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El concreto y 105 terremotos: con~eptos, comportamiento, patología y rehabilitación 4. PATOlOGIAS COMUN ES DE EDifiCACIONES DE CONCRETO ANTE TERREMOTOS

Capítulo 4.

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Patologías comunes de edificaciones de concreto ante terremotos

4.1 Intraducción Los edificios de concreto, que son los más comunes en el Latinoamérica, documentan el mayor número de daños durante terremotos, debido a la falta de control de calidad de materiales yola falta del uso adecuado de las normas de construcción. En la actualidad, los errores de diseño, de construcción y de uso de las edificaciones siguen siendo prácticamente los mismos de hace medio siglo . Fallas catastróficas de modernos edificios de concreto reforzado, causadas por el colapso de sus estructuras existen, y han sido descritas recientemente en Ciudad de México (1985), Caracas (1967), El Salvador (1986), Spitak (1988), Managua (1972), Turquía (1999), Taiwán (1999), Armenia (1999), India (2001) y Cachemira (2005). Mientras los escombros de las edificaciones de adobe, piedra y ladrillo refractario pueden ser removidos con herramientas primitivas, los escombros de concreto reforzado implican graves problemas para el personal de rescate, particularmente si no se tiene equipo adecuado, debido al acero presente y el peso del material. En nuestro medio latinoamericano, son las estructuras de concreto las que actualmente conforman el mayor porcentaje de edificaciones construidas; por ello, estas edificaciones presentan el mayor caso de daños cuando ocurre un movi-

miento fuerte. Las causas y formas de los daños están plenamente identificados: en estructuras de concreto reforzado cuando ocurren sismos fuertes es común que se produzcan daños estructurales en columnas, tales como grietas diagonales, causadas por esfuerzos excesivos de cortante o torsión, o grietas verticales, desprendimiento del recubrimiento, aplastamiento del concreto y pandeo de las barras longitudinales por exceso de esfuerzos. En vigas, se producen grietas diagonales y deformaciones excesivas de estribos por cortante o torsión; además grietas verticales, fluencia del refuerzo longitudinal y aplastamiento del concreto por cargas alternadas, reversas o cíclicas. Las conexiones entre elementos estructurales de vigas y columnas son, por lo general, puntos críticos. Aspecto vital de los terremotos sobre las edificaciones de concreto, lo establece la duración del evento y el número de ciclos en uno y otro sentido que actúan sobre la estructura, ya que el material del concreto que es una piedra fundida «in situ» y confinada por el acero de refuerzo sufre una alta degradación, agrietándose y cuarteándose con movimientos relativamente pequeños; es el acero , entonces, el que se encarga de mantener la integridad de los elementos en su sitio; no obstante, si el número de ciclos es suficientemente largo, el acero también empezará a perder su integridad y el colapso será inevitable . En muchos casos entonces, para el diseño de edificaciones de concreto reforzado, más que

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resistir una carga máxima instantánea elevada, se trata de diseñar para el máximo número de cargas cíclicas, así, éstas no tengan un valor tan elevado. Las casas y edificaciones con estructura en concreto reforzado son generalmente seguras (es decir, tienen menos probabilidad de que colapsen) pero también son vulnerables y cuando colapsan son considerablemente más letales y hieren o matan a sus ocupantes en un porcentaje mayor que las edificaciones de mampostería. En la segunda mitad del siglo XX, la mayoría de los terremotos que sacudieron centros urbanos ocasionaron colapsos de edificios de concreto reforzado y las muertes debidas al colapso de esos edificios son significativamente ma-

yores de lo que fue a comienzos de ese mismo siglo cuando el uso del concreto no se había generalizado. El concreto reforzado requiere técnicas de diseño y de construcción más elaboradas; sin embargo, a menudo se usa en comunidades alrededor de todo el mundo donde la capacidad técnica es inadecuada o hace falta inspección y control. Aunque el objeto de este libro es presentar una introducción a los aspectos relativos al comportamiento y la patología de las edificaciones de concreto reforzado, sometidas a la acción de sismos intensos, es necesario hacer algunas consideraciones elementales sobre la incidencia del comportamiento en el diseño sísmico de edificaciones. Al respecto, en el material precedente se han hecho algunos comentarios. En las condiciones de servicio una estructura debe ser funcional. Ante las condiciones de carga extrema razonable, una estructura debe tener un margen de seguridad que garantice la vida aunque pueda perderse el patrimonio. Las anteriores condiciones deben estar balanceadas en un contexto de economía de la construcción. Algunos aspectos relacionados con la estructuración de la edificación inciden de una u otra manera en el balance mencionado. Para que una edificación de concreto reforzado sufra un daño apreciable o colapso, es necesario que se presenten, de manera conjunta, unas ciertas condiciones en la solicitación sísmica y errores de diseño, estructuración, construcción y servicio. Todas las condiciones simultáneas o por separado pueden llevar a una patología de tipo sísmico.

