, hay que prestar atención a que antes de desarrollar la ductilidad, el edificio sufre una gran deformación, y después del evento quedan muchos agrietamientos y deformaciones permanentes. Cuando se emplea el refuerzo para aumentar la resistencia en caso de que existan columnas frágiles o columnas cuyo mecanismo de falla es por cortante, es mejor usar el refuerzo para aumentar la ductilidad de estas columnas cuya capacidad de deformación es pequeña y así poder evitar la falla parcial del edificio. También, se debe decidir la parte de la estructura o elementos estructurales que deben mejorarse. La colocación básica de los elementos de refuerzo es un paso importante en un proyecto de refuerzo. Para mejorar la capacidad ante sismo de edificios existentes, existen los siguientes métodos en general: A) B) C) D) E)

Aumentar la resistencia Aumentar la ductilidad Mejorar la distribución de rigideces Reducir el peso propio Recuperar el deterioro de capacidad ante sismo debido a intemperismo

Dentro de estos métodos, los métodos de aumento de la resistencia y de aumento de la ductilidad son los métodos básicos, por lo que los métodos principales son: a) Por resistencia, (Aumentar la capacidad para soportar cargas). b) Por ductilidad, (Aumentar su capacidad de deformación). c) Por resistencia y ductilidad, (Refuerzo para aumentar la resistencia y ductilidad, RIGIDEZ) Donde cada método de refuerzo se recomienda de la siguiente manera:

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a)

Por resistencia. a1) a2) a3) a4)

b)

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Por ductilidad b1)

c)

Muro estructural adicional Diagonal adicional Muro patín Refuerzo de columnas y trabes (incremento de sección)

Refuerzo de columnas y trabes (incremento de acero)

Por resistencia y ductilidad

Donde cada método de refuerzo se puede lograr en los siguientes elementos estructurales. a1)

Muro estructural adicional

Muro colado in situ Muro prefabricado Muro de acero Muro de bloque de concreto a2)

Diagonal adicional

Diagonal en forma de X (en compresión y en tensión) Diagonal en forma de K Otros tipos de diagonales (forma de rectángulo o arco) a3)

Muro patín

Muro colado in situ Muro prefabricado a4)

Refuerzo de columnas y trabes

Mallas electro soldadas Placa de acero (tubo en rectángulo, tubo circular, anillos de placa) Plástico reforzado por fibras Separación de muros parapetos de la estructura principal Y además estos nuevos elementos estructurales deben tener conexiones para garantizar la funcionalidad con respecto a los elementos existentes lográndolo de la siguiente forma. Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

99

•

Muro estructural adicional y diagonal adicional

Conexión de anclajes Conexión de ancla ahogada en el grabado en concreto Conexión con empalme pegado Conexión con barras soldadas Conexión con ganchos Conexión con placas de acero soldado sin traslape Conexión con conectores •

Intituto Politécnico Nacional

Muro patín adicional

Conexión con anclaje Conexión con barras soldadas Conexión con pernos

4.4. Restauración y reforzamiento de elementos estructurales 4.4.1. Consideraciones generales En el proyecto de reparación se podrá optar por intentar restaurar la resistencia original de los elementos estructurales, o bien por reforzarlos después de su restauración inicial. En ambos casos es conveniente aumentar la ductilidad Se debe poner especial cuidado al modelar para su análisis el tipo de refuerzo utilizado, pues si este es solo para fuerza cortante, la rigidez por flexión seguirá siendo la del elemento original. Igualmente habrá que tener en cuenta la historia de carga, considerando en general que las cargas muertas son tomadas por los elementos originales, mientras que las cargas vivas y las de sismo son resistidas por el elemento y su refuerzo. El refuerzo de elementos provoca cambios importantes en su rigidez, que inciden en la magnitud de las fuerzas sísmicas y en su distribución en la estructura. Para evaluar estos efectos, basta en la mayoría de los casos con efectuar un análisis estructural que suponga el comportamiento monolítico del elemento original y su refuerzo. Será necesario revisar la relación de resistencia y rigidez entre vigas y columnas después del refuerzo, para comprobar que la aparición de articulaciones plásticas ocurra en las vigas antes que en las columnas.

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100

4.4.2. Restauración

(para nivel de daño I y II)

4.4.2.1. Inyección de grietas La inyección de resina o lechada en las grietas, es un procedimiento adecuado para la restauración de elementos de concreto o mampostería con daños no muy severos.

Intituto Politécnico Nacional

Con este procedimiento se puede llegar a recuperar la resistencia original, pero solamente del 70% al 80% de la rigidez, debido a la imposibilidad de inyectar la totalidad de las grietas. En elementos de concreto se recurre a la inyección de las grietas cuando no se ha producido el aplastamiento del concreto y son pequeñas. En grietas de 0.5 mm de ancho se emplea la inyección de resina. Para grietas de 0.5 a 5 mm de ancho es necesario mezclar las resinas con algún agregado. Para efectuar la inyección se deberá proceder a limpiar de polvo las grietas con chorro de aire y a sellarlas superficialmente con yeso o cinta adhesiva, dejando ahogadas boquillas metálicas de 1 cm de diámetro espaciadas de 20 a 50 cm Fig.32. Fig.32 1 1 2

1. Grietas;

Inyecciòn de columnas

grietas

en

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

2. Boquillas para inyección

Las resinas se introducen a presión principiando por la boquilla más baja y avanzando hacia arriba. La presión necesaria depende del ancho de la grieta y de la viscosidad del producto. Para grietas de mas de 0.5 mm de ancho se puede intentar la inyección por gravedad. El equipo de inyección puede ser tan simple como una pistola de calafateo, o tan complejo como un sistema que efectúe la dosificación y la mezcla de los componentes de la resina en forma automática en el momento de la inyección. En muros de mampostería con grietas entre 0.5 y 3 mm de ancho se puede recurrir a la inyección de resinas, aun que resulta más práctico el uso de una lechada de mortero de cemento – arena. Para grietas de 3 a 10 mm de ancho será necesario emplear algún aditivo expansor con la lechada. El procedimiento de inyección es semejante al descrito para elementos de concreto Fig.33.

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101

Grietas selladas después de limpiar y antes de inyectar mortero

Aplanado eliminado

Intituto Politécnico Nacional

Fig.33 Boquillas para la inyección

Inyecciòn de grietas en muros de mamposteria. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

4.4.2.2. Sustitución de materiales Esta técnica de restauración se recomienda cuando se tienen daños severos. Consiste en la reconstrucción del elemento, reemplazando los materiales dañados por otros en buen estado. Para lograr lo anterior, será indispensable liberar de carga al elemento en reparación mediante apuntalamiento. La preparación de las superficies de unión entre materiales viejos y los nuevos requiere de una limpieza previa mediante chorro de arena o en su defecto con cepillo de alambre y chorro de aire, a continuación de la cual, será necesaria la saturación con agua o la aplicación de lechada o de algún adhesivo a base de resina. En elementos de concreto se recurre a este método cuando se ha producido el aplastamiento del concreto o el pandeo del refuerzo. Se deberá proceder a remover el concreto dañado dejando una superficie rugosa, y en caso de que se requiera, se sustituirán los tramos de refuerzo pandeados por otros en buen estado, mediante su traslape con el refuerzo viejo, o con ayuda de soldadura o algún otro sistema de unión. En el colado se utilizará concreto con aditivos expansores, procurando usar una cimbra holgada que facilite la colocación del concreto, aunque queden sobrantes que haya que recortar posteriormente Fig.34a. Las Figuras 34 a 37, ilustran algunas aplicaciones de esta técnica en columnas, vigas, uniones y muros de concreto.

