Integridad Estructural
1. GENERALIDADES
1.1. Introducción
Durante una construcción o durante su vida útil de una edificación existente se tienen dudas razonables de la integridad o se detecta la presencia de patologías estructurales, corresponde efectuar una evaluación de integridad estructural para determinar la actual competencia de la estructura y tomar las medidas correctivas que correspondan. Estas pueden ser la reparación o rehabilitación de la estructura o, en casos más críticos, la demolición total «controlada» antes de que se produzca un colapso «no controlado» con consecuencias no deseables. Para tener claro los fundamentos en el modelado estructural, análisis de cargas, la calibración del modelo matemático, niveles de desempeño y otras consideraciones, es necesario la revisión de la literatura nacional e internacional como: Códigos, normas, estándares, investigaciones recientes, entre otros. De esta manera, se facilitará la elección de criterios y metodologías adecuados para el presente proyecto.
1.2. Objetivos
El propósito del presente artículo es elaborar una metodología de evaluación de la integridad estructural para estructuras existentes con vulnerabilidad sísmica alta. Además, en función al diagnóstico estructural, presentar y evaluar una adecuada propuesta de intervención para el mejoramiento del desempeño estructural.
2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA y SOLUCIONES
2.1. Contexto
En las instalaciones industriales, los agentes físicos y químicos propios del proceso y la operación son agentes de degradación de los elementos estructurales. En las edificaciones urbanas la falta de dirección técnica en el diseño y/o construcción de estructuras, el uso inadecuado de las instalaciones, la falta de protección de los elementos estructurales de agentes físicos y químicos, los daños debido a eventos extremos (sismos, ráfagas, inundaciones, etc.), entre otros, son un problema recurrente en muchas de las estructuras en el Perú.
En ese sentido, el estado actual de estas estructuras existentes conlleva a la vulnerabilidad sísmica (Kuroiwa, 2002). El alto nivel de vulnerabilidad en estas construcciones, sumado al peligro sísmico del lugar conlleva a un comportamiento estructural inadecuado para resistir las cargas sísmicas. Por consiguiente, estas condiciones conllevan a un porcentaje mayor de edificaciones en condición de daño extremo y colapso ante un evento sísmico severo, en otras palabras, pérdidas económicas cuantiosas y la pérdida de vidas humanas (Blondet et al., 2003).
2.2. Metodología de Solución
La metodología se basa en los objetivos del presento artículo, es decir, la alternativa de solución a los problemas mencionados anteriormente es una seria de trabajos de investigación in situ y gabinete. La finalidad es definir o determinar las propiedades de los elementos estructurales que componen el sistema estructural en su estado actual, además de otras características como la geometría y la calidad del proceso constructivo.
Adicionalmente, la metodología debe tener un alcance explicativo, respondiendo a las causas de los eventos y fenómenos que originen problemas estructurales locales y globales en las estructuras (diagnóstico estructural). Por último, si la estructura lo requiere, se determinará una propuesta de intervención, el cual tendrá que ser evaluado de forma técnica y económica.
2.3. Justificación
Desde el punto de vista económico es más factible reparar y/o reforzar una estructura antes de un evento sísmico. La ocurrencia de dicho evento sísmico conlleva a que la estructura en cuestión presente una serie de daños como grietas, caída de la tabiquería, ventanas rotas, fallas locales o inclusive una falla global produciendo el colapso de la estructura, de esa manera se genera un costo muy elevado de reparación o la pérdida de la inversión.
Desde el punto de vista social, el reforzamiento estructural se justifica por la reducción del riesgo de pérdida de vidas humanas y los bienes materiales asociados a las instalaciones ante un evento sísmico. Además, el reforzamiento en la edificación brinda confianza, seguridad y comodidad a sus habitantes.
3. METODOLOGÍA
3.1. Levantamiento de Información
La obtención de la información es una de las primeras etapas y la de mayor importancia en los proyectos de evaluación estructural.
Las actividades de Levantamiento de información son muy importantes para definir la geometría estructural, propiedades de materiales, estado de conservación de la estructura, caracterización de daños y patologías, entre otros.
Tradicionalmente en el 80% de las evaluaciones, esta etapa solo se efectúa con levantamientos visuales.
La tecnología ha tenido un gran avance por lo cual se puede hacer uso de nuevas herramientas. Para realizar estas actividades es necesario contar con un plan detallado, equipos y herramientas para la realización de ensayos DT y NDT, además del criterio profesional de especialistas en la evaluación de estructuras existentes.
Para definir los ensayos necesarios es importante determinar el material predominante en el sistema estructural. Para el caso de estructuras de concreto armado se tendrá una serie de ensayos recomendados como:
- Inspección visual de daños y patologías.
- Levantamiento de la Geometría con Scanner 3D.
- Ensayos de medición de velocidad de pulso ultrasónico (UPV).