FigulfI 4.': Sin importar los continentes o los materiales de construcción, los terremotos hacen el mismo efecto sobre edificaciones; en la parte superior se muestra una Edificación de vivienda en Turquía dañada en el terremoto de 1999, en la parte inferior una escuela dañada en Guatemala después del sismo de 1976; ambas perdieron un entrepiso de la misma forma. Fuente: «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. Universify of California at Berkeley».

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En lo que sigue, se van a presentar sucintamente las diferentes patologías que resultan más comunes en los siniestros sísmicos. Se presentará una breve descripción de la patología ya continuación una muestra de fotografías al respecto. Cada fotografía tendrá una ficha técnica donde se describe el lugar, fecha, sismo, fotógrafo, fuente, consecuencias mostradas y una forma de evitarla de manera práctica.

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Se ha buscado establecer uno colección reduci do, pero representativo de codo fenómeno diferente . En algunos ocasiones se muestra en lo ilustración de lo patología, un defecto constructivo anterior o lo ocurrencia de un evento sísmi co que puede generar dicho fenómeno .

4.2 Deficiencias del núcleo

resistente En los edificios de concreto reforzado, el material de construcción debe cumplir varios requerimientos poro que los estructuras resistan un sismo fuerte . El núcleo resistente de lo sección de concreto reforzado se debe ga ra ntizar en todos los cosos poro mantener lo integridad del conjunto. Este núcleo está compuesto por lo sección de concreto acompañado del acero de refuerzo de formo apropiado, en cuanto o cantidad como o calidad. El concreto reforzado es un material mixto; está compuesto por concreto y acero de refuerzo. El primer requerimiento refiere 01 concreto, que resulto de lo mezclo apropiado de cemento hidráulico, areno y gravo en condiciones controlados; poro que el con junto seo de calidad, ambos elementos constituyentes deben tener control en obro y cumplirse . Durante mucho tiempo los concretos mezclados en obro han generado problemas de lo

Figura 4.2: Malas prácticas de construcción y detallamiento desembocan en futuros problemas para el comportamiento de las edificaciones.

calidad finalizado como lo presencio de altos contenidos de finos, molo gradación de agre gados que generan poco adherencia entre los portes internos, y también sobretamaños que son gravas de excesivo volumen que generan planos de follo alrededor de ellos, reduciéndose así 01 esfuerzo de fricción generado entre los grandes piedras y lo mezclo areno cemento que lo rodeo . Adicionalmente, el mol vibrado del concreto cuando se funden los secciones en los obras por falto de control, y los molos condiciones de colocación, que en muchos ocasiones generan secciones de concreto con hormigueros, hocen reducir el área neto de los columnas o vigas, que generan problemas frecuentes 01 red uci r tonto lo rigidez como lo resistencia; esto es un fuerte problema actual debido o lo falto de control en obras . Los fotografías o continuación, ilustran uno grave deficiencia en el diseño y lo construcción de elementos estructurales que produce follas desastrosos durante lo ocurrencia de sismos intensos po r lo falto de confinamiento del núcleo resistente del concreto reforzado mediante el refuerzo transversal apropiado. Esto patología se inicio en lo insuficiencia de acero transversal y es muy frecuente. Lo observado en vigas y columnas afectados por lo acción de muchos sismos coincide muy cercanamente con los resultados obtenidos por investigadores de diferentes países en el laboratorio .

En el libro se ha analizado lo referente 01 comportamiento de los elementos estructurales so metidos o lo acción sísmico y se concluye que los deformaciones horizontales generados por lo acción inercial de los sismos producen rotaciones en los nudos o sitios donde hoy restricción o lo rotación . Los rotaciones conducen o solicitaciones de flexión y de cortante en los nudos de los elementos estructurales que se traducen en esfuerzos y deformaciones cíclicos sobre el concreto y el acero, lo cual implico que, por ejemplo en uno vigo, en un semiciclo lo coro