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102

a-a

9 10

a

1 Intituto Politécnico Nacional

a

a) 7

6 9

5 3

1

1 1

8 7

b)

4 2

Fig.34 Sustiruciòn de materiales en columnas. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

5 3 6

1

9

1 1

8 7

c)

5 2

3 6 9 1. Concreto original sano; 2. Concreto dañado; 3. Concreto nuevo; 4. Refuerzo original; 5. Refuerzo nuevo; 6. Estribos adicionales; 7. Soldadura; 8. Estribos existentes; 9. Refuerzo existente; 10. Cimbra

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103

Intituto Politécnico Nacional

m in . 3 0 c m

m in . 3 0 c m

Fig.35 m in . 2 0 c m

m in . 2 0 c m

Sustituciòn de materiales en vigas. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

barras de refuerzo original

barras de refuerzo original

Fig.36 Sustiruciòn de materiales en uniones. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Fig.37 Sustiruciòn de materiales en muros de concreto. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Grietas Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

104

También en elementos de mampostería con grietas de mas de 10 mm de ancho resulta recomendable proceder al reemplazo de las piezas dañadas usando un mortero rico en cemento. Una alternativa puede ser el sustituirlas por un castillo Fig.38.

Intituto Politécnico Nacional

Fig.38 Sustituciòn de materiales en muros de mamposterìa. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

4.4.3. Refuerzo de columnas

(para nivel de daño III y IV)

4.4.3.1. Encamisado con concreto reforzado Este procedimiento de refuerzo de columnas consiste en envolverlas con barras y estribos adicionales o malla eléctrosoldada y añadir un nuevo recubrimiento de concreto lanzado o colado in situ. La superficie del elemento por reparar, deberá picarse para obtener suficiente rugosidad. Si solo se encamisa la columna en el entrepiso Fig.39a., se obtiene un incremento en su resistencia ante carga axial y fuerza cortante, así como un comportamiento más dúctil, pero no se altera la resistencia a flexión original. Mejorar esta última implica extender el encamisado a través de la losa, prolongando el acero longitudinal por orificios que también faciliten el colado y añadiendo algunos estribos que atraviesen las almas de las vigas Fig.39b. a.

1 2 A-A

3 A

A

4

6 3 5

4

Fig.39 Encamisado de columnas con concreto reforzado. b.

3

2

4

6 B

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

B-B

1

B

5 3 4

1. Losa 2. Viga 3. Columna existente 4. Encamisado 5. Refuerzo adicional 6. Estribos adicionales

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105

El encamisado mas común es el que se efectúa todo alrededor de la columna. Si la columna es de sección rectangular el refuerzo se concentra cerca de las esquinas para permitir su confinamiento con estribos Fig.40b., ó bien se reparte de manera mas uniforme uniendo el refuerzo viejo al nuevo mediante conectores soldados Fig.40a. 1

a.

Intituto Politécnico Nacional

B-B 2 2 4

B

B

F

1

6

3

F

4

Encamisado completo de columnas.

5

5

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

7 5

b.

C-C

4

1

Fig.40

2 2 1

6

C

C

5 1. Columna existente 2. Encamisado 3. Pasador 4. Conectores 5. Refuerzo adicional 6. Estribos adicionales

5

Cuando existen restricciones de espacio, es posible encamisar por 1, 2 o 3 lados únicamente. En tal caso se puede recurrir al uso de ganchos Fig.41a., estribos soldados Fig.41b., o conectores entre el refuerzo longitudinal Fig.41c., para conseguir el monolitismo en el elemento. a.

A-A

3

A

A

Fig.41

5 4

1

2 5

b.

Encamisado parcial de columnas con concreto reforzado. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

B-B 5

6

B

B

3 4

1

2 6

c.

C-C

2 3

C

C

5

7 4

1

2 6

5

7 7

5

1. Columna existente 2. Encamisado 3. Refuerzo existente 4. Refuerzo adicional 5. Estribos adicionales 6. Soldadura 7. Conectores

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106

4.4.3.2. Encamisado metálico El encamisado metálico se puede efectuar mediante un esqueleto de perfiles unidos entre sí con soleras o varillas soldadas Fig.42a., o bien, con el recubrimiento total de la columna a base de placas Fig.42b.

4

4

Fig.42

2

1-1 1

1

2 1

Encamisado columnas.

3 2 3

Intituto Politécnico Nacional

2

de

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

3

A-A

a.

1

metàlico

A

1 5

A

2

6 7

B-B

b. B

B

7 5 1 6

1. Columna existente 2. Angulo de acero 3. Placa de acero 4. Placa de apoyo 5. Concreto nuevo o lechada 6. Encamisado con placa 7. Soldadura

C-C

c. C

C

7 3 5 1 2

En ambos casos se requiere especial atención para el diseño de la unión con las losas, que puede resolverse mediante un collar de ángulos Fig.42a. El espacio entre la camisa y la columna se debe rellenar con un mortero con aditivo expansivo o a base de resinas. El recubrimiento final con concreto reforzado con malla electrosoldada, otorga cierta protección contra la corrosión y el fuego y constituye un buen acabado. La dificultad de prolongar la camisa metálica a través de las losas, limita su efectividad a un mejoramiento de la resistencia a carga axial y fuerza cortante, así como de la ductilidad de la columna, sin modificar la resistencia a flexión en los extremos. 4.4.3.3. Encamisado con fibra de carbón El uso de fibra de carbón incrementa las características de confinamiento del concreto del elemento original, lo cual, aunque no incrementa la resistencia del elemento, sí incrementa considerablemente la capacidad de deformación y disipación de energía por deformación del mismo, independientemente de la geometría de la sección transversal. Un elemento que no cumple con los lineamientos de refuerzo lateral por confinamiento o por cortante, presenta nula capacidad de deformación y disipación de energía por deformación; la misma columna reforzada con encamisado de fibra de carbón presenta una capacidad de deformación (1/5 rad) superior en mas del 100 % a la deformación lateral máxima requerida por reglamento ante un sismo extraordinario.

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107

Con la fibra de carbón como refuerzo en elementos lineales columnas o vigas, se puede obtener una gran resistencia por cortante a la falla para cuantías menores de refuerzo lateral Fig.43. Columna original

Columna original

Intituto Politécnico Nacional Bobina

Tira

Cinta de fibra de carbon

Tina con material epóxico

Detalles del confinamiento de una columna con fibra de carbon.

Refuerzo con cinta de carbon

Refuerzo con tira de carbon

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Refuerzo por cortante de una columna de concreto reforzado

4.4.4. Refuerzo de vigas

Fig.43

(para nivel de daño III y IV)

4.4.4.1. Encamisado con concreto reforzado De manera similar a lo descrito para columnas, también se pueden reforzar las vigas con un encamisado de concreto teniendo las mismas precauciones que en caso mencionado. Si solamente se quiere reforzar la resistencia a flexión, se puede recurrir al encamisado de la cara inferior, usando conectores solados para unir el nuevo refuerzo al viejo, así como estribos adicionales que también serán soldados a los originales. Para proporcionar el anclaje adecuado en los extremos, se puede recurrir a un collar de ángulos alrededor del extremo de la columna Fig.44. Fig.44 A

Encamisado con concreto reforzado por flexiòn.

1

B

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

2

1 F A

G

3

B 7

1. Refuerzo existente 2. Estribos existentes 3. Refuerzo adicional 4. Estribos adicionales 5. Barra de unión soldada 6. Soldadura 7. Collar de ángulos

A-A B-B

H 2 1 H

1 7

3

F

1 6

1

4

G 1

5 3

5

3

3 7

3

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108

Cuando se requiere reforzar tanto para flexión como para cortante, el encamisado se puede efectuar en tres caras Fig.45a y Fig.45b. , o todo alrededor de las vigas Fig.45c.; en este último caso resulta factible añadir refuerzo por momento negativo. La perforación de la losa es necesaria tanto para pasar los estribos como para facilitar el colado.

