Nº 52: Evaluación Sísmica De Edificaciones Existentes

CUADERNO DEL INGENIERO No. 52 - EVALUACIÓN SÍSMICA DE EDIFICACIONES EXISTENTES

 In Memoriam Oscar de Buen López de Heredia (Madrid, 20 de julio 1928-Ciudad de México 10 junio 2018)

“El espíritu de la frontera invita a revolotear en torno a un tema antes de profundizar en él. Es un

hábito de riesgo que favorece la creación de nuevo conocimiento pero que, por otro lado, invita

más a abrir paréntesis que a cerrarlos. Por ello el pensador intruso navega a ratos a la deriva,

pero su norte es más una esperanza de gozo intelectual que una garantía de arribada a puerto.”

El Pensador intruso de Jorge Wagensberg

Figura 1. Organigrama del NEHRP con las diferentes organizaciones cuyas publicaciones se utilizan en este Cuaderno. [Anexo 52516].

Figura 2. Evolución histórica del ASCE/SEI 41 [Anexo 52116].

ASCE 41-13 [Anexo 52118]  identifica los cambios respecto a ASCE 31-03, y de igual manera ASCE [Anexo 52117] los cambios respecto a ASCE 42-13. FEMA P-2006 [Anexo 52505a] incorpora notas sobre algunos de los cambios incorporados de ASCE 41-17.

Palabras claves o descriptores: Nivel de desempeño, niveles de evaluación, espectro de capacidad, curva de capacidad desplazamiento objetivo, punto de desempeño, análisis pushover, análisis lineal, análisis no lineal, modelos para fundaciones, diagrama momento curvatura, diagrama momento rotación, método N2. ASCE 41, AISC 342, FEMA, ATC, Eurocódigo.

INTRODUCCIÓN

Para la edición 2023 de la norma ASCE/SEI 41 Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings (Anexo 52115), AISC ha propuesto desde 2019 la AISC 342 Seismic Provisions for Evaluation and Retrofiting of Existing Structural Steel Buildings (Anexo 52109) para remplazar el Capítulo 9 ASCE 41.

El Anexo 52109 contiene un estudio preliminar comparativo de los Índices  ASCE 41-17 y AISC 342-2020 para facilitar su  interpretación y uso, pues aún para  los profesionales con experiencia en ingeniería sísmica no resulta  fácil (pág. 65/67 Anexo 52116). Como ambos documentos hacen referencia a AISC 341 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings se entrega la nueva propuesta en discusión pública que incorpora el Apéndice 1 Verificación del diseño mediante análisis en el tiempo de la

 respuesta no lineal pertinente a los métodos de análisis de ASCE 41.

La norma ASCE 41 establece una metodología sismorresistente que difiere de los de la de nuevas construcciones.  Los conceptos de proyecto basados ​​en el desempeño se implementan a través de la selección de uno o más Objetivos de Desempeño para la edificación específica de los Niveles de Desempeño y  de los Niveles de Riesgo Sísmico. El desempeño resulta de la combinación de los componentes estructurales y no estructurales y se expresa como un estado de daño discreto (Figuras 3a y b): Ocupación inmediata (IO), Control de daños, Seguridad a la vida (LS), Seguridad limitada para prevenir la falla catastrófica o colapso (CP).

                                                                                                                       

                                                                                                          a) Discretización de la respuesta estructural en cada Nivel de Desempeño  [Anexo 52305].

                                                                                                                                

                                                                                                                       b). Criterios de aceptación de los Niveles de Desempeño [Anexo 52131]

                                                                                                                       Figura 3.  Niveles de Desempeño y Criterios de aceptación ASCE 41

Las disposiciones ASCE 41 para la evaluación y actualización de edificaciones existentes se basan en las evaluaciones de cada componente, a diferencia de la ASCE 7 para edificaciones nuevas que evalúa en conjunto todo el sistema estructural. Las diferencias entre los enfoques ASCE 7 y ASCE 41 se muestran en la Sección 2.2.3 de la Guía FEMA P-2006 [Anexo 52505a]. Para familiarizarse con la metodología y procedimientos ASCE/SEI 41 y AISC 342 proponemos la siguiente estrategia:

a) Lectura del Comentario de ASCE 41-17 [Anexo 52117]. Seguidamente revisar el Anexo 52116 para detectar que no quedan lagunas de esa primera lectura.

b) Lectura del Comentario de la propuesta AISC 342-2020 [Anexo 52111].

c) Revisión de los Capítulos 1 a 9 del FEMA P-2006 [Anexo 52505a].

