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¿QUÉ ES UNA ESTRUCTURA? Una estructura es un elemento o conjunto de elementos cuya función es transmitir cargas. Y es que, aunque no lo parezca, las estructuras están llenas de vida: un flujo permanente de fuerzas circula por ellas. El ingeniero trata de determinar con la mejor aproximación cuál es la magnitud de las fuerzas que pueden actuar sobredeterminada estructura y así dimensionar sus elementos para que puedan transmitirlas en forma segura. Usualmente las Normas de cada país dan recomendaciones obligatorias, que permiten calcular los diferentes tipos de fuerzas y garantizar con esto un mínimo de seguridad para las condiciones específicas de cada lugar. En general las estructuras de las casas o edificios para vivienda están conformadas por pórticos o por muros estructurales. II.- FALLAS PRODUCIDAS EN EDIFICACIONES DE ESTRUCTURAS DE MUROS PORTANTES Y APORTICADOS POR FUERZAS SISMICAS. PRINCIPIOS DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL EN ZONAS SÍSMICAS Como se explicará más adelante los muros en zonas sísmicas tienen que ser reforzados, existiendo varias formas de hacerlo, una de ellas consiste en colocar refuerzo en las celdas (que posteriormente se inyectan) y en las pegas, sistema que constituye la llamada mampostería estructural, la cual tiene unos procedimientos de cálculo definidos en la norma y por esto hace parte del campo de diseño del Ingeniero. Otra forma consiste en “confinar” los muros por medio de columnas y vigas de amarre, método ampliamente utilizado en el País y que corresponde al procedimiento utilizado en el título E “Casas de 1 y 2 pisos” de la Norma Sismo Resistente, especialmente adecuado para el enfoque práctico del diseño y construcción de casas, y por este motivo esta publicación hará énfasis sobre dicho sistema estructural, el cual ha sido investigado en muchas partes del mundo. Para que la estructura pueda efectuar bien su trabajo, además de estar bien diseñada, debe estar bien construida y con materiales de primera calidad. De estos requerimientos podríamos concluir una primera regla básica de la construcción sismo resistente:

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Los muros deben cumplir algunos requisitos para que sean eficientes: Deben reforzarse, estar bien construidos, pero además debe existir una trayectoria clara en la transmisión de fuerzas, lo que significa que debe existir continuidad entre los muros estructurales del primer y segundo nivel. Los sismos normalmente producen en las casas agrietamientos típicos como se indica en la figura 1.

Figura 1. Los agrietamientos producidos por los sismos son típicos. Su análisis nos permite concluir qué refuerzos son necesarios para evitar que se propaguen y causen el colapsode la vivienda. Analicemos un poco más el comportamiento en la casa de un piso, considerando inicialmente que no tiene cubierta, ya sea porque falló por estar mal anclada a los muros, o porque no existen vigas de amarre debidamente traslapadas sobre los muros. En este caso (Figura 2a) al actuar la fuerza sísmica sobre la pared A, rápidamente se forman grietas de flexión haciendo completamente ineficientes estas paredes, las cuales fallan fácilmente, debiendo ser resistidas las fuerzas únicamente por la paredes B, las cuales a su vez tienden a fisurarse como se indica en la (figura 25b). La casa así agrietada tiene una alta probabilidad de colapso. La falta de amarre superior conduce además a fallas en dirección de la fuerza como se muestra en la figura 3.

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A

B Figura 2. Formación de grietas en una casa no reforzada durante un sismo.

Figura 3. Un muro sin viga de amarre superior, aún sin vanos, falla de la forma indicada. I. FALLAS PRODUCIDAS POR LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES Los asentamientos diferenciales prevalecen en proyectos constructivos, particularmente donde hay presencia de agua. Los asentamientos diferenciales producen que una parte de la estructura se asiente mientras que lo restante permanece estático. Estos esfuerzos requieren ser transferidos a toda la estructura. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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Los cimientos sobre terreno con contenido arcilloso se expanden ante la presencia de agua siguiendo esta secuencia. La presencia de agua expande el volumen del suelo hasta una fuerza de aprox. 4 kg/cm2, el muro ejerce una presión hacia abajo de aprox. 2 kg/cm2, de manera que ante la presencia de determinada cantidad de agua podemos tener esfuerzos del terreno que empujen a la mampostería hacia arriba. A su vez existe una relación inversa entre agua y resistencia de un suelo arcilloso. A mayor expansión menor resistencia. Luego si el contenido de agua sigue aumentando, por ejemplo por largos periodos de lluvias o pérdida de la capacidad de absorción del terreno, se pierde rápidamente volumen y el mecanismo se invierte. El fenómeno puede colocar al suelo en el límite plástico con un porcentaje de humedad del 26%. El problema mas complejo lo presentan los asentamientos diferenciales que son los que mas comúnmente provocan grietas. Si el alto contenido de humedad se debe a hechos puntuales como rotura de caños, falta de canaleta, etc observaremos grietas en forma de V invertida o verticales. Si hablamos de grandes paños pueden verse incluso despegue de hiladas de ladrillos en forma horizontal o de arco. Ejemplos: En estos gráficos se presenta una buena muestra de las alternativas que podemos encontrar por este fenómeno.