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Fig.45 Encamisado por flexiòn y cortante de vigas con concreto reforzado.

a)

b)

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

c)

4.4.4.2. Encamisado metálico Para el refuerzo de vigas por flexión o cortante, se puede hacer uso de placas metálicas adheridas con resinas epóxicas y conectores mecánicos a las caras del elemento. Otra alternativa de refuerzo la constituye el empleo de estribos postensados exteriores que aumenten la capacidad a cortante y la ductilidad de la viga Fig.46. 2

1

3

3

4

4

1

1

6

2

5

5 1. Viga existente 2. Estribo 3. Placa 4. Tuerca 5. Angulo metálico 6. Soldadura

Losa de concreto

Losa de concreto

Trabe

Estribo

Colado adicional

Placa Sección original Estribo

4.4.5. Refuerzo de uniones viga – columna

Fig.46 Refuerzo de vigas estribos postensados.

con

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Trabe

(para nivel de daño III y IV)

4.4.5.1. Encamisado con concreto reforzado Con las mismas recomendaciones establecidas para el encamisado de columnas, se puede usar esta técnica en el refuerzo de las uniones viga – columna. El encamisado se puede efectuar localmente en el nudo Fig.47., o bien en combinación con el encamisado de vigas y columnas Fig.48.

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109 4

1

Intituto Politécnico Nacional 3

4

1

2

C-C

B

2

A

A

4

B

A

1. Barras longitudinales 2. Anillos horizontales 3. Estribos verticales 4. Estribos verticales

A 3

3 2

2

4 1

B

Fig.48

2

A

A

Encamisado completo vigacolumna-nudo. 5

6

4

B

7

Encamisado local de un nudo con concreto refrozado. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

4

C-C

Fig.47

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

3

1

A-A 3

C

C

5

7

4

B-B 2

5 7

3

1

1. Refuerzo de la columna 2. Refuerzo superior de la viga 3. Refuerzo inferior de la viga 4. Estribos verticales adicionales 5. Estribos adicionales en la viga 6. Estribos adicionales en la columna 7. Estribos adicionales en la columna

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110

4.4.5.2. Encamisado metálico En estructuras con marcos en una sola dirección, como es el caso de algunos edificios industriales, es posible reforzar las uniones con placas metálicas adheridas con resinas epóxicas y conectores mecánicos Fig.49. 2

Intituto Politécnico Nacional

3

5 5

4

2

4

Fig.49 1

1 5

4.4.6. Refuerzo de muros de concreto

1. Placa de acero 2. Placa de acero 3. Solera de acero

Encamisado metàlico de una uniòn viga-columna.

5. Soldadura

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

(para nivel de daño III y IV)

4.4.6.1. Incremento de secciones El aumento en el espesor de un muro de concreto significa un incremento en su resistencia al corte. Si además se requiere reforzar su capacidad para resistir la flexión, se debe aumentar particularmente la sección de sus extremos, concentrando en ellos buena parte del refuerzo adicional Fig.50. A-A a.

A

E

E

2 1 1

A b.

1

2 5

B-B

3

B

2

2 4 1

2

1

B C

2

1

C d.

1. Muro existente 2. Incremento de sección 3. Columnas adicionales 4. Soldadura 5. Conector

C-C

c.

2

1

2

Fig.50

1

D

D

D-D

1

Refuerzo concreto. 2

El concreto nuevo deberá anclarse al viejo mediante conectores ahogados en este con morteros epóxicos, o que atraviesen el muro si el refuerzo se tiene en ambas caras. La preparación de las superficies se hará como se indica en 4.2. Es preferible usar concreto lanzado que colado in situ. Para transmitir las fuerzas cortantes entre los muros y las losas, así como para lograr la continuidad necesaria para el trabajo a flexión, se puede recurrir a perforaciones en las losas que permitan el paso del refuerzo y faciliten el colado Fig.51.

de

muros

de

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

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111

B-B

B 2

2

3

1 A

A

4

Intituto Politécnico Nacional

1 6

5

B

A-A 3

2

6

4

1. Muro existente 2. Losa existente 3. Refuerzo longitudinal adicional 4. Malla adicional 5. Barras diagonales 6. Estribos adicionales

1

4.4.7. Refuerzo de muros de mampostería

Fig.51 Continuidad del refuerzo en muros de concreto. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

(para nivel de daño III y IV)

4.4.7.1. Recubrimiento con mortero reforzado Este tipo de refuerzo se efectúa recubriendo el muro con malla electrosoldada o malla de alambre y un aplanado de mortero. La malla deberá unirse al muro mediante conectores espaciados de 50 a 60 cm en ambas direcciones. Aunque se puede trabajar en una sola cara, los mejores resultados se obtienen cuando el recubrimiento se coloca en las dos y los conectores atraviesan el muro Fig.52. malla mortero

10

Fig.52 Recubrimiento de muros de mamposteria.

10

50 - 60

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

50 - 60

perforación zona agrietada

conector

+ 100 cm

Para restaurar tan sólo la resistencia original en muros de tabique rojo o de tabicón, se puede recurrir a eliminar el aplanado original 0.5 m en ambos lados de la zona agrietada y después de resanar las grietas, colocar una capa de malla de alambre de tejido rectangular unida al muro con taquetes, aplanando nuevamente con mortero de cemento.

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112

4.4.7.2. Refuerzo de uniones La mampostería sin confinamiento tiene la tendencia al volteo de sus muros por efecto del sismo, debido a la precaria unión entre ellos. La introducción de un sistema de liga constituye un buen refuerzo para este tipo de estructuras, cuyo representante más típico son las casa de adobe.

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El uso de tirantes horizontales, además de servir de liga entre los elementos de la estructura, contribuye a mejorar su resistencia al corte Fig.53. En este caso se pueden aprovechar las alternativas de soporte provisional vistas en la rehabilitación inmediata o de emergencia.

Fig.53 Refuerzo con tirantes de muros de mamposteria. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Otro procedimiento de refuerzo consiste en el uso de cadenas perimetrales de concreto, o de madera, con o sin contrafuerte adicional. En estructuras de mampostería con techos de armaduras de madera o acero, es posible reforzar la liga entre el techo y los muros para evitar su volteo, rigidizando el techo mediante contraventeo en su plano y reforzando su anclaje a los muros. También se puede recurrir a la faja de mortero reforzado similares en su fabricación al recubrimiento descrito en el inciso anterior, cuidando de mantener la continuidad de la malla de alambre en las esquinas. 4.5. Reestructuración de edificios de concreto reforzado 4.5.1. Consideraciones generales Será necesario modificar la estructura de un edificio dañado, cuando de la evaluación definitiva se desprenda que no es suficiente el refuerzo de sus elementos para cumplir con la capacidad sismo – resistente exigida por las normas en vigor, o bien, que la causa principal de los daños se debió a una estructuración deficiente, por exceso de asimetría e irregularidades en planta o en elevación. La forma de corregir la estructuración es principalmente mediante la inclusión de nuevos elementos que aumenten y balanceen la rigidez y la resistencia. Estos pueden ser:

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113

a) b) c) d) e)

Muros de rigidez Muros de relleno Marcos, armaduras y contraventeo Contrafuertes Muros de mampostería

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La elección del plan de reestructuración deberá efectuarse para cada problema particular en función de sus limitaciones. En importante tener en cuenta la compatibilidad entre la rigidez de la estructura original y la de los nuevos elementos; si ambas son del mismo orden de magnitud, como sería el caso de añadir marcos a una estructura también a base de ellos, puede considerarse un trabajo de conjunto, pero si por el contrario son muy dispares, como en el caso de incluir muros de rigidez en una estructura de marcos, puede resultar mas conveniente diseñar los elementos nuevos para tomar toda la carga lateral, sin descuidar la revisión de las fuerzas que se introducen en la estructura original. De particular importancia resulta que el diseño de las conexiones entre los nuevos elementos y la estructura original, garantice la continuidad. Deberá tambien considerarse que es también indispensable revisar la transmisión a la cimentación de las cargas que actúen en los nuevos elementos, lo que puede llevar a la necesidad de modificarla, o bien de construir una cimentación para ellos. Los siguientes incisos se describen con mas detalle los distintos tipos de elementos que se pueden utilizar en una reestructuración.

