** GRUPO 01ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UNA TECNICA DE REFORZAMIENTO PARA EDIFICACIONES EXISTENTES CON PROBLEMAS DE COLUMNA CORTAPROYECTO SENCICO-PUCP INTEGRANTES:Aguilar Pachao, Abel Alagon Talaverano, ChristopherArapa Machaca, JesusGonzales Arrayan RobertoIglesias Valdivia FrancoPalacios Torres GianmarcoValdivia Begazo Arturo

**RESUMEN

Como una medida preventiva a tomar ante los sismos, se estudi una tcnica de reforzamiento para aquellas edificaciones existentes que presentan problemas de "columna corta". Esta tcnica result econmica, sencilla de ejecutar y permiti atenuar el trabajo de las columnas cortas. Con esa finalidad, se construyeron dos mdulos a escala reducida 1:2, representativos de un local escolar que fall ante el sismo de Nazca de 1996; posteriormente, uno de estos mdulos fue reforzado. Ambos mdulos fueron ensayados en la mesa vibradora del Laboratorio de Estructuras de la PUCP, logrndose mejoras sustanciales en el mdulo reforzado.

**1.- INTRODUCCINPrototipo. Nazca, 1996.

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**2.- OBJETIVOSEn este trabajo se busca alcanzar una solucin econmica que atene el problema de la columna corta. Adems, se trata que todas las columnas que componen a la edificacin absorban en forma significativa fuerza cortante para de este modo disminuir el trabajo de las columnas cortas ante los terremotos.

**3.- CARACTERSTICAS DE LOS MDULOSSe construyeron dos mdulos: uno fue adoptado como patrn de comparacin y el otro fue similar al patrn pero reforzado despus de haberlo construido, de tal manera de simular el reforzamiento de un colegio existente.

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4. Anlisis terico del modulo patrn**

Representacion grafica de los tres casos**

Parametros adoptados para el analisisoct-17*

Parmetros adoptados para el anlisis elsticoEc2000,000 ton/m^2GcEc/2.3Ea500,000 ton/m^2Peso en cada nivelP1=5.42 ton ; P2=3.61 tonDimensiones de columnas y vigasColumna=0.25 x 0.15mVigas=0.125 x 0.225Biela0.075 x 0.85 m

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TABLA 1. MDULO PATRN. PRINCIPALES RESULTADOS TERICOS PARA LA SEAL "mayo70c", Am = 1 g

CASOModo de Vibrar 1Modo de Vibrar 2Mdulo PatrnEje AEje BT (seg)Sa (g)T (seg)Sa (g)NivelFi (ton)F (ton)d (mm)F (ton)d (mm)10.2202.9650.0772.403213.946.96 48.466.98 47.2019.515.0922.584.42 21.6220.1082.8550.0491.201213.029.72 11.993.3025.30110.527.01 6.663.5112.3830.0982.1070.0461.07929.575.63 7.373.9410.9917.975.134.282.84 5.88

Donde: T = perodo de vibrar Sa = aceleracin espectralFi = fuerza de inercia proveniente de la superposicin modald = desplazamiento lateral

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Comentarios caso I**

Comentarios caso II**

Prediccin del tipo de falla de las columnas cortasMomento plastico resistente(Mp)=1.54 ton-mVf=8.21 ton < Vn=15.38La relacion h / d es 37.5 / 15 = 2.5 > 2**

**5. REFORZAMIENTO DEL SEGUNDO MODULO:

5.1Procedimiento:**

**6. ANALISIS TEORICO DEL MODULO REFORZADO:

6.1Comparacion de resultados:

* Caso 2:**

**7. ENSAYOS DE CONTROL DE MATERIALES:

Unidades de albaileria

Concreto

Pilas de albaileria

Muretes de albaileria

8.- INSTRUMENTACIN Y PLANIFICACIN DEL ENSAYO DE SIMULACIN SSMICALos dispositivos empleados fueron: 14 LVDT (para medir los desplazamientos absolutos y relativos)6 acelermetros (para medir las aceleraciones absolutas). Se hace un ensayo de vibracin libre se aplic:Una onda compuesta por 4 pulsos rectangularesCon una amplitud de 1.5 mmObjetivo:Determinar el perodo natural de vibrar (T)El grado de amortiguamiento ()

El ensayo ssmico fue dividido en 5 fases:

"Dm" Am" Ar" El factor de escalaEl menor peso que tena el mdulo por falta de acabados y de sobrecarga

Para este ltimo factor es 1.66 -> la aceleracin en el prototipo es: 0.3 Am.La aceleracin de la Fase 5 equivale al 70% del sismo reglamentario (Z U = 0.4g x 1.5 = 0.6g).Para el caso de un colegio ubicado en la costa sobre suelo duro

