Por: Chris Urmson y Sam Toulmin | Alan Reay Consultants Ltd.
La construcción "Tilt-Up" ha sido un método popular para erigir edificios en Nueva Zelanda desde la década de 1950. Se utiliza ampliamente en edificios comerciales e industriales de baja altura debido a su bajo costo en comparación con otras técnicas de construcción y a la velocidad y facilidad con la que se pueden erigir los edificios. Con una población de aproximadamente 400.000 habitantes, Christchurch es la segunda ciudad más grande de Nueva Zelanda y contiene varios miles de edificios "Tilt-Up". En los últimos dos años, Christchurch ha sido sometida a más de diez mil terremotos, comenzando con un terremoto de magnitud 7.1 el 4 de septiembre de 2010. A mayo de 2012, se registraron cuatro terremotos con una magnitud superior a 6.00, así como 47 terremotos con una magnitud entre 5.00 y 5.99, y 360 terremotos con una magnitud entre 4.00 y 4.99.
Si bien muchos de los terremotos han causado daños a edificios, el terremoto más grande y destructivo ocurrió el 22 de febrero de 2011. Este terremoto de magnitud 6.3 causó la muerte de 185 personas, ha causado más de $30 mil millones en daños y provocó el cierre total del distrito central de negocios (CBD), parte del cual permanece cerrado hasta el día de hoy. Las aceleraciones registradas durante el evento de febrero fueron algunas de las más altas jamás registradas en un área urbana en cualquier parte de la Tierra, con aceleraciones verticales que superaron los 2.2g en algunos lugares. Las aceleraciones horizontales correspondieron a las de períodos de retorno de entre 2500 y 10000 años, muy por encima del período de retorno típico de 500 años utilizado en el diseño de la mayoría de los edificios. En algunos casos, esto equivale a fuerzas horizontales más del doble del nivel de diseño.
En este artículo, examinamos cómo se han comportado los edificios Tilt-Up durante estos eventos extraordinarios. Se presenta una descripción general de las metodologías de reparación comunes, así como una breve discusión de las lecciones aprendidas como resultado de las observaciones realizadas.
DESEMPEÑO DE EDIFICIOS DE CONCRETO PRECOLADO
La mayoría de los edificios Tilt-Up han tenido un buen desempeño durante los terremotos de Canterbury, a pesar de que las aceleraciones en muchos casos superaron las predichas por los códigos de diseño. Algunos ejemplos de edificios Tilt-Up que han tenido un desempeño extremadamente bueno incluyen West Fitzroy (edificio de apartamentos de 7 pisos); The Terraces on Chester St. (complejo de apartamentos de 2 pisos) y Cortes de Almirantazgo (Edificio de apartamentos de 4 pisos). Muchos edificiosTilt-Up experimentaron daños estructurales y tiempo de inactividad mínimos. Los daños ocurrieron con mayor frecuencia en los paneles sometidos a carga de cara y en las conexiones con la estructura de acero, y como resultado de daños en el terreno, los cuales se discuten con más detalle a continuación. Se observaron daños menores con mucha menos frecuencia en la estructura de acero.
Los paneles de muros en edificios de una sola planta construidos con el sistema Tilt-Up generalmente se desempeñaron bien. La mayoría de los paneles de muros exhibieron muy poco daño en el plano debido a su alta rigidez y resistencia en el plano. El daño en el plano que ocurrió consistió en deformación residual menor y descascaramiento en las esquinas, este último debido al bamboleo. Los paneles de muros de corte dúctiles que soportaban uno o más pisos suspendidos exhibieron patrones de fisuración por flexión-corte típicos. El daño en los paneles debido a cargas en la cara fue más común, particularmente en edificios industriales de una sola planta con paneles de altura completa, donde los patrones de fisuración generalmente coincidieron con los predichos por la teoría de líneas de fluencia. Una característica del terremoto de septiembre fue el gran número de edificios industriales Tilt-Up donde los paneles de muros fueron dañados por escombros colapsados y estanterías volcadas. En algunos casos, la fuerza fue suficiente para desplazar los paneles en su base.
Muchos edificios de Tilt-Up en Christchurch utilizan columnas de pared extrema en voladizo y dúctiles para soportar los paneles ante cargas frontales. Una sección del refuerzo longitudinal en estas columnas está diseñada para ceder bajo el temblor de un terremoto, protegiendo el resto de la columna, el panel, las conexiones y los cimientos contra daños. Las columnas de pared extrema en edificios sometidos a altas aceleraciones han funcionado según lo esperado, formando una rótula de flexión en la ubicación apropiada.