4.5.2. Muros de rigidez

(para nivel de daño III y IV)

La inclusión de muros de concreto reforzado es una de las soluciones mas efectivas para reducir las excentricidades de una estructura y aumentar su capacidad sismo – resistente; además de rigidizar la estructura y reducir sus asimetrías; si embargo, presenta el problema de producir grandes concentraciones de carga en la cimentación. Es importante garantizar la continuidad vertical del muro, sobre todo en el acero de refuerzo por flexión de los extremos La alternativa mas cómoda consiste en colocar los muros en la periferia del edificio sin interferir con el funcionamiento del mismo. En este caso, la conexión con la estructura original se puede efectuar mediante estribos anclados en el sistema de piso, o bien a través del colado de una losa adicional de unión Fig.54. Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco

114

1

Intituto Politécnico Nacional

3

5 4

3

1. Muro de rigidez adicional 2. Concreto viejo 3. Concreto nuevo 4. Refuerzo nuevo 5. Estribos adicionales 2

Fig.54 Muros de rigidez perifèricos Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

2 5

Cuando es necesario colocar los muros en el interior de la estructura, la conexión con las losas se efectúa a través de orificios en ellas que permiten el paso del refuerzo longitudinal de los extremos del muro y parte del refuerzo intermedio, estos orificios facilitan la operación de colado Fig.55. 2

1

1

Fig.55

1

Muros de rigidez interiores.

2

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

A-A

C

C

4 5

5

C-C

4

2

3

1. Muro de rigidez adicional 2. Estructura original 3. Concreto nuevo 4. Refuerzo nuevo 5. Estribos adicionales

B-B

D

D

4 5

5

4

C-C

3

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115

4.5.3. Muros de relleno

(para nivel de daño III y IV)

Los muros de relleno son muros de concreto reforzado o de mampostería, ubicados en los ejes de columnas de una estructura Fig.56.

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Fig.56 Muros de relleno Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

El comportamiento de los muros de relleno puede ser semejante al de muros de rigidez cuyo refuerzo en los extremos lo constituyeran las columnas de la estructura original, siempre que la unión entre los muros y las vigas y columnas garanticen la continuidad. En caso contrario, el muro se comporta como un diafragma que introduce grandes fuerzas cortantes en las columnas y en las vigas, lo que además puede hacer necesario el refuerzo de estos elementos. En las Figuras 57, 58 y 59 , se muestran algunas alternativas de conexión de muros de relleno de concreto reforzado. 4

a.

1

2

5

b.

Fig.57 1

2

Muros de relleno conectores soldados.

con

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa. 3

3 6

2

6

4

1

2

6

1

5

6

1. Muro de relleno 2. Columna original 3. Pasador de concreto 4. Conector soldado 5. Estribos soldados adicionales

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116

pasador

Intituto Politécnico Nacional muro de relleno si existe suficiente refuerzo en la columna

b. Fig.58 Muros de relleno con conectores ahogados en mortero epòxico. si es necesario añadir refuerzo vertical

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Fig.59 Muros de relleno unidos a una columna por encamisado. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Una variante de los muros de relleno que no impide el paso por la crujía, la constituye el uso de muros a ambos lados de un solo eje de columnas Fig.60. En este caso debe tenerse especial cuidado de revisar el efecto sobre las vigas que ven reducido su claro significativamente.

Fig.60 Muros de relleno parcial Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

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117

4.5.4. Marcos armaduras y contraventeo

(para nivel de daño III y IV)

Cuando las necesidades de circulación e iluminación, limitan la utilización de muros rigidizantes, se puede recurrir al uso de marcos o armaduras verticales, tanto de concreto reforzado Fig.61., como metálicos Fig.62. En el primer caso, las alternativas de conexión con la estructura existente son las mismas que para los muros de rigidez, en el segundo se puede recurrir a conectar los elementos horizontales de la armadura mediante elementos metálicos ahogados en perforaciones hechas previamente en las losas Fig.62.

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Fig.61 F-2

F-1

Estructura original

Inclusiòn de marcos concreto.

Marcos adicionales

de

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa. F-2

F-1

2 1

Fig.62 Inclusiòn de armaduras verticales de acero. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

1

3

7

2

A

A 4

5

A-A

C

C

6

7

C-C

4 6

1. Armadura de acero adicional 2. Estructura original 3. Pasador de acero 4. Perfil de acero horizontal 5. Perfil de acero diagonal 6. Placa de conexión 7. Concreto nuevo

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Si la resistencia de vigas y columnas de la estructura original es suficiente, sobre todo por cortante, se puede recurrir a la inclusión únicamente del contraventeo para rigidizar la estructura Fig.63. Intituto Politécnico Nacional

Fig.63 Estructura rigidizada mediante contraventeo diagonal metalico. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

4.5.5. Contrafuertes

(para nivel de daño III y IV)

Cuando no se tienen limitaciones de espacio en el exterior del edificio dañado, es posible utilizar contrafuertes que tomen las fuerzas laterales en estructuras de poca altura. De manera similar que con la utilización de muros y marcos de concreto, deberá atenderse a la revisión de las conexiones con la estructura original Fig.64.

Fig.64 Rigidizaciòn contrafuertes.

mediante

Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Esta solución tiene la ventaja de que su construcción interfiere muy poco con la utilización del edificio.

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4.5.6. Muros de mampostería

(para nivel de daño III y IV)

La reestructuración de edificaciones construidas a base de muros de mampostería, se puede llevar a cabo añadiendo nuevos muros. La conexión entre los elementos nuevos con los viejos puede efectuarse mediante el colado de nuevos castillos o bien con conectores de concreto reforzado Fig.65.

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Muro nuevo

A

A

Muro existente

Fig.65 Refuerzo horizontal A -A

Conexión entre muros de mamposteria. Reparaciòn de estructuras de concreto y mamposterìa.

Debe revisarse el refuerzo del muro si este es de mampostería hueca, o su confinamiento con dalas y castillos si es de piezas macizas.

4.5.7. Dispositivos disipadores de energía

(para nivel de daño III y IV)

El uso de sistemas disipadores de energía tan simples como son los dispositivos de disipación pasiva tipo panel de cortante, presenta características importantes de comportamiento antes sismo, las que pueden resumirse como sigue (Takahashi et al., 1995; León at al., 1996): Puede incrementar en mas de 100 % la capacidad de disipación de energía por histéresis; El amortiguamiento histerético equivalente alcanza valores del orden de 25 % del amortiguamiento; Degradación de resistencia importante (mayor al 20 % de la resistencia máxima alcanzada durante el ensaye) para deformación de entrepiso dentro de los estados límite reglamentarios (por ejemplo 1/50 rad para el reglamento de Japón); Las características de comportamiento, para un mismo tipo de dispositivo disipador, no presentan variación importante ante sismos de características dinámicas diferentes.

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Existen otro tipo de dispositivos mas sofisticados, como son los dispositivos con mecanismos de disipación activa cuya respuesta es controlada en tiempo real por una computadora (los que por su gran complejidad se ha concentrado su uso en edificaciones que albergan oficinas y laboratorios de investigación de algunas compañías de construcción). También existen dispositivos sofisticados dentro de aquellos con mecanismos de disipación pasiva, como sería el uso de paneles de acero estructural “ahogados en un material viscoso, usados en un edificio de diecinueve niveles en la ciudad de Shizouka, capital de la provincia del mismo nombre y localizada en la zona de mayor sismicidad dentro de Japón.

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Así mismo existen otros dispositivos como son los ADAS, tipo U, etc. De la cual se muestran algunos detalles.

4.5.8. Disipadores aisladores de base

(para nivel de daño III y IV)

Este tipo de dispositivos, como su nombre lo indica trata de aislar a la estructura, y a diferencia de los dispositivos disipadores de energía, la energía sísmica no incide directamente en el sistema estructural. Las características de respuesta de un edificio habitacional de 15 niveles en la vecindad de Tokio, al cual se le colocaron dispositivos aisladores de base. Se observa que el nivel de demanda en la superestructura se reduce en porcentajes similares a la reducción de aceleraciones máximas incidentes en la misma. En la vecindad de la ciudad de Kobe, las estructuras con sistemas de aislamiento sísmico en la base no sufrieron daño estructural, corroborando su alto nivel de seguridad y efectividad en el comportamiento ante sismo.

