Comportamiento de los elementos No Estructurales durante Terremotos

Históricamente, los profesionales dedicados al estudio de las afectaciones que producen los terremotos se han centrado en el rendimiento de los sistemas estructurales y las formas de mitigar el daño estructural, pero a medida que se trabaja hacia la búsqueda de un mejor desempeño sísmico, y ante la lógica exigencia del público sobre un mayor nivel de protección contra terremotos, es importante comprender la importancia del daño de los componentes no estructurales. (FEMA 74, 1994).

El comportamiento de los componentes no estructurales, ante la oscilación de un edificio, provocada por un terremoto, dependen del piso en el que estén ubicados, las características del terremoto y las características dinámicas del edificio. Generalmente, la aceleración, la velocidad y el desplazamiento a nivel del suelo son diferentes a los de otros niveles del piso.

También debemos considerar la influencia que la masa del componente no estructural, pueda tener sobre la respuesta dinámica del edificio, pues no es igual la respuesta del edificio por la presencia en su interior de un objeto de poca masa debidamente anclado (por ejemplo un televisor), que un tanque para almacenamiento de agua, sobre la terraza de una edificación de dos plantas.

En una edificación podemos diferenciar claramente los elementos estructurales (Figura 2.a), y luego cuando está terminado con sus contenidos, apéndices, servicios y utilidades o también identificados como componentes no estructurales (figura 2.b). En la mayoría de los casos, los elementos relacionados con los acabados, se apoyan y / o se sujetan a la estructura.

Fig. 2. a Elementos estructurales

Fig. 2. b Edificación con acabados

Fuente: Introduction to Earthquake Protection of Non-Structural Elements in Buildings

Varias características físicas hacen que los elementos no estructurales en los edificios sean particularmente vulnerables al efecto de los terremotos. (R Villaverde, Seismic Analysis and Design of Nonstructural Elements). Una de estas características es que están sujetos no al movimiento del suelo generado por un terremoto, sino a los movimientos amplificados generados por la respuesta dinámica del edificio, por lo tanto la respuesta de un elemento no estructural exhibe características que no son comunes en la respuesta de una estructura convencional.

Si una persona se encuentra sentada en el interior de un vehículo en movimiento, cuando este repentinamente se detenga, la persona sentada sin cinturón de seguridad se escapará del asiento con riesgo de lastimarse. Del mismo modo, durante un terremoto, los objetos que no estén asegurados sobre la estructura podrán deslizarse, caer o colisionar entre sí y pueden herir a las personas o al mismo tiempo el objeto caído puede bloquear los pasillos o la salida, afectando una posible operación de rescate.

Mr. Santosh Kumar (2017) indicó que durante un terremoto, la aceleración será diferente según el nivel piso en que se encuentre colocado un objeto en un edificio. Los miembros idénticos colocados en diferentes niveles del piso experimentarán diferentes cantidades de sacudida. Por lo tanto, según el comportamiento del miembro estructural durante un terremoto se los puede clasificar como:

• (i) Elementos sensibles a la fuerza
• (ii) Elementos sensibles al desplazamiento y;
• (iii) Elementos tanto sensibles a la fuerza como al desplazamiento.

Los sensibles a la fuerza, son elementos rígidos y pesados, que se deslizan, se balancean y se caen durante un terremoto. La fuerza experimentada durante un terremoto por estos elementos aumenta mientras mayor sea el nivel de piso del edificio. Por ejemplo bastidores de almacenamiento pesado, cuyo ​​vuelco puede causar pérdida económica y humana.

Los sensibles al desplazamiento, son aquellos elementos que se mueven u oscilan durante un terremoto. Pueden impactarse con otros componentes no estructurales cercanos o romperse cuando están conectados a dos edificios adyacentes como por ejemplo las tuberías de aguas servidas.

Este efecto físico se lo conoce como inercia, descrita por Isaac Newton, como su primera ley, estableciendo que un objeto permanecerá en reposo o con movimiento uniforme rectilíneo al menos que sobre él actúe una fuerza externa, (para este caso el sismo), como se aprecia en la gráfica siguiente:

Figura 2.1 Comportamiento inercial.

(Elaboración propia)

Conforme la clasificación de Villaverde, analizaremos el comportamiento de los componentes arquitectónicos, equipos mecánicos y eléctricos y contenidos de construcción, cuando se vean sometidos a la acción de las fuerzas sísmicas.