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II. FALLAS PRODUCIDAS POR DILATACION El muro se calienta y al enfriarse se contrae sometiendo al mismo a un esfuerzo de tracción que provoca, en general, fisuras verticales.

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Si hay anclajes entre las columnas y la pared, estas grietas aparecen a poca distancia de las columnas, si no tiene anclajes en el centro del paño. Estas fisuras verticales son contrarrestadas por el peso propio del muro. A su vez estos esfuerzos de contracción se traducen en empujes horizontales que accionan contra los elementos a los cuales están vinculados. Este tipo de esfuerzo esta más vinculado a los arriostres que pueden ceder parte de su anclaje, que en problemas en los planos de asiento.

Empuje producido por la expansion de la losa sobre las paredes.

Empujes en el plano del muro

Fisuras típicas en cargas de muros, por expansión de losas y contrapisos de terrazas sobre los bordes. Este tipo de acciones es mayor en paredes que miran al Norte y Oeste, en el hemisferio Sur, y Sur y Este en el hemisferio Norte. Retracción hidráulica en dif. Materiales: La retracción hidráulica de los bloques de cemento comprimido es de aprox. 0,5mm/m, en el concreto armado 0,2 o 0,3 mm/m por lo tanto es importante almacenarlos en obra sin exposición a la intemperie ni tratamiento térmico y utilizar morteros capaces de retener el agua. III. REPARACION DE EDIFICIOS DE ALBAÑILERIA.

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Con bastante frecuencia se presenta la necesidad de reparar o reforzar edificios con estructura de “albañileria reforzada”, ya sea por reazones de daños sufridos en la estructura por una causa externa , principalmente sismo, o por necesidades de remodelacion o ampliacion. Cabe aclarar que muchos edificios antiguos no han sido diseñados con una estructura de “albañileria reforzada”sino mas bien, como estructuras de concreto armado con algunos muros portantes de cargas exclusivamente verticales y de sismo, (horizontales) como estructuras de “albañileria reforzada”.En algunos de estos edificios, la configuracion estructural y la capacida sismoresistente de las estructuras suelen ser defectuosas. En el ambito de estructuras no diafragmadas, podemos ubicar el caso de las construcciones antiguas, tipicas de la ciudad de arequipa, que son estructuras de sillar techadas con bobedas de sillar en arco cilindrico de medio punto o arcos rebajados. REPARACION Y REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE ALBAÑILERIA REFORZADA DAÑADA. La reparacion y reforzamiento van siempre juntos y son requeridos por los daños ocurridos en la estructura a causa de los sismos; estos daños se manifiestan en los muros de albañileria, en la forma de rajaduras diagonales cruzadas y/o aplastamiento de los ladrillos en las esqunas interiores del muro. Las remodelaciones suelen requerir solamente reforzamiento. Por lo dicho anteriormente, para los casos de edificaciones antiguas es imprescindible definir primero, cuales de ellas deben ser consideradas estructuras de “albañileria reforzada”. Las pautas de esta clasificacion son las siguientes: Se considera para efectos de clasificación, como estructuras de “albañilería reforzada”, los siguientes casos: a. Edificios antiguos de albañileria con techos de concreto armado. b. Los edificios estructurados en concreto armado que tienen muros de albañileria, portantes de cargas verticales. c. Los edificios estructurados exclusivamente con una estructura aporticada de concreto armado;la cual no es capaz de soportara cargas horizontales originadas por sismos, necesitando para este proposito usar muros de albañileria como elementos portantes de las cargas horizontales (de otra forma el portico de concreto armado UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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sufriria deformaciones y esfuerzos incompatibles con la resistencia del concreto armado) . d. Los edificios diseñados con estructuras de albañileria reforzada, en cualquiera de sus formas: albañileria confinada, albañileria armada y albañileria del tipo sandwich. En estos proyectos y obras de reparacion, debemos distingir los siguientes casos: 1. Para estructuras de “albañilería reforzada”con diafragma. a. Reparacion y reforzamiento de estructuras dañadas por sismos. b. Reforzamiento de estructuras de albañileria reforzada, para proyectos de remodelacion y/o ampliacion; con el objeto de darles capacidad sismo-resistente. 2. Para estructuras de “albañilería reforzada”sin diafragma. a. Reparación y reforzamiento de estructuras dañadas por sismos. b. Casos especiales de estructuras con techos abovedados. OBJETIVO DE REPARACION El objetivo de la reparación es transformar la estructura en una estructura sana, que además cumpla con las exigencias de los reglamentos de construcción vigentes engañad sida una capacidad sismo resistente. Se define estructura sismo resistente, aquella que cumple con los siguientes requisitos: • • • •

Ser construida con material estructural resistente. Poseer ductibilidad. Tener buena configuración estructural. La reparación en si, consiste en definir y diseñar una nueva estructura que tenga configuración adecuada, o que incluya nuevos muros de refuérzala construcción de estos nuevos muros y la reparación de los existentes, dañados, que no quieren ser cambiados por concreto.