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Recomendaciones para la construcción del refuerzo estructural

5.1. Comentarios sobre rehabilitación y refuerzo de elementos estructurales

5.1.1. Rehabilitación El proceso de reparación tiene como objetivo garantizar que las características estructurales de resistencia, capacidad de deformación y rigidez sean iguales antes y después de haber sufrido el daño. Por tal razón se plantearon técnicas en capítulos anteriores para poder alcanzar este objetivo. Las características de los materiales, acero y concreto, empleados en la reparación, deberán ser iguales o superiores a las características de los materiales empleados en la estructura original. En cuanto al procedimiento de inyección de resina epóxica en grietas, se deberá verificar que la resina entre adecuadamente y suficientemente en la grieta. Sin embargo, deberá tener precaución en no dañar al concreto al aplicar presiones de inyección de resina muy altas. También, cuando se empleen métodos de encamisado o adición de concreto, el acero de refuerzo que sufrió deformación debido al daño, se deberá corregir adecuadamente, o bien se deberá sustituir. 5.1.2. Refuerzo En cuanto al refuerzo, el objetivo es proporcionar valores de resistencia y ductilidad a los elementos superiores a aquellos que tenían antes de la incidencia del daño. Para ambos casos, rehabilitación y reforzamiento, será necesario realizar los trabajos de construcción con suficiente cuidado para lograr el comportamiento monolítico entre el concreto nuevo y viejo. Por tal motivo, es usual proporcionar un acabado rugoso a la superficie del concreto viejo y colocar aditivos al concreto nuevo. El acero de refuerzo que haya presentado deformaciones debido al daño de deberá corregir con un procedimiento adecuado durante los trabajos de rehabilitación o bien proceder a su remoción y reinstalación. También, con el propósito de no ejercer un efecto nocivo en la estructura existente, será necesario considerar algunas medidas adecuadas en cuanto a la higiene, así como cuidados suficientes en cuanto a la seguridad durante los trabajos de construcción.

5

122

5.2. Ejemplos de aplicación 5.2.1. Museo del Templo mayor I. Introducción

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En el siguiente apartado presentamos la metodología aplicada por CENAPRED para la evaluación inmediata de estructuras que han sido afectadas por un sismo, la cual nos indica el nivel de daño que tiene el edificio en estudio. II. Descripción del sismo En el sismo del 19 de septiembre de 1985, el cual se origino en Michoacan se registro una magnitud de 8.5 y las intensidades en el Distrito Federal variaron entre VI en la periferia del Valle de México a VIII o IX en las zonas circunscritas del centro de la ciudad. Inició en forma leve (intensidad II a III) y gradualmente se incrementó a un movimiento oscilatorio casi monocromático, con períodos del orden de 2 segundos, que duró más de 2 minutos. En algunas zonas se observaron deformaciones del pavimento que sugieren la presencia de ondas estacionarias con amplitudes de hasta 30 cms. III. Descripción general del edificio El Museo del Templo Mayor se encuentra ubicado en la colonia Centro Histórico, Delegación Cuauhtemóc aun lado del Zócalo. El Templo Mayor es el edificio principal del recinto ceremonial de la Antigua Tenochtitlán, el cual fue descubierto entre 1978 y 1982. Para poder conservar este legado y patrimonio cultural de la humanidad, el gobierno del Distrito Federal, pone en marcha la construcción del inmueble (Museo del Templo Mayor), que resguardara y conservara todos los vestigios hallados en las excavaciones de las diferentes zonas de la ciudad de México. El edificio en su interior esta dividido en 8 salas las cuales presentan exposiciones de diferentes hallazgos en la zona arqueológica del Centro Histórico. Cada uno de los niveles se subdivide a su vez en 2 partes, lo cual corresponde a 2 salas por nivel. Además, como podemos apreciar en el corte longitudinal, encontramos en el interior del inmueble la zona administrativa, que se localiza en la parte mas elevada, ó ultimo nivel. También, en la parte mas baja encontramos lo que es el sótano seguido del siguiente nivel que corresponde a la planta baja o acceso.

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Intituto Politécnico Nacional SALA 4 Y SALA 5 SALA 3 Y SALA 6 SALA 2 Y SALA 7 SALA 1 Y SALA 8

Fig.66 Corte longitudinal. Museo del Templo Mayor.

III. Descripción arquitectónica del edificio El inmueble desde el punto de vista arquitectónico es de estilo moderno en comparación con las construcciones colindantes, que son de estilo colonial, se proyecto para el uso exclusivo del acervo y exhibición de vestigios históricos patrimonio de la nación. Su geometría general es de forma rectangular y en la parte central del edificio se cuenta con un domo de 15.70 x 19.85. En lo que respecta a distribución de espacios fue diseñado simétricamente para salas de exhibición contenidas en los niveles 1, 2, 3, 4; oficinas administrativas en el 5 nivel. En el sótano podemos ubicar un foro teatral, almacenes y varias oficinas de mantenimiento. Las dimensiones generales son: en su dirección longitudinal que es de Oeste a Este es de 56.45 m. y en su dirección transversal que va de sur a norte es de 40.95 m., con un área de construcción de 2311.62 m2. La altura de la construcción es de 24.50 m. En lo que corresponde a elementos arquitectónicos, en fachada no sobresale del alineamiento ningún elemento excepto en el acceso principal, el cual cuenta con un pórtico de vidrio polarizado, que es sostenido a su vez por cancelaría metálica para oficina y fijado mediante procedimientos establecidos; la altura de este va desde planta baja, hasta el ultimo nivel. Los acabados exteriores en muros del edificio es de cantera de 0.40 x 0.60m de color beige. III. Descripción estructural del edificio El edificio es una estructura compuesta o mixta, lo que refiere a combinación de elementos en concreto y en acero. Cimentación: La cimentación corresponde a una losa de concreto reforzado, con un peralte de 100 cm de espesor, la cual se desplanta sobre grupos de pilotes que trabajan a fricción precolados con 28.50 mts. de profundidad.

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El diámetro de los pilotes es de 50 cm y fueron armados con acero fy=4200 kg/cm2 y concreto f´c=250 Kg/cm2. Superestructura: La superestructura esta conformada en su totalidad por marcos resistentes a momento. Las columnas se presentan en forma mixta, de concreto y de acero. El concreto de f’c=250 kg/cm2 y el acero A-36 fy=2350 kg/cm2. Las trabes en planta baja son elementos rectangulares de concreto reforzado. Posteriormente en los siguientes niveles se presentan trabes principales y secundarias compuestas por armaduras de acero, formadas por ángulos de distintos calibres. El cubo de elevadores se presenta en forma de muros estructurales que trabajan al cortante, de concreto armado con f’c=250 kg/cm2.

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Hablando del sistema de piso, existen dos tipos, el primero es una losa monolítica de concreto reforzado con un peralte de 12 cm que se localiza en la planta baja, y la segunda corresponde a losa – acero con un peralte de 6 cm de espesor que se localiza en los entrepisos del edificio.