9.- COMPORTAMIENTO SSMICO DEL MDULO PATRNPrueba de vibracin libre inicial se obtuvo T = 0.21 s. TericoModelo estructural antes de producirse la interaccin columna-alfizar ADECUADO.Grado de amortiguamiento () = 4.25% Concret. Armad. (5%)

Observa incrementa severidad del sismo, T y incrementan debido al mayor deterioro de los prticos

FASE 1Se formaron fisuras de traccin por flexin en todas las columnas. No se observ la interaccin.FASE 2Se inici la interaccin entre las columnas de los ejes A y B contra los alfizares respectivos.FASE 3Se formaron fisuras finas diagonales en las columnas cortas del eje A. Se inici la falla por anclaje del refuerzo longitudinal de vigas y columnas en todos los nudos.FASE 4Se formaron fisuras de traccin diagonal en las columnas del eje B, sobre el alfizar del segundo piso.FASE 5Todos los nudos del segundo nivel, as como los nudos del 1er. nivel del eje B, fallaron por anclaje del refuerzo longitudinal existente en las vigas y columnas.

Tabla 4 se presenta:Fuerza cortante mxima (Q1)Desplazamientos mximosDistorsin angular en el primer piso del eje A () = (D3 - D7) / h ; "h" es la altura que existe entre el extremo superior del alfizar y el borde inferior de la viga (h = 375 mm).

**Observaciones

Fisuras de traccion por flexion de las columnas:Poco peso del modulo (sin acabados)Momento resistente muy pequeo.

Falla por anclaje longitudinal de vigas y columnas, debido a la escala reducida del modulo.

ObservacionesInteraccion columna-alfeizar (ambos ejes) se inicio durante Fase 2. Fisura diagonal por corte Fase 3. Falla final principalmente por flexin.Prticos muy flexibles desde la Fase 2 (interaccin), distorsin angular supero el valor permisible.

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ObservacionesDespues de la interaccion, la rigidez lateral se incremento.

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ObservacionesSe obtuvo desplazamiento teoricos y experimentales para la Fase 1 del ensayo.

Los desplazamiento teoricos son el 65% de los valores experimentales, debido a que en la fase 1 se formaron fisuras por flexion.**

ObservacionesAsumimos que el mecanismo de falla es por flexion, formando rotulas plasticas en los extremos de las columnas. Se obtuvo un Qteorico =16.76 tonf. Resultado 9% mayor al registrado experimentalmente Q= 15.32 tonf.

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Observaciones

La manera de predecir los desplazamientos inelasticos, es multiplicando un factor R a los desplazamientos elasticos. R= 10 (segn norma)

Fuerza cortante en la Fase 2 (Am = 0.33g): Q = 8.74 tonFuerza cortante equivalente en Fase 5 (Am = 1.4g): QE = 8.74 x (1.4g/0.33g) = 37.08 tonFuerza cortante experimental en la Fase 5: Qi = 15.32 tonRd = QE / Qi = 37.08 / 15.32 = 2.42 Los desplazamientos inelsticos no pueden predecirse mediante el criterio de la norma, estamos frente un sistema que no incrementa su rigidez lateral, despus de producirse la interaccin columna-alfeizar **

ObservacionesEl tecnopor existente en la junta se encontraba endurecido, asimismo en los bordes de las juntas haban bruas con mortero de cemento, por lo tanto hubo interaccin desde el inicio.**

ObservacionesLa unica columna que falla por corte es una ubicada en el primer piso y se encuentra confinada por dos alfeizares, esto produce una accion de empotramiento en la base de la columna corta.**

**10. COMPORTAMIENTO SSMICO DEL MDULO REFORZADO

El mdulo reforzado (Foto 5) se comport en el rango elstico en todas las fases del ensayo.

No se formaron fisuras de traccin por flexin en las columnas, porque se conecto el prtico contra el alfizar de albailera (a travs del ensanche y la junta llena de mortero), aumentando el momento de inercia de la seccin transversal.

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FOTO 5

**Solamente en la Fase 5 del ensayo se produjeron fisuras muy finas en la conexin ensanche-viga del primer piso (Fig.11), debido a la contraccin por secado del concreto de ensanche separndose del concreto existente.

FIGURA 11

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En la Tabla 6 se presenta la variacin de T y durante las fases del ensayo. Puede concluirse:

La rigidez final fue el 87% de su valor inicial

mientras que para los prticos del Mdulo Patrn este porcentaje fue 21%.

(Kf / Ki = (Ti / Tf)2 = (0.109 / 0.117)2 = 0.87)

**Debe mencionarse que el perodo natural de vibrar terico (T = 0.083 seg, ver la Tabla 2) es menor que el registrado experimentalmente(T = 0.109 seg), lo cual quiere decir que el modelo adoptado tericamente (Fig.7) es 72% ms rgido y debe refinarse.