d) Revisión del Anexo 52505b, y luego ver en detalle el Capítulo 8 del FEMA P-2006 [Anexo 52505a].

e) Revisar el comentario de los Anexos para seleccionar y trabajar los que resulten de más interés. Por ejemplo, el Anexo 52305 es una excelente introducción a la ingeniería sismorresistente. Luego el contenido del Anexo [52500 Ejemplos].

 f) Volver al ASCE 41 [Anexo 52117], estudiando y comprendiendo el Articulado y Comentario pertinente a las estructuras existentes de nuestro interés.

g) Optativamente, cuando se tenga cierto dominio del ASCE 41-17, o la necesidad de intervenir un edificio de acero con arriostramientos diagonales en su plano, ver el Anexo 52505c y el Capítulo 9 de la Guía FEMA P-2006. También cuando interesa el comportamiento del sistema de fundaciones (Capítulo 8 de ASCE 41-17).

h) En los Anexos 52100, 52300 y 52500 se entregan las normativas y ejemplos referidos a países latinoamericanos y al Eurocódigo.

OBJETIVOS DEL ASCE/SEI 41 y AISC 342

Como se indica en el Articulo 1.3 y la Figura 2-3 de ASCE 41-17* (Figura 4), los propietarios juntamente con las autoridades competentes deben definir los objetivos de comportamiento de las edificaciones existentes construidas con anterioridad a las normas y códigos vigentes a fin modernizarlas** (retrofit) para prevenir daños por movimientos sísmicos.

Estos objetivos de comportamiento toman en cuenta el riesgo sísmico y la vulnerabilidad de la estructura. El movimiento sísmico del terreno induce desplazamientos y deformaciones en los componentes estructurales, cuya respuesta comprende varias etapas (Figura 3).

* De aquí en adelante la mención a ASCE 41 se hace extensiva a AISC 342.

** La norma venezolana COVENIN 1756:2001 Edificaciones Sismorresistentes incluye en el término adecuación o rehabilitación, las acciones constructivas destinadas a reducir las vulnerabilidad sísmica como las modificaciones, el reforzamiento, el aislamiento sísmico o el uso de disipadores de energía (ver los Capítulos 14 y 15 ASCE 41-17, respectivamente).

                                                                                                                                                         

Figura 4.  Flujograma del proceso de rehabilitación o actualización según ASCE 41[Anexo 52505a]

La matriz de desempeño de ASCE 41 relaciona la intensidad del movimiento sísmico con los niveles de funcionamiento de la estructura (Figuras 5 y 6).

                                                                                                                

                                                                                                               Figura 5   Matriz de relación entre la Amenaza Sísmica y los Niveles de Desempeño [Anexo 52131].

                                                                                                               

                                                                                                                    Figura 6.  Relación entre la Amenaza Sísmica y los Objetivos de Desempeño [Anexo 52116].

Para muchas evaluaciones y actualizaciones sísmicas se utiliza como referencia el Objetivo de Desempeño Básico (BSO) de ASCE 41 que además proporciona tanto un Objetivo de Desempeño Básico para Edificaciones Existentes (BPOE) como un Objetivo de Desempeño Básico Equivalente a los estándares de Construcción Nueva (BPON). Cada uno de estos Objetivos de Desempeño consiste en un Nivel de Desempeño Estructural seleccionado en combinación con un Nivel de Riesgo Sísmico específico que varía con la Categoría de Riesgo de la construcción, que se determina de acuerdo con el código de construcción vigente. El BPOE acepta un menor nivel de seguridad y un mayor riesgo de colapso que el de las normas para las nuevas edificaciones.

Para determinar el Nivel de Desempeño de una edificación existente, se contemplan tres niveles de análisis (Figura 7). El tipo de análisis requerido depende de muchos factores como la tipología de la edificación, su altura y configuración. A diferencia del proyecto de una nueva edificación que atiende el comportamiento de todo el sistema estructural, en la edificación existente se evalúa el comportamiento de cada uno de los miembros y de las conexiones. Los niveles de análisis se ilustran en los ejemplos del Anexo 52500, y particularmente en el Anexo 52505.

En el Nivel 1 los Chequeos Rápidos (Quick Checks) adaptan las disposiciones sobre estructuración e irregularidades de las normativas para nuevas edificaciones [Figura 7]. Si una Evaluación de Nivel 1 no demuestra el cumplimiento del Objetivo de Desempeño, entonces se puede realizar una Evaluación Basada en Deficiencias de Nivel 2 utilizando procedimientos de análisis lineal para revisar aquellos componentes identificados como deficiencias potenciales. Los procedimientos de Nivel 1 y 2 están destinados a evaluar y reducir el riesgo sísmico de manera eficiente mediante el uso de procedimientos simplificados para tipos de edificios específicos y se les permite demostrar el cumplimiento solo con los niveles de desempeño estructural de ocupación inmediata, control de daños o seguridad humana, según la categoría de riesgo de la estructura.