Planos estructurales existentes Clave ME-1

Nombre Armado de pilotes

ME-2

Distribución de pilotes

ME-3 ME-4 ME-5 ME-6 ME-7 ME-8 ME-9 ME-10 ME-11 ME-12 ME-13 ME-14 ME-15 ME-16 ME-17 ME-18 ME-19 ME-20 ME-21 T-1/2 T-2/2 E-1 E-3 E-4 E-E/1 E-E/1 E-1/T

Planta de Cimentación Cortes de Cimentación Columnas Nivel Planta Baja Cortes de planta baja Trabes de nivel planta baja Planta nivel 1 Planta de niveles 2 y 3 Planta de niveles 4 y 5 Planta de Azotea Armaduras Armaduras Armaduras Armaduras Armaduras Armaduras Armaduras Conexiones Tipo Detalle de cuarto de maquinas Plantas tipo Levantamiento Topográfico Escaleras de servicio Rampas heleicodales Detalles de Escaleras Casa de Maquinas Elevadores Escaleras de Servicio Muro Tzolipantli Apuntalamiento y base definitiva de la Coyoaxauqui Trabes y columnas recubiertas en patio central

EC-2 EPC-1

Observaciones Cortes y detalles Localización de columnas y muros de concreto Cortes de Losa Detalles de Armado Incluye armado de losa Detalle de armado Detalle de armado Tapa cuarto de maquinas Localización de trabes Localización de trabes Localización de trabes Detalles de armado Detalles de armado Detalles de armado Detalles de armado Detalles de armado Detalles de armado Detalles de armado Tabla de soldaduras Cortes Cortes y detalles Cortes y detalles Cortes y detalles Cortes y detalles Cortes y detalles Cortes y detalles Cortes y detalles 2 copias

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IV. Nivel de daño de la estructura Tomamos como base para nuestra investigación las Normas para la Evaluación del Nivel de Daño por Sismo en Estructuras, editado por Takeshi Jumonji 2da. Reimpresión diciembre 2001, las cuales forman parte de un acervo técnico difundido por el CENAPRED (Centro Nacional de Prevención de Desastres).

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Esta norma nos enumera como primer punto ó inicio, una inspección visual de toda la estructura prestando mayor atención a cada uno de los elementos principales que conforman el edificio. Para el trabajo, se formo una brigada de 2 personas que se dio tarea a la inspección de cada nivel del edificio. Al termino de la labor nos dimos cuenta que todos los elementos principales no tenían indicios de algún tipo de falla importante, ya sea por cortante ó flexión hablando de elementos de concreto, solo presento algunas ligeras grietas menores de 2mm. Para los elementos en acero (los cuales son en su mayoría trabes), se tomo principal atención en algún tipo de fisuramiento en las uniones (soldadura), además de oxidación por filtración de agua en la losa y una posible flecha por la fatiga de los elementos. De los puntos que anteriormente se mencionaron solo pudimos percibir la presencia de una ligera oxidación en las uniones con la placa base que empotran a las columnas. A continuación se aplica el formato de nivel de daño para la estructura el cual es parte de la Norma que se esta aplicando. Al termino de la aplicación del formato pudimos determinar que la estructura presenta, en la actualidad, un Nivel Daño Ligero, con lo cual se da por terminada la revisión que se le hace al inmueble. Anexo 2.

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5.2.2 Hacienda del Ciervo Torre B I. Introducción. Como anteriormente se menciono la necesidad de realizar una evaluación estructural a detalle depende en gran medida de las condiciones en las que se encuentre el inmueble en estudio; sin embargo y para efecto de la revisión del siguiente edificio se tomo como justificación el posible Subdiseño de los elementos estructurales que la conforman. Planos estructurales (Anexo. 5)

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Una de las características importantes y desfavorables que presenta el edificio para su análisis es la configuración irregular en planta, por tal motivo, además de la altura del edificio, se opto por realizar un análisis dinámico modal. II. Datos técnicos Se trata de un edificio de concreto reforzado el cual se clasifica como estructura Subgrupo B1. La altura total del edificio es de 31 mts y será destinado a vivienda. Se localiza en Zona I, con un coeficiente sísmico de 0.16 para efectos de revisión. Las cargas vivas consideradas son las siguientes: Carga viva máxima Carga viva instantánea Carga viva media

Wm = 170 kg/cm2 Wa = 90 kg/cm2 W = 70 kg/cm2

Las cargas muertas consideradas son las siguientes: Po.Po. Muros divisorios Muro perimetral Cubo de elevadores

250 kg/m2 1000 kg/m 1000 kg/m

III. Topología de la estructura. El primer paso que se dio para la creación de un modelo representativo de la estructura fue su topología. Esta fue creada en un archivo de Autocad y guardada con una extensión DXF. Debe contener un trazo que cruza por todo los ejes de los elementos teniendo cuidado de crear un nodo en cada una de las intersecciones de la planta. Posteriormente se importa a algún programa de análisis estructural el cual tenga la opción de importar archivos con la extensión DXF., para nuestro ejemplo utilizamos el Staad.Pro 2004, ya que cuenta con la opción de importar archivos con la extensión antes mencionada

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III. Propiedades mecánicas y geométricas de los materiales Dentro del programa Staad.Pro 2004, en el apartado de General, existe una carpeta que define las propiedades de los elementos, ya sean estos de concreto o de acero. Aquí es donde se definen las dimensiones de columnas y trabes además de su geometría. Los elementos que conforman nuestra estructura son columnas de forma rectangular de concreto reforzado y trabes en forma de T. Las propiedades mecánicas del concreto se obtendrán en función a lo dispuesto en el RCDF, NTC, ya que no se realizo ningún tipo de prueba en campo al concreto. Entre otras cosas por denotar el soporte se idealizo como empotres al terreno. IV. Estados de carga y Análisis Modal Los estados de carga que siguientes: Load 1 Load 2 Load 3 Load 4 Load 5 Load 9 Load 10 Load 11 Load 12

se definen para el análisis estructural son los Carga Viva Máxima Carga Viva Instantánea Carga Viva Media Carga Muerta Sobre Carga Muerta Sismo en X Sismo en Z Torsión en X Torsión en Z

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Y las combinaciones que se definen son las siguientes: 6 Comb1 7 Comb2 8 Comb3 13 Comb4 14 Comb5 15 Comb6 16 Comb7 17 Comb8 18 Comb9 19 Comb10 20 Comb11

1 1.0 2 1.0 3 1.0 2 1.1 2 1.1 2 1.1 2 1.1 2 1.1 2 1.1 2 1.1 2 1.1

4 1.0 4 1.0 4 1.0 4 1.1 4 1.1 4 1.1 4 1.1 4 1.1 4 1.1 4 1.1 4 1.1

5 1.0 5 1.0 5 1.0 5 1.1 5 1.1 5 1.1 5 1.1 5 1.1 5 1.1 5 1.1 5 1.1

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11 1.1 11 -1.1 11 -1.1 11 1.1 11 0.33 11 -0.33 11 -0.33 11 0.33

12 0.33 12 0.33 12 -0.33 12 -0.33 12 1.1 12 1.1 12 -1.1 12 -1.1

Como se menciono anteriormente se realizara un análisis dinámico, lo cual nos llevo a la creación de dos estados de carga, Load 9 (Sismo en X) y Load 10 (Sismo en Z), los que se mencionan con anterioridad. En alguno de los dos estados de carga, en nuestro caso Sismo en X, se especifico la masa que se excitará al momento del sismo, esta masa corresponde al Po.Po. de la estructura, Carga Viva Instantanea, Carga Muerta y Sobrecarga Muerta, las cuales se generan para que actúen en los tres ejes coordenados positivos (XYZ). Continuando, y después de haber generado la masa, se tiene que definir el espectro de diseño sísmico que aplicara a la estructura en estudio. Para poder definirlo hacemos uso de las N.T.C. para Diseño por Sísmo, Cap. 3. El cual nos indica lo siguiente:

a = a0 + (c − a0 )

T Ta

si T < Ta

a=c

si Ta Tb. Posteriormente los valores obtenidos se multiplicaron por la aceleración de la gravedad.

No.

T

c

a

1

0.1

0.10

0.9810

2

0.2

0.16

1.5696

3

0.4

0.16

1.5696

4

0.6

0.16

1.5696

5

0.8

0.16

1.5696

6

1.0

0.16

1.5696

7

1.2

0.16

1.5696

8

1.3

0.16

1.5696

9

1.4

0.15

1.4715

10

1.5

0.14

1.3734

11

1.6

0.135

1.3244

12

1.7

0.127

1.2459

13

1.8

0.12

1.1772

14

1.9

0.11

1.0791

15

2.0

0.10

0.981

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V. Análisis Sísmico por Torsión Lo que se ha venido revisando a lo largo de este subcapitulo, es el complemento para un análisis Dinámico Modal. Al momento de crear nuestro espectro de repuesta sísmica, el programa genera los modos de vibración de la estructura, para nuestro caso se crearon 17 modos de vibración.