Comportamiento de componentes arquitectónicos exteriores

El riesgo de un colapso estructural causado por un terremoto ha sido continuamente reducido con los avances en la investigación sobre la resistencia estructural de los edificios (Villaverde 2007; Lu et al. 2013a; Xu et al., 2013; Li et al., 2014a, 2014b;). Durante terremotos recientes en varios países desarrollados (por ejemplo, la península de Noto en 2007, Christchurch en 2010, y Napa en 2014), el número total de edificios colapsados ​​y el número de muertes y lesiones asociadas con el colapso de los edificios fue bastante pequeños (Hamada et al., 2007; Kaisera et al., 2012; PEER 2014).

Por el contrario, las afectaciones producidas por la caída de componentes exteriores no estructurales de edificios se han convertido en un problema de seguridad significativo (Ellidokuz et al. 2005; Johnston et al.2014). Por ejemplo, más del cincuenta por ciento de las lesiones sufridas durante el terremoto de Northridge fue causado por la caída de objetos (Peek-Asa et al., 1998).

Los componentes arquitectónicos exteriores, que caen causaron un número significativo de lesiones en los terremotos de Gujarat, Chi-Chi y Wenchuan (Roy et al., 2002; Chan et al., 2006; Qiu y col. 2010). Sin embargo, las investigaciones existentes en esta área son limitadas (Braga et al., 2011; Mahdavinejad y col. 2012), por lo tanto, otros estudios son necesarios para predecir con precisión las probabilidades del peligro debido a la caída componentes exteriores no estructurales.

La dificultad para obtener datos más precisos del riesgo que se presenta ante la caída de componentes arquitectónicos, se debe a que la respuesta de estos elementos ante la acción del sismo, está en función de la intensidad del movimiento del suelo, lo que influye significativamente en la dinámica del comportamiento de los edificios, así como factores asociados al estado del componente no estructural, su tipo de anclaje con la estructura y su altura.

De acuerdo con el Código de Construcción Internacional (ICC 2009) y la Sociedad Estadounidense de Estándares de Ingenieros Civiles (ASCE) (ASCE 2010), los dos tipos de componentes arquitectónicos exteriores más comunes que se utilizan en los edificios, son mampostería pesada y muros cortina vidriados, por lo que sus comportamientos han sido reportados con base en experimentos de laboratorio (Sucuoǧlu y Vallabhan 1997; Behr 1998; Memari et al. 2003) y especificado en los códigos de diseño (CECS127 2001; JGJ133 2001; JGJ102 2003; ASCE 2010).

Comportamiento de componentes arquitectónicos interiores

Cuando el edificio se deforma, las columnas o paredes se desfiguran y ligeramente se descuadran y, por lo tanto, cualquier elemento divisorio rígidamente unido a la estructura también debe deformarse o desplazarse en la misma cantidad. Los materiales frágiles como el vidrio, los tabiques de yeso y los revestimientos o revestimientos de mampostería no pueden tolerar ninguna deformación significativa, por lo que se agrietarán y en el peor de los casos fallarán. (FEMA 74, 1994).

Durante el Terremoto de Guam en 1993, las paredes interiores de bloques de mampostería clasificadas como resistentes al fuego en los corredores de salida de un hotel resort se agrietaron extensamente, causando que muchas de las puertas metálicas contra incendios en los corredores se atasquen. Los huéspedes del hotel tuvieron que atravesar las divisiones de paneles de yeso entre las salas para salir del edificio, un proceso que duró varias horas. Fue una suerte que el terremoto no causó un incendio en el edificio y no se reportaron lesiones graves. (EERI 1993).

Durante el terremoto de Chile Central de 1985, Calcagni (1988) informa el daño en los tabiques de albañilería de varios edificios (Mirador, Puesta del Sol, Plaza Mar, Coral, Tahiti, etc.) ubicados en la ciudad de Viña del Mar.

Marcial Blondet, en el estudio realizado para la Universidad Católica del Perú, sobre el comportamiento de edificios durante el terremoto de Pisco del 15 de agosto de 2007, indicó que el tipo más común de falla observado en casas de adobe se debió a la formación de grietas verticales en las esquinas de las paredes de la fachada como resultado del movimiento sísmico, seguido del colapso de las paredes en la calle y a veces el colapso del techo, debido a la carencia de una viga superior que une todas las paredes, que probablemente habría sido útil para prevenir este tipo de daño.

Luego del terremoto de L’Aquila 2009, se presentaron alternativas para las conexiones de paneles de revestimiento prefabricados conforme el comportamiento de estos sistemas diseñados y probados para disipar energía bajo la acción sísmica (Iqbal y otros 2007, Shultz y otros 1994, Biondini et al., 2011).