Para la Evaluación basada en deficiencias de Nivel 2, el método de análisis se limita al procedimiento estático lineal (LSP) o al procedimiento dinámico lineal (LDP), ASCE 41 no permite el análisis no lineal. El uso del LSP está sujeto a las limitaciones, que se refieren principalmente a estructuras de largo período, edificaciones con irregularidades geométricas o de rigidez, o sistemas resistentes a fuerzas sísmicas no ortogonales. Para estos escenarios, el LDP debe usarse para predecir mejor la distribución potencialmente compleja de las fuerzas sísmicas en todo el edificio.

El procedimiento de Nivel 3 utiliza análisis no lineal que puede conducir a una solución de rehabilitación más económica que los procedimientos simplificados de Nivel 1 y 2. Debido a que los procedimientos de Nivel 2 y Nivel 3 hacen referencia a las mismas disposiciones de análisis lineal, un análisis lineal de Nivel 3 producirá resultados similares a un enfoque de Nivel 2.

En ASCE 41se permiten cuatro tipos de procedimientos de análisis para la evaluación del desempeño de edificaciones (Ver Figuras 8 y 9):

  • Procedimiento estático lineal (LSP)
  • Procedimiento dinámico lineal (LDP)
  • Procedimiento estático no lineal (NSP), y
  • Procedimiento dinámico no lineal (NDP).

El LSP y LDP son los únicos procedimientos permitidos para el análisis de Nivel 2, mientras que se puede utilizar cualquiera de los cuatro procedimientos para el Nivel 3.

Para el LSP y el LDP, se espera que el análisis produzca desplazamientos que se aproximen a los desplazamientos máximos esperados para el Nivel de riesgo sísmico seleccionado, pero producirá fuerzas componentes que exceden las que ocurrirían en una edificación que incursiona en cedencia. Las acciones de los componentes se definen como controladas por la fuerza (permanece elástica) o controladas por la deformación (se permite exceder la capacidad de desempeño del componente). Véase el Ejemplo Anexo 52505b.

El Nivel 3 requiere la modelación de la relación generalizada fuerzas deformaciones (Figuras 10 y 11) basadas en ensayos experimentales (Figura 12), y toman en cuenta los efectos de segundo orden (efectos P-D, Figura 13).

Sistema de Fundaciones

El Capítulo 8 de ASCE/SEI 41 está dedicado a los sistemas de fundaciones y las amenazas geológicas locales. El Capítulo H de AISC 342 a los pilotes. Las Figuras 14 a 18 muestran el tratamiento dado por ASCE.

Los procedimientos de amortiguación y de interacción cinemática suelo-estructura en ASCE 41-17 se actualizaron según la información del Anexo 52324 NIST Soil-structure interaction for building structures.

Ver los ejemplos en los Anexos 52505c y 52505a.

Mampostería

Una de las causas potenciales de daños por movimientos sísmicos en estructuras de pórticos es la presencia de mampostería. ASCE 4-17 ha incorporado actualizaciones importantes en la evaluación de acciones fuera del plano en muros de mampostería no reforzada considerando la acción de arco basadas en investigaciones recientes.

Las disposiciones para los pórticos de acero y de concreto con relleno de mampostería se reescribieron por completo para facilitar la modelación de la mampostería como un puntal de compresión dentro del pórtico. Los paneles se clasifican en fuertes o débiles y flexibles o rígidos con respecto al pórtico. Hay diferentes parámetros y capacidades de modelado si la estructura es de concreto, dúctil o no dúctil, o estructura de acero revestida de concreto. Los criterios de aceptación para los paneles de relleno se basan en la relación entre la resistencia del pórtico sin los paneles y la resistencia de los paneles de relleno, así como también de la relación de aspecto de los mismos paneles.

Rehabilitación sísmica

Como ASCE 41 no contempla u capitulo para las técnicas de modernización o rehabilitación de las edificaciones existentes, se ha agregado el Anexo 52400 Rehabilitación de edificaciones existentes.

Para la evaluación y rehabilitación de edificaciones estructuras con vigas de celosías (joist) véase en el Anexo 52530 las disposiciones del Steel Joist Institute.

                                                                                                                                 

                                                                                                                  Figura 7.  Niveles de los procedimientos de análisis en la norma ASCE 41 y [52115, 52109].