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TABLA 6. RESULTADOS DEL ENSAYO DE VIBRACION LIBRE DEL MODULO REFORZADO FASE0 (inicial)Post 1 Post 2Post 3Post 4Post 5T(seg.)0.1090.1020.1100.1100.1150.117 (%)5.876.036.91

**Para cada fase del ensayo, en la Tabla 7 se presenta:

Fuerza cortante mxima (Q1) registrada en el primer piso del mdulo.Desplazamientos mximos (relativos a la mesa vibradora D).Las aceleraciones mximas (Am).La distorsin angular en el primer piso del eje A ().

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= (D3 - D7) / hdonde "h" es la altura que existe entre el extremo superior del alfizar y el borde inferior de la viga

TABLA 7. PRINCIPALES RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL MODULO REFORZADOFASEAm(g)Q1(ton)D1(mm)D2(mm)D11(mm)A1(g)A2(g)D3-D7(mm)10.212.310.901.070.0070.240.280.330.000920.364.091.601.890.0160.430.500.490.001330.717.512.913.270.0610.770.920.630.001740.9710.413.283.760.0841.021.2751.5614.205.836.030.1241.711.870.960.0026

Observaciones:a.- No se presentaron fisuras por flexin en las columnas, esto se debe a que con el ensanche el momento de inercia de la seccin transversal se elev, con lo cual, el momento resistente contra esta falla (Mcr) subi de 0.25 ton-m a 1.57 ton-m (6.3 veces ms).**

b.- No se present la falla por anclaje que tuvo el refuerzo longitudinal de las vigas en los nudos de los prticos; esto se debe a que los ensanches redujeron la longitud libre de la viga e incrementaron la longitud de anclaje del refuerzo. Cabe mencionar que en el prototipo el dimetro del refuerzo de las vigas era 5/8", requiriendo una longitud de anclaje en su parte recta: Ldg = 318 x 1.56 / 175 = 37.5 cm, pero, la columna tena 30 cm de peralte, por lo que ante sismos ms severos que el ocurrido en Nasca (Ref.5), tambin se producira fallas en los nudos.**

c.- El comportamiento del Mdulo Reforzado estuvo dentro de lo esperado tericamente (acpite 5). As por ejemplo, al disminuir "T", las fuerzas ssmicas decrecieron en comparacin contra las existentes en el Mdulo Patrn:

2.8 veces en la Fase 12.1 veces en la Fase 2etc. (ver Q en las Tablas 4 y 7).**

d.- A diferencia del Mdulo Patrn, en el Reforzado las distorsiones angulares de las columnas en todas las fases del ensayo estuvieron debajo del valor permitido por la Norma ssmica (Ref.8): mx = 0.007.**mx 0.007

f.- En la Tabla 8 aparecen los desplazamientos laterales de los dos niveles del eje A para la Fase 1 del ensayo ("elstica"), asimismo, aparecen los desplazamientos tericos elsticos del mismo eje, obtenidos multiplicando por "Am = 0.21g" a los valores de la Tabla 2. Puede observarse que los desplazamientos tericos difieren de los experimentales en 44% para el primer nivel y 6% en el segundo nivel, por lo que es necesario refinar el modelo matemtico.**

TABLA8. MODULO REFORZADO. Desplazamientos Laterales Elsticos del eje A (mm.)FASENIVEL 1NIVEL 2ExperimentalTericoExperimentalTerico

1(Am = 0.21g.)0.902.38x0.21=0.501.075.39x0.21=1.13

h.- En la Fig.12, se ha dibujado la curva Q1 vs. D1 del primer piso para los dos mdulos, donde los valores D1 son los desplazamientos laterales correspondientes al instante en que se produce la mxima fuerza cortante Q1. En esta figura puede apreciarse la mejora en la rigidez lateral (pendiente en la zona lineal del grfico) introducida por los ensanches, as como los pequeos desplazamientos laterales que tuvo el Mdulo Reforzado con relacin a los registrados en el Mdulo Patrn. Cabe remarcar que los daos producidos por los terremotos se deben principalmente a los desplazamientos laterales, por lo que es necesario controlar estos desplazamientos, objetivo que se logr mediante el reforzamiento propuesto en este proyecto.**

11.- CONCLUSIONESLa tcnica de reforzar las columnas cortas existentes mediante un ensanche de concreto armado, adherido al concreto existente mediante resina epxica, con sus varillas soldadas contra aquellas existentes en vigas y columnas, as como rellenando a presin manual con mortero 1:3 la junta existente entre la columna y el alfizar, es una tcnica sencilla y rpida de ejecutar as como muy econmica; por ejemplo, para el caso de un local escolar existente de dos pisos, bastara con agregar ensanches de 60 cm a un lado de las columnas, con un espesor igual al del alfizar, reforzndolos horizontalmente con 1 3/8" @ 15 cm.**