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El siguiente paso y para poder realizar una análisis mas a detalle fue realizar un análisis sísmico por torsión. Como se menciono con anterioridad la configuración sumamente irregular en planta dio la pauta para tomar nuevas alternativas en la obtención de valores, tales como rigidez de entrepiso y cortantes en marcos. Lo primero que se realizo fue determinar la localización del Centro de Cargas y Centro de Torsión de la planta. Para tal proceso se hizo la descarga por nivel en columnas para conocer el peso del edificio, además de obtener el valor del cortante por entrepiso de los estados de carga Sismo en X y Z, para cortante en dirección X, utilizo el estado de carga Sismo en X y viceversa. Anexo 6. Cabe mencionar que para obtener un cortante directo o puro, de los estados de carga Sismo en X y Sismo en Z se esclavizo el movimiento de giro sobre el eje Y, lo que hace que el edificio no sufra efectos de torsión. La esclavización se hace para los nodos del entrepiso de la estructura.

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El método que se presenta para la obtención del centro de torsión es similar al del centro de cargas, la única diferencia es que sustituimos la carga axial en columna, por el cortante en columna. En otras palabras se basa en el conocimiento del valor del cortante total del entrepiso para ambas direcciones.

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Igualmente, y hablando ahora de Rigidez, otro valor necesario para conocerla en cada marco que se presenta en la estructura, fue necesario obtener del modelo general los desplazamiento por entrepiso que genera el análisis. Para la dirección X, utilizo el desplazamiento obtenido por la acción del Sismo en X y viceversa. Como sabemos: Vi = R∆ Por lo tanto

R=

Vi ∆

Bajo este esquema podemos determinar la rigidez de cada marco en función de la fuerza cortante acumulada en ambas direcciones, dividiendo el valor entre el desplazamiento de entrepiso. Anexo 7. En las Normas Técnicas Complementarias para diseño por sismo, se nos especifica que el cortante de entrepiso acumulado debe ser mayor que 0.8VE, por tal motivo fue necesaria la elaboración de un análisis estático en nuestro ejemplo con el fin de comparar los cortantes obtenidos por el análisis dinámico. Si alguno de los cortantes dinámicos es mas bajo que el estático, se utilizara el cortante del análisis estático para la obtención de las fuerzas que actúan en el efecto por torsión. En la siguiente tabla, se muestra la comparativa de los cortantes obtenidos para cada análisis. ANALISISESTATICO

ANALISISDINAMICO

NIVEL

PT

PE

HE

PE(HE)

Fi

VE

0.8(VE)

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

544.00 1086.00 1632.00 2175.00 2717.00 3264.00 3805.00 4350.00 4894.00 5438.00

544.00 542.00 546.00 543.00 542.00 547.00 541.00 545.00 544.00 544.00 5438.00

31.00 27.90 24.80 21.70 18.60 15.50 12.40 9.30 6.20 3.10

16864.00 15121.80 13540.80 11783.10 10081.20 8478.50 6708.40 5068.50 3372.80 1686.40 92705.50

153.33 137.49 123.11 107.13 91.66 77.09 60.99 46.08 30.67 15.33

153.33 290.82 413.93 521.07 612.73 689.81 750.81 796.89 827.56 842.89

122.66 232.66 331.15 416.85 490.18 551.85 600.65 637.51 662.05 674.31

fi =

0.0091

VDINAMICO(ENX) VDINAMICO(ENZ) 178.73 226.12 316.53 399.01 471.13 531.24 575.88 613.85 634.80 642.45

183.19 233.25 327.87 410.37 480.80 539.93 587.02 620.30 639.21 646.37

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132

El ultimo valor por definir en el Análisis Sísmico por Torsión es el valor del coeficiente Q, el cual esta en gran medida en función de la configuración de la estructura. Para nuestro análisis optamos por proponer un valor de Q = 2. Y revisando las condiciones de regularidad de la estructura se tuvo que castigar este valor con Q * 0.7, Anexo 8.

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Al termino de obtener las fuerzas por torsión, se crean dos estados de carga en al Staad.Pro 2004, Torsión X y Torsión Z. Para posteriormente crear las combinaciones pertinentes (comb4 a comb11). Ya teniendo las combinaciones habilitadas, se le pide al programa que genere una envolvente con la cual obtendremos los elementos mecánicos mas desfavorables para la revisión de los factores de seguridad. A continuación, se presentan los factores de seguridad obtenidos para los marcos mas desfavorables: • Factor de seguridad por flexión en trabes, Anexo 9. MARCO C MARCO E MARCO 4 • Factor de seguridad por cortante en trabes, Anexo 10. MARCO C MARCO E MARCO 4 • Factor de seguridad por flexocompresión en columnas, Anexo 11. COLUMNA C-03 COLUMNA C-09 COLUMNA C-10 • Factor de seguridad por cortante en columnas, Anexo 12. COLUMNA C-03 COLUMNA C-07 COLUMNA C-08 COLUMNA C-09 COLUMNA C-10 COLUMNA C-11

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5.3. Dictamen técnico Como dictamen técnico definitivo, podemos mencionar que los marcos analizados de forma cuantitativa (MARCO C, MARCO E, MARCO 4) NO PRESENTAN PROBLEMAS al estado limite de falla, ya que los factores de seguridad están por arriba del 1.0. Esto hablando de la revisión por flexión y por cortante en vigas.

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En columnas, la revisión estructural arroja resultados por flexocompresión y por cortante arriba del 1.0, lo cual nos indica que NO PRESENTA PROBLEMAS al estado limite de falla. Con lo cual se da por concluido el trabajo de revisión estructural, haciendo notar que el edificio en estudio en términos generales no tiene problemas por capacidades de carga de los elementos que lo conforman. 5.4. Conclusiones Cabe mencionar que la metodología que se mostró anteriormente es una fuerte herramienta para revisar edificios con problemas en su seguridad estructural. Con este documento se dio a conocer diversas técnicas y procedimientos constructivos que se encuentran inmersas en el mercado de la ingeniería y la construcción sobre la reparación en estructuras de concreto reforzado. Así mismo es importante mencionar que la revisión de la capacidad sismoresistente de sistemas estructurales es una tarea muy laboriosa y de mucho detalle, lo que represento un trabajo de mayor cuidado que el mismo diseño de los sistemas estructurales. Hoy en la actualidad, hablando del diseño estructural, los despachos e ingenieros encargados de realizar este tipo de trabajos se apoyan demasiado en los softwares de diseño. Hay que recordar que estos son herramienta potencial de trabajo, sin embargo, el recurrir al diseño por este medio sin conocer los conceptos fundamentales para un buen análisis y una buena idealización de la estructura, nos puede llevar a incurrir en errores fatales al determinar la capacidad resistente de los elementos que conformaran al sistema estructural. Lo cual se refleja en el sub-diseño de los mismos. Lo anterior se puede observar en los factores de seguridad obtenidos para la Torre B Hacienda del Ciervo. Esta torre tiene problemas de inestabilidad a la presencia de un sismo, por lo tanto se tendrán que tomar medidas de reforzamiento en algunos elementos como columnas y trabes los cuales los factores de seguridad estén por debajo del 1.0.