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superior está en tracción mientras que en el semiciclo siguiente está en compresión. Un sismo intenso produce varios ciclos de deformación sobre cada nudo . Como consecuencia de la acción cíclica, la fisuración del concreto se generaliza en el nudo al mismo tiempo que las deformaciones del acero lo llevan a la cedencia en tracción, mientras que en el semiciclo siguiente, el refuerzo longitudinal somete a compresión el acero que ya tiene una deformación residual . Esta situación agrava el estado de fisuración del nudo, estimulando la profundización y el espesor de las grietas. La consecuencia del proceso es una reducción progresiva tanto de la resistencia como de la rigidez del elemento estructural . Como la estructura se compone del ensamblaje de varios o muchos elementos estructurales, la estructura va deteriorándose a medida que transcurre el sacudimiento producido por un sismo . En el sismo siguiente, la estructura ini cia su comportamiento en una situación de deterioro, si no ha sido reparada. La pato logía descrita se soluciona mediante el cuidadoso diseño estructural que incluye las condiciones siguientes: dimensiones apropia das de los elementos estructurales de tal manera que se aseguren la rigidez y la resistencia de la estructura en su conjunto . También es necesario que el acero longitudinal atraviese el nudo y que la cuantía de refuerzo se mantenga dentro de límites conocidos y establecidos a partir de consideraciones experimentales, de la observación de resultados y de las consideraciones analíticas propias de las condiciones de equilibrio en situaciones dinámicas . Además es absolutamente imprescindible, que el acero de refuerzo transversal garantice la posibilidad de que las deformaciones y esfuerzos en el nudo puedan ocurrir debido a la acción de confinamiento del núcleo resistente que produce la presencia de refuerzo transversal con muy poco espaciamiento y con un diámetro que es compatible con el de las barras de refuerzo longitudinal.

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Figurll 4.3: Columna destrozada en su nudo inferior.

Lugar, magnitud y fecha: Sismo en Atenas, Grecia; septiembre 7 de 1999. Magnitud: 5.9 .

Fuente: Dimitris Zeccos. Fuente: «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley»

Título: Inadecuado confinamiento lateral y longitudinal que genera la falla del núcleo resistente .

Consecuencia: La consecuencia de la falta de refuerzo se traduce en poca capacidad dúctil y baja resistencia . En estos casos la pérdida es total, no hay reparación posible, porque entre más bajo se localiza el daño, más dificil de reparar se torna el siniestro . Consecuencias alarmantes de estas fallas se derivan en desplazamientos o inclinaciones inadmisibles en el conjunto superior de la edificación .

Forma de evitar: Indudablemente la mejor forma de evitar esta falla es por medio de mayor cantidad de refuerzo longitudinal, para incrementar capacidad dúctil y resistencia a la flexión y, mayor cantidad de estribos para suministrar mayor confinamiento al concreto y mayor capacidad de resistir esfuerzos cortantes. También, la falla se puede evitar contando con concretos de mejor calidad.

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Figura 4.4: Columna destrozada en su nudo superior.

Lugar, magnitud y fecha : Hotel Macuto Sheraton¡ Sismo de Caracas, Venezuela¡ 29 de julio de 1967. Magnitud: 7.5. Fuente: Vallois Feller. Fuente : «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley». Título: Falla en columnas del segundo piso del Hotel Macuto Sheraton, debido a que en los pisos superiores existían muros que concentra ron la demanda en la parte superior de estas columnas que no contaban con un suficiente refuerzo . Consecuencia: La consecuencia de la falta de refuerzo, que asimile la concentración de esfuerzo proveniente de los muros de la parte superior de la edificación, se traduce en poca capacidad dúctil y baja resistencia ¡ en este caso , el cambio abrupto de secciones en rigidez, geometría y resistencia resultó letal para una edificación de construcción reciente. En estos casos la pérdida no es total, ya que no existieron desplazamientos permanentes muy grandes y hubo reparación, aunque onerosa, ya que se debió recalzar y encamisar, una por una, cada columna. Forma de evitar: Indudablemente, la mejor forma de evitar esta falla es por medio de mayor cantidad de refuerzo longitudinal, para incrementar capacidad dúctil y resistencia a la flexión y, mayor cantidad de estribos para suministra r mayor confinamiento al concreto y mayor capacidad de resistir esfuerzos cortantes. Pero además, no permitir cambios bruscos de sección en las columnas de los diferentes entrepisos ayuda .