- Detección de barras y estimación del diámetros y recubrimientos.
- Extracción y ensayo de núcleos de concreto.
- Ensayo de carbonatación del concreto
- Ensayos de medición de corrosión entre otros.
Figura 1 – Escaneo con Laser 3D en Estructuras de Concreto
Figura 2 – Detección de Barras y Ensayo de UPV
Figura 3 – Extracción de Núcleos de Concreto y Evaluación de la Carbonatación
En caso se esté evaluando estructuras metálicas se deberá tener en consideración, además de algunos ensayos aplicados en el concreto, ensayos específicos para el acero estructural
- Inspección visual de daños y patologías
- Levantamiento de la Geometría con Scanner 3D
- Medición de espesores de perfiles metálicos con ultrasonido
- Ensayos a tracción del acero estructural
- Ensayo de determinación de la dureza del acero
- Evaluación de la calidad de soldaduras mediante tintes penetrantes, partículas magnéticas y/o ultrasonido, etc.
Figura 4 – Escaneo con Laser 3D en Estructuras Metálicas
Figura 5 – Evaluación de la Estructura en su Estado Actual
Por otro lado, se recomienda la realización de algunos ensayos que son independientes del material predominante o del sistema estructura, como:
- Estudio de mecánica de suelos (si no se dispone).
- Ensayos de vibración ambiental (microtremor) para calibración del modelo matemático (Recomendable).
Figura 6 – Estudio de Mecánica de Suelos
Figura 7 – Ensayo de Vibración Ambiental en Edificaciones
Por último, es necesario saber que la obtención mediante ensayos no siempre será posible. Por este motivo, la información faltante será obtenida de fuentes secundarias, las cuales son las informaciones recopiladas de la literatura, información que se obtuvo directamente mediante un ensayo en estructuras similares, entre otros.
3.2. Evaluación del Estado Actual
El primer caso para evaluar es la condición actual de operación de la estructura. Las acciones consideradas para el análisis solo son cargas gravitacionales (cargas vivas y muertas) y cargas de evento extremo.
En esta evaluación se realizará verificaciones estructurales del Sistema Global y Local. Los resultados obtenidos en la evaluación del Sistema Global (Rigidez, resistencia, ductilidad, derivas, etc.) nos ayudan a determinar el nivel de riesgo sísmico en el que se encuentra la estructura evaluada. Por otro lado, con la evaluación del Sisma Local (Evaluación de elementos estructurales), es posible determinar los elementos estructurales con mayores déficits de resistencia.
El resultado final se presenta en la determinación del Diagnostico Estructural y recomendaciones de intervención (en caso sea necesario).
Figura 8 – Evaluación de la Estructura en su Estado Actual
3.3. Diagnostico Estructural
El diagnostico estructural es determinación de deficiencia estructural, pudiendo ser en la condición global (falta de rigidez, resistencia o ductilidad) o local (deficiencia de resistencia en elementos estructurales puntuales) de la estructura.
Según se determine las causas que generen la vulnerabilidad de la estructura, se presentara recomendaciones de intervención. Sin embargo, en caso se determine que las condiciones globales y locales de la estructura resultan óptimas para resistir las acciones (cargas), se brindara recomendaciones de reparación y/o mantenimiento.
3.4. Evaluación de Propuesta de Intervención
Con el propósito de garantizar el adecuado comportamiento sísmico de una estructura considerando su uso actual se debe proponer la intervención global y/o local, según corresponda. Además, también se incluye la posibilidad de construcción de una edificación nueva (en caso los costos de intervención resulten elevados).
En esta etapa de la evaluación estructura se estudia las propuestas de solución desde un aspecto cuantitativo y cualitativo, buscando entender las características más importantes de cada uno (costos, constructibilidad, etc.).
Figura 9 – Ejemplo de Reforzamiento de Vigas Rectangulares con Perfiles Tipo Ángulo
Figura 10 – Evaluación de la Estructura con la Propuesta de Reforzamiento
4. BIBLIOGRAFÍA
ACI 562M: Requirements for Evaluation, Repair, and Rehabilitation of Concrete Buildings and Commentary. Michigan, U.S.A.
ASCE/SEI 41: Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings. Virginia, U.S.A.
ASTM C42 / C42M (2020) Standard Test Method for Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete, ASTM International.
Blondet, M., Dueñas, M., Flores, R., Rojo, P., Puente, J. y Loaiza, C. (2003). “Diagnóstico Preliminar de la Vulnerabilidad Sísmica de la vivienda informal en la ciudad de Lima”.
Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento (2006) Reglamento Nacional de Edificaciones.
SEAOC Vision 2000 (1995). A Framework for Performance Based Design, Volume I.
Kuroiwa, J. (2002). Reducción de desastres – Viviendo en armonía con la naturaleza. Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD). Lima, Perú.
Autor:
Ing. Daryle Cotrado