Se observó falla en las conexiones de los paneles en algunos edificios, aunque el número de casos donde los paneles colapsaron por completo es muy limitado. En general, los anclajes dúctiles de fundición mostraron un comportamiento superior a los anclajes mecánicos, algunos de los cuales se salieron bajo cargas excesivas. Las fallas en las conexiones de los paneles a correas y vigas de acero a menudo fueron causadas por punzonamiento, incompatibilidades de desplazamiento y anclajes cercanos a los bordes de los paneles.
Grandes partes de la ciudad, particularmente en el este, sufrieron altos niveles de daño terrestre debido a la licuefacción. La licuefacción afecta áreas construidas sobre capas de arenas sueltas y limos con un nivel freático alto. El temblor del terremoto hace que el suelo actúe como un líquido debido a un aumento en la presión del agua de poro, y los edificios construidos sobre dicho terreno tenderán a asentarse (a menudo de manera diferencial) y separarse en los cimientos. Este asentamiento inducido por la licuefacción ha sido la principal fuente de daño para muchos edificios Tilt-Up, particularmente edificios comerciales y residenciales de baja a mediana altura en el CBD, edificios industriales en áreas del este y el principal estadio deportivo de la ciudad.
METODOLOGÍAS DE REPARACIÓN PARA DAÑOS EN EDIFICIOS TIPO TILT-UP
La mayor parte de los daños en los edificios Tilt-Up fueron de naturaleza cosmética a estructural menor, y pudieron ser reparados después de los terremotos de Christchurch, incluso en casos donde los edificios fueron sometidos a asentamientos inducidos por licuefacción. En la mayoría de los casos, los edificios Tilt-Up estuvieron disponibles para ocupación inmediata después de los terremotos.
Las fisuras en elementos de concreto de más de 0.3 mm de ancho pueden ser inyectadas con epoxi para proteger el acero de refuerzo, y las áreas de concreto suelto o descascarillado pueden ser reparadas usando mortero estructural. Elementos como muros de corte dúctiles y columnas de extremo en voladizo dúctiles han sido diseñados para proteger el edificio absorbiendo energía a través del daño. En estos casos, la inyección de fisuras podría potencialmente fijar las deformaciones y reducir la ductilidad en eventos futuros, por lo que las rutas de carga lateral se han redirigido a través de nuevos elementos. Las conexiones dañadas se reemplazan con conexiones más robustas, como las de tipo de taladro y epoxi.
Por lo general, antes de los terremotos, los edificios bajos de tipo "Tilt-Up" se construían sobre cimientos superficiales tipo poste o losa. Para reparar el asentamiento de los edificios y minimizar el riesgo de daños futuros, se lleva a cabo un apuntalamiento de la estructura del edificio hasta capas de soporte adecuadas utilizando pilotes de acero, concreto o madera. Estos nuevos pilotes pueden luego utilizarse para elevar el edificio de regreso a su nivel. Otros métodos para re nivelar incluyen la inyección de lechada compactante en el subsuelo debajo de los cimientos y la inyección de espuma de poliuretano. Cabe señalar que las capas de soporte adecuadas en la región de Christchurch varían en profundidad entre cinco y veinticinco metros bajo el nivel del suelo. En muchos casos, esto ha hecho que los edificios no sean económicos de reparar.
CAMBIOS EN LAS PRÁCTICAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
Como resultado de los continuos terremotos de Canterbury, ha habido algunos cambios en la práctica de diseño, con el objetivo de mejorar aún más el rendimiento de los edificios Tilt-Up. En primer lugar, en mayo de 2011, la carga sísmica para Christchurch y sus alrededores aumentó en un 36% para el diseño del Estado Límite Último y en un 80% para el diseño del Estado Límite de Servicio. El valor de servicio más alto reconoce que la región está experimentando actualmente un alto nivel de actividad sísmica en curso. El diseño de trabajos temporales se está llevando a cabo para cargas de terremotos actuales completas, en lugar del período de retorno de 25 años permitido por los códigos de diseño. Esto se debe a la actividad sísmica en curso y a la probabilidad mucho mayor de que ocurra un terremoto moderado durante la construcción.