Comportamiento de equipos mecánicos y eléctricos

Se debe entender como equipos mecánicos y eléctricos a los materiales y/o construcciones necesarias para dotar una buena manera el servicio, es decir las instalaciones y equipos necesarios para llevar a cabo una actividad determinada, por lo tanto las afectaciones incide en la prestación del servicio.

Los ascensores son uno de los sistemas mecánicos más importantes en los edificios altos que se construyen actualmente, sin embargo en la mayoría de los terremotos han sufrido daños importantes. Como ejemplo de ello se pueden destacar los daños observados en: Alaska 1964 (Ayres et al., 1973), San Fernando 1971 (Ayres y Sun,1973), Loma Prieta 1989 (Ding y Arnold, 1990), Northridge 1994 (Gates y McGavin,1998), Kobe 1995 (Wada y Kitamura, 1995), Chile Central 1985 (Monge, 1986). Entre las fallas observadas se pueden mencionar descarrilamiento de la cabina o contrapeso, desprendimiento de las masas del contrapeso, fractura de los rieles, daño en los anclajes y apoyos de los rieles, daños en elementos de conducción, daño en equipos de sala de máquinas y daños al interior de las cabinas (Boroschek y Mata, 1999).

Todo equipo mecánico o eléctrico, debe estar adecuadamente anclado a la superficie donde se apoya, pues por el efecto inercial de la acción sísmica, pueden deslizarse o volcarse, y causar daño en el equipo, en sus conexiones, así como poniendo en riesgo a quienes los operen.

Durante el terremoto de Northridge, los equipos mecánicos y eléctricos que se encontraban correctamente anclados según las normas sísmicas de la zona tuvieron un correcto comportamiento (Gates y McGavin, 1998).

Especial atención han tenido los equipos de los hospitales, ya que su continuidad de operación debe estar garantizada incluso después que se produzca un terremoto severo. Sin embargo, se han producido fallas en los equipos durante varios terremotos importantes (OPS, 1999).

Los equipos que se apoyan sobre sistemas de aislación porque sufren vibración durante su funcionamiento, suelen tener comportamientos inadecuados ante un sismo, porque sufren grandes desplazamientos, (Reitherman y Sabol, 1995, Gates y McGavin, 1998).

En toda edificación y fundamentalmente en las de salud, los ductos y tuberías deben mantener su funcionalidad después de un sismo, pero al haber desplazamiento de las estructuras que soportan las tuberías, suele haber ruptura, especialmente en las líneas de gas y de agua potable, como se registraron después del terremoto de Northridge en 1994, (Reitherman y Sabol, 1995).

Además, varias estructuras sufrieron daño en los sistemas anti-incendio y en las tuberías de las instalaciones de aire acondicionado (Ayres y Philips, 1997).

Comportamiento de contenidos

Las observaciones y recolección de datos posteriores a los terremotos han tenido una fuerte influencia en la evolución de los requerimientos de diseño sísmico para estos elementos. En la mayoría de los terremotos se ha puesto en evidencia que los elementos diseñados de acuerdo a las normas sísmicas han tenido un comportamiento superior que aquellos en los que no se han considerado las recomendaciones de las normas (Reitherman y Sabol, 1995).

Durante el terremoto de Northridge la mayoría de los hospitales del área afectada debieron ser evacuados debido a los daños en las redes de agua potable, falla en los equipos de emergencia y en los cielos suspendidos (Hall, 1994; Hall, 1995). Para este mismo terremoto las pérdidas estimadas fueron de 18.5 billones de dólares, siendo aproximadamente el 50% debido al daño ocurrido en los elementos no estructurales (Kircher, 2003).

En general, los componentes estructurales de un edificio comercial representan aproximadamente el 15-25% del costo de construcción original, mientras que los componentes no estructurales (mecánicos, eléctricos, de plomería y arquitectónicos) representan el 75-85% restante del costo. Los contenidos que pertenecen a los ocupantes del edificio, como divisiones móviles, muebles y equipos de oficina o médicos, representan un valor adicional significativo en riesgo. Cuando se comparan estos costos, queda claro que la mayor inversión de capital en la mayoría de los edificios comerciales se encuentra en los sistemas y contenidos no estructurales. Así, desde el punto de vista del capital invertido, en la Figura 2.4 se ilustran los porcentajes que corresponden a la estructura, a los elementos no estructurales y a los contenidos para hospitales, hoteles y edificios de oficina (Taghavi y Miranda, 2002) y para edificios de hormigón armado (Kanda y Hirakawa, 1997).

Figura 2.4 Costos de inversión típicos en distintos tipos de edificios.

(Fuente Taghavi y Miranda, 2002)

Fuente | Carlos Velasco

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