PROCESO DE REPARACION El proceso de reparación implica los siguientes casos: a. Investigación de planos y análisis de la estructura existente para llegar a un diagnostico de los daños. En caso de no contarse con planos, hay que efectuar un levantamiento arquitectónico y estructural del edificio. b. Propuesta de reparación, que incluye la ubicación de elementos de concreto armado que refuercen la estructura, UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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le proporcionen una buena configuración estructural, y el máximo de ductibilidad alcanzable en términos prácticos. c. Análisis de la nueva estructura propuesta para definir su idoneidad y proceder al diseño. d. Construcción de refuerzos y ejecución de la reparación. IV. REPARACION Y REFORZAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES. INTRODUCCION: A.- REPARACION.- Cualquier operación para restablecer el comportamiento estructural de un elemento o estructura con daños a su comportamiento. B.- RESTAURACION.- Conseguir que la edificación sea utilizable. Después de de un sismo muchas veces se requiere la reparación de elementos estructurales existentes de concreto armado con el fin de restablecer la resistencia perdida. Si se desea aumentar la resistencia sísmica de una edificación dañada o no dañada por un sismo debe reforzarse los elementos estructurales existentes. Es de gran importancia conseguir adherencia entre el concreto existente el concreto nuevo, puede obtenerse cincelando la cubierta de concreto del miembro original y haciendo áspera su superficie y utilizando pegamento poxico, barras adicionales soldadas, doweles, etc. Debido al cambo de rigidez de los miembros deben considerarse la redistribución de las fuerzas internas entre los elementos estructurales resistentes. C.- REFORAZMIIENTO.- Cualquier operación que incremente el comportamiento estructural de un elemento estructural a su comportamiento original. METODOS DE REFORZAMIENTO ESTRUCTURAL: CLASIFICASION: A.- Incremento de resistencia. B.- Combinación de resistencia y ductivilidad. C.- Incremento de ductivilidad. REPARACION Y REFORZAMIENTO DE COLUMNAS. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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1.- REPARACIONES LOCALES. Para reparar columnas de grietas ligeras (con grietas de 0.1 a 0.5 mm.) sin daño en el concreto ni en el refuerzo, son aplicables inyecciones de resinas apoxicas. En el caso de grandes grietas (ancho de 2 a 5 mm.). Se aplican inyecciones de lechadas de cementos con apoxico. Como el concreto esta dañado ligeramente, el concreto suelto es removido, la superficie es picada y el polvo limpiada. Dependiendo de la cantidad de concreto removido puede añadirse refuerzo o estribos adicionales. Temporalmente, el encofrado y el concreto deberán ser colocados más allá de su configuración final, con el fin de obtener un concreto suficientemente compactado. Un día después puede procederse al desencofrado respectivo y a emparejar el concreto nuevo. Cuando el refuerzo longitudinal esta pandeado, los estribos son cortados y el concreto es picado. Si totalmente se quiere reparar, no se necesita cambiar las dimensiones de la sección de la columna. El concreto suelto y el refuerzo dañado deben ser removidos, se colocara nuevo refuerzo longitudinal el que se soldara al refuerzo existente, y se colocaran estribos adicionales. Deben usarse concretos con bajas propiedades de contracción. Debe prestarse una atención especial a la adherencia entre el concreto nuevo y el antiguo. REFORZAMIENTO DE COLUMNAS El propósito de este reforzamientos es mejorar la resistencia sísmica de una edificación aumentando la capacidad sismo resistente de sus columnas siendo uno de los siguientes métodos. A.- Incrementando la ductivilidadd de la secciones de la columna evitando la falla frágil por fuerza cortante. Este método puede aplicarse a edificaciones que tienen pocos muros de corte y a columnas que tienen una resistencia ultima al corte menor que su resistencia ultima flexión. B.- Compensación de la rigidez de las columnas. Este método puede aplicarse a edificaciones donde la distribución de la fuerza cortante en el nivel de análisis es significativamente desigual debida a la existencia de muros de relleno. C.- Aumentando la capacidad a la flexión de las columnas.

