Problemas endémicos en la práctica actual del diseño sísmico en Venezuela

Gary R. Searer, S.E.    y   Eduardo A. Fierro, P.E.

Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc., 2200 Powell Street, #925, Emeryville, California, 94608, USA.

resumen

Durante una visita reciente a Caracas, Venezuela, los autores descubrieron que a pesar de que Venezuela ha adoptado un código de construcciones con especificaciones sísmicas modernas y parece hacer cumplir la mayoría de ellas, errores conceptuales importantes en el diseño de los sistemas que resisten fuerza lateral en edificios se repiten casi universalmente. A pesar de que una muestra de 51 edificios puede parecer insuficiente para llegar a una opinión con respecto a las construcciones típicas de Venezuela, los autores pasaron dos semanas viajando por Venezuela y observaron cientos de edificios de mediana altura con las mismas características de los estudiados. En el caso de un terremoto de gran magnitud, estos errores de diseño tendrán repercusiones económicas y de perdida substancial de vidas a menos que la filosofía de diseño de los ingenieros venezolanos cambie drásticamente.

Palabras clave: diseño sísmico; Venezuela; columnas cortas; pisos blandos; concreto; elementos arquitectónicos; fuerzas laterales

Endemic Problems in Current Venezuelan Seismic Design Practice

Abstract

During a recent visit to Caracas, Venezuela, the authors discovered that while Venezuela has adopted a building code with modern seismic provisions and does appear to enforce a majority of these provisions, major conceptual errors in the design of the lateral force resisting systems of new buildings are recurring on a near-universal level.  Although a random sampling of 51 buildings may not appear to be a sufficient basis to arrive at an opinion regarding typical construction in Venezuela, the authors spent two weeks driving around the country and observed hundreds of mid-rise buildings with similar problems.  In the event of a large earthquake, these design errors will have substantial economic and life-safety repercussions unless the overall design philosophy of Venezuelan engineers changes drastically.

Key Words: Seismic Design; Venezuela; Short Columns; Soft Story; Concrete; Architectural Elements; Lateral Forces

Recibido: 08/12/03     Revisado: 15/12/03     Aceptado: 18/06/04

1. Introducción: Visita a Caracas, Venezuela

Los autores visitaron Caracas, Venezuela, para observar un inventario de estructuras residenciales para cierto cliente. Aún cuando observamos que el diseño general de estructuras estaba en conformidad con los requisitos de los códigos y los detalles dúctiles modernos, los conceptos de diseño de la mayoría de las edificaciones parecen tener fallas muy serias.

2. Construcción típica DISEÑADA por un ingeniero en Venezuela

Las viviendas residenciales de la clase alta en Caracas consisten típicamente en edificios de mediana altura (6 a 10-pisos) construidos con pórticos dúctiles y losas de concreto armado. De acuerdo con las observaciones hechas durante nuestra visita a varios edificios y basado en resultados obtenidos con un detector de metales de un número de estructuras construidas recientemente, los estribos de las vigas y columnas están diseñados y construidos típicamente de acuerdo a las normas sísmicas mas exigentes del mundo. Los estribos de las columnas deben estar y están instalados generalmente a 10 centímetros (4 pulgadas) de espaciamiento en las regiones de las rotulas plásticas y a 15 centímetros (6 pulgadas) en el centro de la columna. .De la misma manera, los estribos de las vigas deben estar y están instalados generalmente a 10 centímetros (4 pulgadas) de espaciamiento en la zona de rótulas plásticas y a 15 centímetros (6 pulgadas) en el centro de la viga cerca de las columnas. Los estribos de las columnas y las vigas también están instalados con los ganchos de 135-grados. A primera vista, las especificaciones de diseño en Venezuela parecen proporcionar ductilidad adecuada. Sin embargo, un análisis mas profundo de los diseños y la construcción de 51 estructuras de mediana altura  nos muestra que defectos conceptuales de diseño, simples pero importantes, están siendo incorporados en las edificaciones de Venezuela.   A pesar de que los autores no hicieron un análisis riguroso con computadores de estos edificios, los planos estructurales y arquitectónicos fueron estudiados cuando les fue posible  para ayudarse en la evaluación de estos edificios.  Es mas, los autores han observado daños a edificios similares en una gran cantidad de terremotos anteriores en Latino América y el alrededor del mundo y nuestras conclusiones son derivadas de nuestra vasta experiencia en observaciones antes y después de terremotos. .

3. Errores típicos del diseño en Venezuela

De las 51 estructuras de mediana altura que observamos, todas menos ocho tenían deficiencias importantes de diseño conceptual que ponen en duda la habilidad de estos edificios de soportar terremotos. Las deficiencias más importantes son los pisos blandos y débiles, las columnas cortas, las condiciones de viga fuerte columna débil, la torsión, y las uniones excéntricas entre columnas y vigas, como se menciona en Bonilla et al (2000).  A pesar de que una muestra de 51 edificios puede parecer insuficiente para llegar a una opinión con respecto a las construcciones típicas de Venezuela, los autores pasaron dos semanas viajando por Venezuela y observaron cientos de edificios de mediana altura con las mismas características de los estudiados.