El procedimiento de aislar los alfizares de la estructura principal no es una mala solucin, siempre y cuando se cumpla con las siguientes condiciones: 1) se deje una junta blanda con un huelgo suficiente para tratar de evitar la interaccin columna-alfizar en el rango inelstico del prtico; y, 2) se prevenga la posible formacin de la columna corta ante sismos muy severos, para lo cual, sta deber disearse de tal modo que falle por flexin empleando una relacin altura libre-peralte mayor que 2. De esta manera, si se observase que las edificaciones existentes con problemas de columna corta no cumpliesen con las condiciones indicadas, podr aplicarse la tcnica de reforzamiento estudiada en este proyecto.De no cumplirse con las condiciones indicadas en el prrafo anterior, se producir la interaccin columna-alfizar y el anlisis estructural se complicar al tener que analizarse una serie de combinaciones de choques entre las columnas y los alfizares. Cabe mencionar que ante esta situacin, el mtodo simplificado de la Norma E-030 para predecir los desplazamientos inelsticos, no se cumple al producirse un incremento significativo de la rigidez lateral despus de haber chocado la columna contra el alfizar; adems, en estos estados, puede afirmarse que la ductilidad disminuye drsticamente. *

El Mdulo Patrn (modelo de un colegio existente con columnas cortas), qued al trmino del ensayo ssmico seriamente daado y con sus columnas fuera de plomo, a diferencia del Mdulo Reforzado que se comport elsticamente. Incluso ante un sismo muy leve (Fase 1), en el Mdulo Patrn se formaron fisuras de traccin por flexin que flexibilizaron a los prticos generando distorsiones angulares muy prximas al valor mximo permitido por la Norma Sismorresistente.Las mejoras impuestas por la tcnica de reforzamiento planteada en este proyecto con relacin al comportamiento ssmico del Mdulo Patrn fueron muy significativas: 1) los desplazamientos laterales disminuyeron hasta 5 veces en el primer nivel y 14 veces en el segundo; 2) todas las columnas trabajaron en forma equitativa; 3) los efectos de torsin en planta decrecieron; 4) se mejor el anclaje del refuerzo longitudinal existente en las vigas evitndose daos en los nudos; 5) no se presentaron fisuras de traccin por flexin; 6) ante el mismo sismo las fuerzas disminuyeron; y, 7) las distorsiones angulares estuvieron por debajo del valor mximo permitido por la Norma Ssmica, incluso ante la accin de un sismo severo**

Debe remarcarse que los locales escolares albergan una gran cantidad de personas y son considerados zonas de refugio en caso ocurra sismos severos, asimismo, su falla ocasionara el retraso de las labores escolares, la posible muerte de sus ocupantes y fuertes prdidas econmicas en su infraestructura, por lo que resulta imperativo reforzarlos en caso estos locales presenten problemas de columna corta**

12.- REFERENCIAS7. San Bartolom, "Anlisis de Edificios". Pontificia Universidad Catlica del Per. Fondo Editorial 1998. 8. Norma Tcnica de Edificacin E-030. Diseo Sismorresistente. SENCICO, 1997. 9. Norma Tcnica de Edificacin E-060. Concreto Armado. ININVI, 1989.1. L. Esteva y J. Nieto, "El temblor de Lima, Per, octubre 17, 1966". Revista Ingeniera, Mxico, 1967. 2. G. Berg y R. Husid, "Aspectos Ingenieriles del Terremoto del 31 de mayo de 1970- Per". Informe Preliminar para UNESCO, Lima, Julio 1970. 3. P. Repetto y L. Zegarra, "Evaluacin de Edificaciones Daadas en Lima Metropolitana en el Sismo de Octubre de 1974". Publicacin DI-80-03, Pontificia Universidad Catlica del Per, Lima, Diciembre 1980. 4. J. Bariola y A. San Bartolom, "El Sismo del 16 de Febrero de 1979 en Arequipa", Anales del III Congreso Nacional de Ingeniera Civil, Colegio de Ingenieros del Per, Cuzco, 1980. 5. D. Quiun, A. San Bartolom, D. Torrealva y L. Zegarra, "El Terremoto de Nasca del 12 de Noviembre de 1996". Publicacin DI-97-01, Pontificia Universidad Catlica del Per, Enero 1997. 6. San Bartolom, "Construcciones de Albailera. Comportamiento Ssmico y Diseo Estructural". Pontificia Universidad Catlica del Per. Fondo Editorial 1994. **

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