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REFORZAMIENTO INCREMENTANDO LA DUCTIVILODAD DE LAS COLUMNAS. Existen varios procedimientos de tipos de construcciones. - Aumentando la sección de la columna añadiendo una malla de alambres soldadas adyacentes ala columna existentes. - Aumentando la sección de la columna existente añadiendo estribos soldados adyacentes ala comuna existente. - Encajar la columna existe con una sección de área rectangular o circular - Encajar la columna existente con correas de acero. Para el uso de cualquier tipo de construcción indicada debe considerarse brechas de 3cm., en la parte superior e inferior de la columna. En el caso de usarse mallas de alambre soldados, el tipo de unión en C es más conveniente que la forma en L. La longitud de empalme medida entre la separación mayor de alambres transversales de cada malla debe ser mayor que el espaciamiento de los alambres transversales mas de 10cm. Y mayor que 20cm. Es conveniente que la separación y el ancho de la corea sea de 10cm, el espesor de los perfiles y correas de acero no debe ser menor que 2.3cm. CONEXIÓN VIGA-COLUMNA. Las conexiones viga columna son las zonas mas criticas debido ala concentración de esfuerzos para la formación de rotulas plásticas en las secciones criticas concurrentes en el nudo. Para re0araciomes locales de grietas y sin daño en el refuerzo pueden ser aplicadas inyecciones apoxicas. Para reparaciones con remoción o reposición de materiales se sigue el mismo proceso que el de columnas ENVOLTURA DE CONCRETO ARMADO: La envoltura es conveniente cuando las vigas y columnas de la conexión son también sometidas a procesos de envoltura. Para una buena conexión la cobertura de concreto de las junta debe ser picada. Para estructuras fuertemente dañadas es recomendable conectar las envolturas de las vigas, columnas y juntas. El refuerzo adicional de la columna y de la viga debe pasar a través de la junta. Debe colocarse estribos horizontales y UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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verticales adicionales dentro de la junta para proporcionar una capacidad adecuada al cortante y al confinamiento.

V.

PROCEDIMIENTO:

“IDENTIFICACIÓN DE LAS FALLAS ESTRUCTURALES DEL COLEGIO DE MENORES JUAN XXIII” UBICACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO: Departamento: Cajamarca Distrito: Cajamarca Provincia: Cajamarca

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♦ En el colegio de menores Juan XXIII se pueden observar fallas por asentamientos diferenciales.

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FALLAS ENCONTRADAS EN LA ESTRUCTURA:

Fig.01 Fachada Principal del Colegio Falla producida por asentamiento en un muro perimetral en el C.E. Juan XXIII jr. Juan XXIII

Fig.02 Falla producida por humedad en forma horizontal o de arco. Ubicado en el C.E. Juan XXIII

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Fig.03 Fisuras en la loza debido a los asentamientos diferenciales o por dilatación C.E. Juan XXIII

Fig.04

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Fig.05 Fisura observada al lado de la fachada principal del colegio.

Fisura vista en uno de los ambientes del colegio, como se aprecia, ha sufrido una rotura en diagonal, lo cual puede originar un desprendimiento de dicha parte y provocar un accidente.

Fig.06

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Fig.07 Vista amplia de la fisura mostrada anteriormente

Fig.08 Vista del techo de la institución en donde se observa una serie de fisuras longitudinales al techado, esto nos dice que no solo es una falla del acabado, sino también de la losa de la estructura. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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Fig.09

Otra falla observada, es una grieta que va de forma longitudinal, esto se debe a que no existen una debida separación entre edificios lo cual origina estos casos.

CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIONES: UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

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• En conclusión el estudiante de ingeniería civil debe tener curiosidad de detenerse en las obras de construcción para observar los procesos constructivos para ir obteniendo experiencia laboral. • El campo de la ingeniería estructural esta estrechamente ligado a la comparación sistemática de los resultados de los modelos analíticos con los experimentales sometidos a los efectos naturales como eventos meteorológicos y sismológicos. • La ingeniería sísmica debe llamar nuestra atención ya que nuestro país se encuentra dentro de la zona insular sísmica que abarca todo el caribe y Centroamérica. La ingeniería sísmica tiene entre otras las siguientes funciones: •

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Identificar las áreas en las cuales se considere más probable la ocurrencia de un sismo importante, en un plazo corto de tiempo; seleccionar los parámetros o indicadores que resulten más confiables. Contar con los medios adecuados para medirlos u observarlos sistemáticamente durante lapsos de tiempo que suelen ser de varios años. Que las estructuras no sufran daños bajo la acción de sismos menores. Que las estructuras resistan sismos moderados, con algunos daños económicamente reparables en elementos no estructurales Que las estructuras resistan sismos intensos sin colapsar, aunque con daños estructurales importantes.

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