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Anexos 1. Formatos de inspección y evaluación estructural

IMCYC

DT-01 Elevación

Edificios colindantes

Observaciones exteriores del inmueble

Anexos 1. Formatos de inspección y evaluación estructural

IMCYC

DT-02 CROQUIS DE PLANTA TIPO Entrepiso (s)_______________

Nivel (es)_______________

Anexos 1. Formatos de inspección y evaluación estructural

IMCYC

DT-03.1 TIPIFICACION DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES Tipo de Elemento, Dimenssiones/Material/Refuerzo

NOMENCLATURA K C M T D L Z

Castillo Columna Muro Trabe Dala Losa Cimiento o zapata

Ø Diametro (cm) e

AD CR CP MM MD AC

Espesor (cm)

Adobe Concreto Reforzado Concreto Prefabricado Mampostería Madera Acero

DT-03.2 SOLUCIONES ESTRUCTURALES POSIBLES

Reparación (R)

Es la recuperación de las propiedades originales de resistencia y rigidez del elemento estructural; por ejemplo, el empleo de morteros o resinas para unir agrietamientos.

Refuerzo y reparación (RR)

Es el mejoramiento de las propiedades de resistencia y rigidez del elemento estructural; por ejemplo, el aumento de las dimensiones y del acero de refuerzo del elemento.

Recostrucción, refuerzo y reparación (RRR)

Es la modificación total de las propiedades de resistencia y rigidez del elemento estructural; por ejemplo, la demolición parcial o total del elemento y la construcción de otro con materiales y refuerzos diferentes.

Anexos 1. Formatos de inspección y evaluación estructural

IMCYC

DT-04.1 PARAMETROS FUNDAMENTALES DE EVALUACION ESTRUCTURAL 1. Materiales (MAT) 2. Dimensiones (DIM) 3. Desplomes y Desniveles (DES) 4. Armado o refuerzo (ARM) 5. Cargas o solitaciones (CAR) 6. Daños (DAÑ)

DT-04.2 CLASIFICACION DE DAÑOS Daños menores (DMN)

Los daños carecen de importancia para estabilidad de la construcción y ésta puede dejarse en su situación actual.

Daños mayores locales (DML)

Los daños carecen de importancia para la estabilidad de la construcción si y sólo si ésta es reforzada (RR) localmente.

Daños mayores globales (DMG)

Los daños afectan a la estabilidad de la construcción y ésta debe ser reconstruida (RRR) globalmente.

DT-04.3 DEFINICION DE MAGNITUD DE DAÑOS Ligeramente dañado (LD)

Prácticamente no se requiere reparación; por ejemplo, pequeñas fisuras, desprendimiento de recubrimientos y acabados, problemas no importantes de humedad, etc.

Moderadamente dañado (MD)

Se requiere reparación de daños menores; por ejemplo, grietas que pueden repararse sin necesidad de refuerzo, problemas importantes de humedad, etc.

Fuertemente dañado (FD)

Se requiere de refuerzo y reparación de daños mayores; por ejemplo, fracturas que disminuyen la resistencia y rigidez del elemento, problemas de estabilidad del elemento, etc.

Severamente dañado (SD)

Se requiere de reconstrucción del elemento; por ejemplo, dislocaciones con perdida de material, colapsos o derrumbes, etc.

Anexos 1. Formatos de inspección y evaluación estructural

IMCYC

DT-05 REGISTRO GENERAL DE DAÑOS Elemento estructural

Magnitud daños

Niv. o Ent, Localización, Tipo LD MD FD SD

Observaciones MAT

DIM

DES

ARM

CAR

DAÑ

Registro Solución detallado R RR RRR

Anexos 1. Formatos de inspección y evaluación estructural

IMCYC

DT-06 REGISTRO DETALLADO DE DAÑOS Elemento:

Hoja (Niv, o Ent, Ejes, Tipo Elem) Croquis detallado

Conclusiones y recoendaciones

Fecha: OBSERVACIONES

de

Anexos 2. Formatos de inspección y evaluación estructural

CENAPRED

Formato para inspección y evacuación de la clasificación y nivel de daño (para estructuras de concreto reforzado) NUMERO DE INMUEBLE:_________

INSPECTOR:

AFILIACION:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

NOMBRE:

RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DE NIVEL Y CLASIFICACIÓN DE DAÑO : ( X ) DAÑO LIGERO ( ) DAÑO MENOR ( ) DAÑO MEDIO ( ) DAÑO SEVERO ( ) COLAPSO

FECHA DE INSPECCION:

AÑO: 2003

MES:

Marzo

DIA:

HORA:

EVALUACION DE REPARACION, REFUERZO O DEMOLICION (NIVEL DE INTENSIDAD SISMICA RESULTANTE _______) ( ) REPARACION ( ) REFUERZO ( ) DEMOLICION NECESIDAD E IMPORTANCIA DE UNA INSPECCION DETALLADA ( ) NECESARIA ( X ) NO NECESARIA ( ) SUPERESTRUCTURA ( ) ESTRUCTURA DE CIMENTACION

NOMBRE: MUSEO DEL TEMPLO MAYOR

NOMBRE DEL EDIFICIO

DIRECCION: Seminario No. 8 Col. Centro Historico NOMBRE: Instituto Nacional de Antropologia e Historia

DUEÑO O USUARIO DEL EDIFICIO

(

DIRECCION:

) GENERAL

USO DEL EDIFICIO

INFORMACION Y DESCRIPCION DEL EDIFICIO

( X ) PUBLICO

(

) OFICINAS (

(

) OTROS (

) RESIDENCIAS (

) DEPARTAMENTOS

) TIENDAS (

) FABRICAS (

) BODEGAS

(

) JARDIN DE NIÑOS (

(

) GIMNASIO (

) ESCUELAS (

) EDIFICIOS GUBERNAMENTALES (

) HOPITALES ( X ) OTROS

) CENTRO COMUNITARIO

( MUSEO )

(

) CONCRETO REFORZADO

(

(

) MAMPOSTERIA

( X ) COMPUESTA ACERO - CONCRETO

) CONCRETO PRECOLADO

TIPO DE CONSTRUCCION

( X ) MARCOS RESISTENTES A MOMENTO SISTEMA ESTRUCTURAL

ESTRUCTURA DE CIMENTACION

(

) OTROS (

(

) SUPERFICIAL O DE CONTACTO

NUMERO DE NIVELES

) MUROS ESTRUCTURALES )

SUPERESTRUCTURA: ____5____PISOS,

DIMENSIONES DE EDIFICIO

( X ) PROFUNDA O DE PILOTES

PENTHOUSE:________PISOS,

LONGITUD MAYOR: _______56.45________ m, LONGITUD MENOR: _______40.45________ m.

TOPOGRAFIA DEL TERRENO

(

) TERRENO PLANO ( X ) TERRENO INCLINADO (

(

) OTROS (

(

) CAÑON A (_________ m)

) HONDONADA

)

EXISTENCIA DE DOCUMENTACION DE DISEÑO: ( ( X ) EXISTE

) ANTIPLANO (

(

) RIO, MAR, LAGO, PANTANO A (_________ m)

( ) CONCRETO ( ) MORTERO ( ) AZULEJO ( ) PIEDRA ( ) MUROS PRECOLADOS ( DE CONCRETO PREFABRICADO ( ) BLOQUES ( ) PLACAS DE CONCRETO LIGERO ( X ) OTROS ( Material de cantera de 60 x 40 cm )

MATERIALES DE ACABADOS EXTERIORES

(

MEMORIAS DE CALCULO

) NO EXISTE )

BITACORA DE OBRA:

( (

(EVALUACION CONSIDERANDO EL ASENTAMIENTO TOTAL DEL EDIFICIO) ) SIN DAÑOS (S = 0)

SOTANO:____1____PISO

UN PISO APROXIMADAMENTE:

CONFIGURACION DEL SUELO Y TERRENO

PLANOS DE DISEÑO:

(

TIPO DE CARACTERISTICAS:

PLANTA

(

( )

( X ) DAÑO MENOR (0 < S 0.50, D3 = 30) > 0.50, D2 = 13) > 0.50, D1 = 5)

( 7 ) CLASIFICACION DEL PORCENTAJE DE DAÑO Y PERIDIDA SEGUN EL VALOR DE D ( (

) SIN DAÑO (D = 0) ) DAÑO MEDIO (10 < D