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Fi,UID 4.5: Viga destrozada con sección de capacidad pobre a la flexión. Lugar, magnitud y fecha: Santa María del Ma r, a 70 kilómetros de Lima en Perú; 20 de enero de 1969. Magnitud: 6.9. Fuente: Karl Y. Steinbrugge; «Karl Y. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley». Título: Viga en voladizo en una escuela de Perú , con ausencia absoluta de concreto de calidad y refuerzo prácticamente nulo . Consecuencia: En este caso, la consecuencia de conta r con materiales de tan poca calidad, como el mostrado, así como el refuerzo hecho prácticamente con alambres genera una muy baja resistencia a la flexión, lo cual para eventos de cercana distancia puede ser letal, ya que las cargas verticales se pueden incrementar. En el caso de instalaciones escolares, son muchas las personas que pueden resultar heridas por la falta de calidad mostrada . Forma de evitar: Esta falla se evita mediante un diseño adecuado, por medio de personal preparado; asimismo el control en la obra debe garantizar el empleo de materiales de calidad instalados por personal competente. La mejor forma de evitar esta falla es por medio de mayor cantidad de refuerzo longitudinal, para incrementar capacidad dúctil y resistencia a la flexión y, mayor cantidad de estribos para suministrar mayor confinamiento al concreto y mayor capacidad de resistir esfuerzos cortantes. A ese refuerzo obviamente lo debe acompañar un concreto de calidad . Aunque cada vez es más raro que se encuentren construcciones de este tipo, en nuestro medio latinoamericano sobreviven edificaciones de concreto hechas con criterios, como que el mejor diseño es aquel que lleva la mínima cantidad de refue rzo. Dicha práctica para el caso de resistir movimientos sísmicos, se debe eliminar por completo de la práctica de la Ingeniería .

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Fi,ura 4.6: Columna con acero prácticamente inexistente y de mala calidad en concreto.

lugar, magnitud y fecha: Bucarest¡ Rumania; 15 de marzo de 1977. Magnitud : 7.2 . Fuente: Fuente: Karl V. Steinbrugge¡ «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley»

Título: Base de la columna de un edificio en el centro de Bucarest con nula resistencia a la flexión.

Consecuencia: La consecuencia de tener un concreto de mala calidad y refuerzo bajo o inexistente, como en casos anteriores, es una falla frágil que no da oportunidad de sobrevivencia a la edificación. En este caso la consecuencia de contar con materiales de tan poca calidad, como el mostrado, así como el refuerzo liso genera una muy baja capacidad a la flexión, además de pérdida de adherencia entre los materiales. Si una edificación sobrevive en estas condiciones es por suerte, y aunque salve vidas de sus ocupantes, lo más probable es que sea declarada pérdida total y tenga que ser posteriormente demolida . Forma de evitar: La prevención puede lograrse mediante un diseño adecuado por medio de personal capacitado; asimismo el control en la obra debe garantizar el empleo de materiales de calidad instalados por personal competente. La mejor forma de evitar esta falla es por medio de mayor cantidad de refuerzo longitudinal, para incrementar capacidad dúctil y resistencia a la flexión y, mayor cantidad de estribos para suministrar mayor confinamiento al concreto y mayor capacidad de resistir esfuerzos cortantes. A ese refuerzo obviamente lo debe acompañar un concreto de calidad.

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Fi,uI" 4.1: Columna con acero exagerado.

Lugar, magnitud y fecha: Anchorage, Alaska , USA; 27 de marzo de 1964. Magnitud: 8.6. Fuente: Karl V. Steinbrugge; «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley» . Título: Columna del hotel Westward con una cantidad de acero exagerada . Consecuencia: Colocar una cantidad de acero exagerada no garantiza la integridad en una edificación, ya que si no existe suficiente concreto que respalde por medio de compresión, la tensión generada por el acero, es imposible que se genere una falla balanceada tradicional. La columna mostrada desprendió todo su concreto y lo destrozó antes de que alguna barra entrara en fluencia . Se elimina así la posibilidad de garantizar buena adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo. Esta puede ser una buena forma de perder el dinero, ya que la resistencia no se incrementó ni un ápice por la inclusión de semejante cantidad de acero; asimismo no existió mejora en la disipación de energía histerética simplemente porque el acero no fluyó. Forma de evitar: Esta falla se evita mediante un diseño cuidadoso por medio de personal preparado; asimismo el control en la obra debe garantizar el empleo de materiales adecuados instalados por personal preparado. La mejor forma de evitar esta falla es por medio de un despiece ap ropiado en todos los elementos de la edificación. Una mayor cantidad de estribos que brindara mejor confinamiento para el desarrollo de mayores resistencias del concreto hubiera sido algo deseable en este caso también.