En segundo lugar, es importante considerar los efectos en las conexiones críticas cuando se someten a cargas superiores a las prescritas en los códigos de construcción. Por ejemplo, las conexiones entre paneles Tilt-Up y marcos de acero que son dúctiles tienen mayor capacidad de deformación bajo altas demandas sísmicas. De manera similar, la conexión de pisos suspendidos a muros de corte requiere un diseño detallado para evitar el deslizamiento que ocurre con sobrecarga. Además, es vital considerar los efectos de los desplazamientos inducidos por terremotos. Por ejemplo:
- Las escaleras bien detalladas permiten el movimiento en un extremo para evitar el apuntalamiento de grandes fuerzas entre niveles suspendidos;
- Los sistemas con características dinámicas diferentes deben separarse sísmicamente, como cuando un sistema alto y flexible se encuentra junto a un sistema corto y rígido;
- Los cielos suspendidos, los revestimientos arquitectónicos y los servicios suspendidos requieren un detalle adecuado para permitir el movimiento donde sea necesario.
Tercero, los terremotos de Canterbury han confirmado que la malla de alambre estirado no es adecuada para las capas de acabado de pisos suspendidos. Se ha observado que la malla se fractura, mientras que el refuerzo dúctil ha tenido más éxito bajo demanda sísmica. Adicionalmente, para los paneles prefabricados de hormigón (Tilt-Up) con alta demanda sísmica, se utiliza refuerzo dúctil en lugar de malla.
Un aspecto notable de los terremotos de Canterbury es la cantidad de daños ocurridos en la propia tierra. Algunas áreas de la ciudad se han considerado inadecuadas para la reconstrucción, y en general se necesita un mayor nivel de investigación geotécnica para determinar si la tierra es apta para la construcción y qué tipo de cimientos se requieren. Típicamente, se necesitan cimientos profundos de pilotes donde anteriormente se especificaron cimientos superficiales tipo zapata.
Muchos diseñadores están aprovechando la oportunidad para introducir nueva tecnología estructural en la reconstrucción de la ciudad. Por ejemplo, el uso de Diseño de Evitación de Daños (DAD, por sus siglas en inglés) se está implementando en varios edificios nuevos. La filosofía de diseño anterior implicaba absorber la energía sísmica a través del daño de elementos estructurales clave; sin embargo, ha quedado claro que el costo económico post-terremoto de este enfoque es inaceptable. El DAD combina elementos como muros y marcos postensados de balanceo, dispositivos de amortiguación histéresis y viscosa, aislamiento de base y otras características innovadoras para absorber la energía sísmica de una manera que protege el edificio contra daños. Parte de esta tecnología puede abrirse camino en la construcción Tilt-Up.
Finalmente, la importancia de un buen control y aseguramiento de la calidad se ha vuelto muy evidente como resultado de los terremotos de Canterbury. En particular, los siguientes componentes requieren atención adicional para garantizar un rendimiento adecuado bajo cargas de terremoto:
- Certificación de material
- Atornillado, soldadura, revoque de conductos
- Resistencia y disposición del acero de refuerzo
- Dimensiones de componentes críticos
RESUMEN Y CONCLUSIONES
- Los terremotos de Canterbury fueron muy destructivos y en muchos casos estuvieron muy por encima de las aceleraciones sísmicas predichas por el código.
- Los edificios de concreto prefabricado (tilt-up) generalmente tuvieron un mejor rendimiento de lo esperado.
- Con excepción de obvios errores de diseño o construcción, ningún panel Tilt-Up colapsó.
- En la mayoría de los casos, el daño en edificaciones de tipo tilt-up fue reparable, incluso en situaciones donde la licuefacción causó grandes desplazamientos.
- La mayoría de los edificios Tilt-Up pudieron ser ocupados inmediatamente después de los grandes terremotos.
SOBRE LOS AUTORES
Chris Urmson y Sam Toulmin son ingenieros estructurales en Alan Reay Consultants Ltd. ubicado en Christchurch, Nueva Zelanda. El Dr. Alan Reay fundó Alan Reay Consultants en la década de 1970. Desde entonces, la firma ha crecido constantemente y ahora es una de las prácticas de ingeniería consultiva más grandes en su campo en la Isla Sur. Visite www.arcl.co.nz para más información.
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