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4.3 Despiece inapropiado, elementos extraños En muchas ocasiones se puede lograr con la misma inversión de dinero y materiales, edificaciones que tengan un buen o mal comportamiento sísmico, porque influye mucho la forma como las secciones de concreto y acero se distribuyen. Errores en el despiece y la presencia de elementos extraños han sido causantes de fallas en edificaciones en varios eventos. Las fotografías muestran detalles inconvenientes que se combinan con la patología de deficiencias en el confinamiento de los nudos antes analizada. Barras de refuerzo de gran d iámetro que se suspenden, pueden conformar discontinuidades internas que estimulan fallas de los elementos estructurales . La presencia inexplicable de trozos de madera o elementos extraños dentro del concreto reforzado inducen el inicio de fallas generalizadas por defectos en la adherencia entre el acero y el concreto. En muchos sismos, por ejemplo en el del Eje Cafetero de enero de 1999, se han encontrado defectos evidentes en los desp ieces de vigas y columnas. En otros casos en el m ismo sismo se encontraron trozos de guadua que de manera inexplicable parecían corresponder al intento de suplir las barras de refuerzo. Defectos de despiece que resultan comunes en construcciones afectadas por sismos intensos son, entre otros, los siguientes: cambios drásticos en los diámetros de varillas que conforman un traslapo; ausencia de un refuerzo mínimo en la zona central de la parte superior de las vigas, con el argumento de que no hay un momento de flexión, cosa que es cierta en una situación estática y puede no serlo en la condición dinámica correspondiente a la acción de un sismo intenso cuando una elevada

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aceleración vertical se puede combinar con las fuerzas inerciales horizontales, para producir un momento en el cual, durante la acción estática no lo hay. Un grave defecto lo conforma la ausencia de ganchos en la armadura transversal que físicamente permitan su acción confinante. Este defecto, muy común, se sigue presentando en los diseños actuales bajo la muy débil argumentación de que la presencia de los ganchos dificulta el proceso constructivo . Otro defecto es la inapropiado longitud de desarrollo en los traslapas, la cual puede producir fallas de adherencia que al extenderse agravan procesos de deterioro que se convierten en fallas. Un defecto que puede no ser muy frecuente pero que se ha observado en las columnas con cuantías de refuerzo elevadas corresponde al plano de debilidad que se forma cuando todos los traslapos ocurren en la misma posición. Finalmente, un aspecto muy común en construcciones antiguas que en la actualidad también se aprecia en algunas edificaciones localizadas en zonas de intensa actividad sísmica es la ausencia de refuerzo en los nudos. La patología descrita se soluciona con un cuidadoso despiece el cual, en ocasiones, no puede ser objeto de un proceso de automatización . El despiece correcto obedece a principios sencillos que siempre están cubiertos por el buen juicio y buen criterio del ingeniero de diseño; estas virtudes no surgen de manera automática sino a partir de la buena práctica profesional. Por las razones anotadas, surge el grave inconveniente de pensar que un programa de computador es la solución para todas las necesidades del ingeniero de diseño. Tan importante como el despie ce cu idadoso de todos los elementos estructurales, es la revisión de los planos de construcción antes de que salgan de la oficina del ingeniero de diseño.

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Fi,u,,, 4.8: Columna con acero prácticamente inexistente y concreto de pobre calidad.

Lugar, magnitud y fecha: Bucarest¡ Rumania¡ 15 de marzo de 1977. Magnitud : 7.2 . Fuente: Karl V. Steinbrugge¡ «Karl V. Steinbrugge Collection», Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley». Título: Columna con muy poco acero de refuerzo. Consecuencia: La consecuencia de tener una cantidad muy baja de acero es una insuficiente resistencia y nula capacidad dúctil. La edificación perdió instantáneamente gran parte de su rigidez y lo más probable es que haya tenido que ser demolida, ya que una columna en estas condiciones es prácticamente irreparable. La fotografía muestra la consecuencia de contar con materiales de tan poca calidad y refuerzo inapropiado, como el mostrado, es una falla frágil. Si una edificación sobrevive en estas condiciones es por suerte, y aunque salve las vidas de sus ocupantes, lo más probable es que sea declarada pérdida total y tenga que ser posteriormente demolida. Forma de evitar: Al igual que en los casos anteriores, este tipo de falla se evita desarrollando diseños adecuados por medio de personal preparado¡ asimismo el control en la obra debe garantizar el empleo de materiales adecuados instalados por personal competente. La mejor forma de evitar esta falla es por medio de mayor cantidad de refuerzo longitudinal, para incrementar capacidad dúcti l y resistencia a la flexión y, mayor cantidad de estribos para suministrar mayor confinamiento al concreto y mayor capacidad de resistir esfuerzos cortantes . A ese refuerzo obviamente lo debe acompañar un concreto de calidad.

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Lugar, magnitud y fecha: Hospital Olive View, Sylmar, California; sismo de San Fernando California; USA; 9 de febrero de 1971 . Magnitud: 6 .5 . Fuente: Karl V. Steinbrugge; «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley» Título: Columna con exagerado refuerzo longitudinal en un piso flexible . Consecuencia: Una cantidad de acero exagerada no garantiza mantener integridad de una edificación, ya que si no existe suficiente concreto que respalde por medio de compresión, la tensión generada por el acero, es imposible que se genere una falla apropiada. La columna mostrada desprendió todo su concreto y destrozó todo el concreto en su interior antes de que alguna barra longitudinal entrara en fluencia; las barras, cada una, eran de gran diámetro, lo que hace más difícil que alcancen la fluencia; una mejor distribución del acero en barras más pequeñas hubiera podido ayudar, aunque el mecanismo se generalizó en todas las columnas conformando un piso flexible . La pérdida fue total. Esta situación conduce a que no haya buena adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo .

Forma de evitar: No permitiendo la concentración de esfuerzo en un piso débil. El acero de refuerzo debe colocarse de manera generosa sobretodo en lo que concierne a estribos, ganchos o flejes que son los que confinan el concreto y garantizan la integridad para que en los muchos ciclos de carga y descarga, el concreto no se muela, destroce y fracture convirtiéndose en piedras que se escapan progresivamente y hacen deshacer la sección portante . Entre mayor número de estribos y entre más cercanos se coloquen entre sí, mayor integridad se brindará a la estructura a partir de sus nudos que se pueden denominar los elementos claves de mantener; no obstante el número de estribos debe llegar a un límite práctico, que permita el correcto fluido del concreto fresco a través de los espacios que deja el acero y la sección quede sin hormigueros, y no se requiera de concretos muy fluidos que requieran agregados pequeños y aditivos especiales con el consecuente incremento de precio del material.

FifU'" 4.9: Columna con demasiado acero y poco concreto.

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Fi,ura 4.10, Columna con demasiado acero y poco concreto; falta de continuidad del refuerzo longitudinal.

Lugar, magnitud y fecha: Hospital Olive View, Sylmar; sismo de San Fernando California; USA; 9 de febrero de 1971. Magnitud : 6 .5. Fuente: Fuente: Ka,rl V. Steinbrugge; «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley». Título: Columna con exagerado refuerzo en un piso flexible y falla frágil del concreto . Consecuencia: Las columnas en el Hospital Olive View, contaban con un núcleo circular zunchado con espiral, rodeado por un refuerzo de grandes barras, el gran refuerzo que provenía de la cimentación, no tenía un amarre lo suficientemente adecuado como para desarrollar capacidad a la flexión ; el resultado fue que las columnas mantuvieron intacto su núcleo por efecto del zuncho, pero no desarrollaron capacidad a flexión y quedaron en su sitio sin desarrollar su capacidad. El primer nivel no tenía muros, por lo que se desarrolló un piso débil que hizo generar un desplazamiento permanente en esta edificación, que después del evento dejó muchas enseñanzas en la Ingeniería Sísmica . Forma de evitar: No permitiendo la concentración de esfuerzo en un piso débil. Garantizando el adecuado amarre en los traslapes del acero . Entre mayor es el diámetro de las barras, más difícil es lograr una transferencia de la tensión de una barra a la siguiente. Al ir los estribos de zuncho por dentro del núcleo resistente y no por fuera de las barras, estas últimas quedaron desnudas sin concreto alrededor que les permitiera hacer su trabajo adecuadamente; sin embargo, el descomunal movimiento en la zona por efecto del terremoto, fue la causa primaria de la pérdida total de este hospital recientemente inaugurado para aquel entonces.

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4.4 Columna corta Otro componente de vulnerabilidad estructural que se ha observado y está muy documentado a partir de fallas reales y muchos ensayos de laboratorio se refiere a las denominadas columnas cortas, muy frecuentes en construcciones hospitalarias o escolares donde se requiere ventilación e iluminación especial. En general, la columna corta es una columna que hace parte del sistema estructural inicialmente libre de muros divisorios. Una vez terminada la construcción, los muros divisorios llegan hasta una cierta altura de la columna restringiendo su posibilidad de rotación. Si los muros son relativamente fuertes, la altura real de la columna frente a las fuerzas inerciales horizontales no es la del análisis, sino la libre por sobre la restricción dada por el confinamiento de los muros. El cortante absorbido por la columna resulta mucho mayor que el previsto, al tiempo que su capacidad de rotación se ve drásticamente disminuida. La combinación de estos factores produce fallas explosivas de la parte libre de la columna que se han observado en muchas partes del mundo. El control sobre la restricción a las columnas dado por los muros de ladrillo, es casi imposible de lograr por parte del diseñador, puesto que las edificaciones con frecuencia cam bia n de uso o simplemente sus áreas útiles son remodeladas. En estos casos, sólo el buen criterio del cons tructor de la remodelación o de la obra puede permitir ese control, sea usando m uros separa dos de la estructura mediante el empleo de re llenos compresibles o la construcción de muros más débiles que fallen al ser sometidos a la deformación transversal impuesta po r el sismo. Al producirse la falla del muro sin afecta r a la columna, esta queda con la longitud prevista en el diseño.

Figura 4.11: Gran parte del problema de las columnas cortas, es que se siguen construyendo sin importar las normativas.

Las fotografías ilustran esta patología que puede ser la causa de la destrucción total de una construcción con la muerte de sus ocupantes. En los sótanos de los parqueaderos de los edificios de vivienda, en las construcciones escola-

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res y en muchos hospitales, se considera necesario ventilar e iluminar determinadas áreas . Esto se logra construyendo los muros de ladrillo de tal manera que no ocupen la totalidad del espacio entre placas y columnas, sino que su altura deja un espacio libre para suplir las necesidades mencionadas. En Colombia y otros países de la región, se han observado muchas fallas de este tipo y abundan las edificaciones con la patología esperando que un sismo la produzca . Como se ha analizado en otro capítulo del libro, la rigidez al corte es función inversa de la longitud del elemento estructural elevada al cubo . Si se le recorta la longitud a una columna al restringir su posibilidad de girar, las fuerzas inerciales horizontales que absorbe aumentan en proporción al cociente entre la longitud inicial elevada al cubo y la longitud recortada elevada al cubo. Como ejemplo, si la longitud la recortan a la mitad gruesos muros de ladrillo, las fuerzas inerciales que teóricamente absorbería la columna serían 8 veces mayores que las calculadas para la estructura sin esos muros. Desde luego, una diferencia de esta naturaleza no la puede cubrir ningún margen de seguridad razonable, de allí que la columna falla con un comportamiento que tiende a ser de carácter explosivo. Si la falla ocurre en las columnas de un piso, el piso se recorta súbitamente y se puede desplomar originando colapsos. La situación descrita se agrava porque las columnas resultan menos dúctiles que las vigas por razones que se han analizado en el libro, esencialmente ligadas a la situación de elevado esfuerzo de compresión de la columna en estado estático. Al recortarse la longitud, también se merma una capacidad dúctil que ya era baja,

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de allí la tendencia a una falla que fractura notablemente el concreto de las columnas. La patología descrita se elimina suprimiendo todas las posibilidades de reducción en obra de la longitud de las columnas de las edificaciones, cosa que en prácticas constructivas como la colombiana resulta imposible. El ingeniero estructural no toma en cuenta los muros para su análisis y si algún día los pud iera tomar en cuenta, de poco le serviría porque en cuanto a muros y fachadas de ladrillo lo que hoy está en una edificación mañana puede ser cambiado por un propietario que decide hacer remodelaciones sin permiso de nadie. Separar los muros de la columna mediante la adición de una lámina de plástico esponjoso es una manera de resolver la patología . Sin embargo, se aduce que todo lo que se salga de la práctica tradicional incrementa los costos. Otra posibilidad que afortunadamente, también por razones de costo se ha impuesto sola, es lograr que los muros que recortan la longitud de la columna y conforman la patología sean de ladrillo hueco colocados de canto. Este muro resulta débil frente a la columna y cuando esta se deforma, produce fallas en los muros que eliminan la posibilidad de que se conforme la patología analizada . Las restricciones a la distorsión transversal de los pisos de una edificación de concreto reforzado, que se recomiendan en las normas modernas, incrementan la sección transversal de las columnas de tal manera que es casi seguro que al desplazarse horizontalmente, la columna tenga la posibilidad de destrozar el muro que recorta su longitud, en lugar de que el muro destroce la columna.

El concreto y los terremotos: con~eptos, comportamiento, patología y rehabilitación 1199 4. PATOlOGIASCOMUNESDE EDIFICACIONESDE CONCRETOANTE TERREMOTOS

Figura 4.12: Columna corta como elemento de vulnerabilidad.

Lugar, magnitud y fecha: Chung-Liao (Jungliau) Taiwán; sismo de Chi-Chi, Taiwán ; 30 de septiembre de 1999; Magnitud: 7.6 . Fuente: Jack Moehle; «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley». Título: Columna corta en una edificación institucional. Consecuencias: Edificaciones de reciente co nstrucció n, hechas con técnicas sismorresistentes modernas sufren de las consecuencias de la columna corta por la presencia de ladrillos o tabiques hasta cierta altura . El efecto de la concentración de esfuerzo cortante por efecto de la presencia de los mu ros puede ser demoledor como en este caso, donde la pérdida es total y nada se puede hacer. Se estima que las columnas cortas siguen aportando gran cantidad de edificios dañados en los sin iestros sísmicos a pesa r de se r un daño supremamente documentado . Forma de evitar: La recomendación que se deriva de las consideraciones expuestas es que las columnas cortas deben evitarse en toda construcción. Cuando no es posible lograrlo, una solución es intercalar cada cierto número de columnas un muro estructural que trabaje como un colector de la carga inercial horizontal, con la capacidad de absorber y resistir dicha fuerza. Otra posibilidad es aislar los muros de mampostería que recortan la columna mediante la adición de un relleno de separación de material deformable. Otra solución consiste en emplear ladrillos huecos relativamente débiles, de tal suerte que cuando la columna se deforme los destruya . Sin embargo, evitar geométricamente la presencia de la columna corta en las edificaciones parece ser la mejor solución de todas.

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Figura 4.'3: Columna corta intermedia entre dos muros.

Lugar, magnitud y fecha: Sismo de Caracas, Palos Grandes, Venezuela; 29 de julio de 1967. Magnitud : 7 .5 .

Fuente: Karl V. Steinbrugge; «Karl V. Steinbrugge Collection, Earthquake Engineering Research Center. University of California at Berkeley».

Título: Columna corta en edificación de vivienda. Consecuencias: El hecho de colocar la ventanería junto a una columna de apoyo genera una columna corta; en este caso el efecto lo estableció la posición de los muros inferior y superior; esta es una muestra de columna corta intermedia, ya que se tiene la creencia de que sólo se presentan en la parte superior de las columnas . Sin importar la posición, el efecto es el mismo siempre, al concentrarse el esfuerzo cortante rápidamente, la sección se agrieta y se pierde rigidez y resistencia . Si el evento es suficientemente largo en tiempo, el mecanismo débil transfiere el esfuerzo cortante excesivo al elemento vecino, iniciándose así la degradación progresiva de la edificación.

Forma de evitar: Conforme con lo anterior, se puede tratar de evitar el efecto mediante el reforzamiento con estribos en la zona donde queda localizada la columna corta . Tal vez esto logre soportar la concentración de esfuerzo . Otra forma de evitar el efecto en un sitio donde no se pueda eliminar, es mediante la rigidización excesiva del sistema en su conjunto; de esta forma el sistema puede generar desplazamientos tan bajos, que el mecanismo no se alcance a activar. Lo anterior puede acompañarse de una junta de dilatación que trate de evitar el contacto entre los elementos.

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R,ul'fl 4.J4: Columna corta ubicada en la parte superior de los muros.

Lugar, magnitud y fecha: Sismo de México, México D.F.; 19 de septiembre de 1985. Magnitud : 8 .1.

Fuente: Alberto Sarria Molino . Título: Columna corta superior en institución educativa. Consecuencias: La costumbre de usar ventanería superior de iluminación que colinda con las columnas de apoyo en las instituciones educativas, institucionales y médicas, trae como consecuencia la rotura frágil de elementos por el incremento inadvertido del esfuerzo cortante sobre la sección de columna donde no hay muro . Esta edificación sobrevivió porque el efecto se concentró en las plantas superiores de la edificación ; de haberlo hecho en las plantas bajas, la carga axial causa un efecto adicional de destrucción en el núcleo resistente que puede degenerar en una pérdida de estabilidad global e incluso, la pérdida de un entrepiso completo por aplastamiento .

Forma de evitar: Colocar una mampostería muy débil y dilatada de la columna puede ayuda r a reducir la concentración de esfuerzos en la zona de columna corta o cautiva ; el diseño estructural debe tener conocimiento previo de la presencia de los mu ros en la zona para disponer alguna medida en términos del refuerzo a cortante del sector; debe existi r interacción entre las partes que tienen que ver con el diseño estructural y la distribución arquitectónica y de espacios. Las normativas deben prohibir esta práctica o volve rla bastante difícil de uti lizar con requerimientos exigentes y porqué no, hasta imposibles de cumpli r. Debe verificarse en la obra finalizada que la presencia de estas configuraciones no existe, ya que suele suceder que no existen en planos, pero en obra aparecen por caprichos de arquitectos o propietarios para brindar ventilación e iluminación. En muchas ocasiones si esto no es posible, la ventilación deberá ser mecánica y la iluminación artificial.

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