3.1 Pisos blandos y débiles

Una de las características arquitectónicas de la arquitectura venezolana es la incorporación de la Planta Baja en el piso más bajo. La Planta Baja se utiliza para reuniones y fiestas y es típicamente un ambiente bastante abierto, con pocas paredes o tabiques de albañilería. En nuestras conversaciones con los arquitectos locales encontramos que la incorporación de la Planta Baja en el diseño arquitectónico es promovido por el código de edificios, que permite un mayor número de pisos si el piso inferior se dedica al uso público. Sin embargo, desde un punto de vista estructural, la Planta Baja crea el típico piso blando y débil. De los 51 edificios estudiados, 35 tenían un pisos blando y débil.

En los pisos superiores, la tabiquería y las paredes no estructurales de albañilería no están  aisladas de los pórticos, esto crea un bloque grande y rígido de albañilería y de concreto que se mueve más como un cuerpo rígido. Inversamente, en la Planta Baja las particiones de albañilería, cuando están presentes, son muy pocas, y el pórtico de concreto debe resistir a la mayoría de las cargas laterales, creando un piso que es más blando y débil que los pisos superiores.

Los pisos blandos y débiles son considerados generalmente por los ingenieros sísmicos como muy perjudiciales para el comportamiento global de las estructuras, porque la mayoría de las deformaciones laterales durante un terremoto ocurren en el piso blando y débil (SEAOC, 1999). El concentrar el comportamiento inelástico y el daño en un solo piso es muy  peligroso; es muy probable que el daño exceda la capacidad de deformación de las columnas, llevando a la estructura a tener degradación de rigidez, inestabilidad geométrica, y posiblemente al colapso. La Figura 1 muestra dos pisos blandos típicos creados por las Planta Bajas.

Figura 1. El edificio a la izquierda es un edificio de mediana altura relativamente nuevo. El edificio a la derecha es un edificio de mediana altura en construcción. Ambos tienen la típica Planta Baja, que crea pisos blandos y débiles

A menudo, la Planta Baja es también más alta que el piso típico, como se muestra en la Figura 2. Las columnas más altas empeoran el comportamiento del piso blando comparado con los pisos superiores. En el edificio mostrado en la Figura 2, la combinación de columnas de uno y dos pisos crea diferencias grandes de rigidez en las columnas del primer piso. En vez de que todas las columnas resistan cargas aproximadamente iguales, las columnas cortas tomarán inicialmente la mayoría de la carga lateral hasta que se dañen; subsecuentemente las columnas más largas procurarán resistir la carga, lo que aumenta la posibilidad que el edificio sufra un colapso parcial o total durante un terremoto.

Figura 2. Típica Planta Baja con un primer piso alto y con las columnas que varían significativamente en altura

3.2 Columnas cortas

La arquitectura venezolana típica tiene ventanas relativamente pequeñas. El ladrillo hueco de arcilla, denominado bloque, se utiliza como pared de tabiquería alrededor de las ventanas. Sin embargo, esta tabiquería no reforzada es lo suficientemente fuerte para crear columnas cortas (Sozen et al, 1968). La columna en lugar de comportarse de una manera dúctil en flexión como lo esperaba el ingeniero diseñador, es forzada a fallar de una manera no dúctil en un mecanismo gobernado por cortante (BSSC, 1992). Incluso si una columna corta dada tiene refuerzo de corte que cumple con el código, las demandas de ductilidad en la columna llegan a ser muy grandes, potencialmente fracturando los estribos y fallando bajo las cargas verticales que debe resistir. De los 51 edificios de mediana altura estudiados en Caracas, 34 tenían columnas cortas. La Figura 3 muestra una columna corta típica en un nivel de garaje.

Figura 3. Columna corta típica causada por la albañilería

Otro problema es que los estribos de la columna están espaciados a menudo a distancias más grandes en el medio de la columna, donde el comportamiento inelástico en flexión no se espera. La tabiquería de albañilería o la presencia de vigas de alto peralte pueden forzar el comportamiento inelástico en la región media de la columna que está ligeramente reforzada.

En los Estados Unidos, la tabiquería de albañilería o las paredes no estructurales que pudieran restringir el comportamiento en flexión deben ser separadas del pórtico con juntas o espacios entre la columna y la albañilería para permitir que la columna se comporte en flexión y que se deforme de una forma dúctil. Cuando no hay espacio entre la columna y la tabiquería los códigos de EE. UU. requieren que los estribos de la columna tenga el mismo espaciamiento que tienen en la zona de las rotulas plásticas. La albañilería venezolana no está instalada con espacios entre la albañilería y las columnas. Por lo tanto, esto crea columnas cortas debido a la presencia de paredes de albañilería de altura parcial. Estas columnas no tienen estribos con espaciamiento cercano en las regiones donde el comportamiento no dúctil de falla por fuerza cortante puede ocurrir.

La Figura 4 muestra un detalle de refuerzo típico para una columna. El diseñador parece no haberse dado cuenta que el tabique de albañilería de altura parcial presente en este edificio interferirá con el comportamiento a flexión de las columnas, y que las columnas se verán forzadas a fallar a la mitad de su altura, donde el refuerzo por cortante tiene un espaciamiento más grande. Además, el empalme de acero longitudinal de la columna está situado dentro de esta región; por lo tanto, los estribos deberían tener un espaciamiento mas pequeño (un espaciamiento de 10 centímetros).

Figura 4. Detalle de refuerzo típico de la una columna

Las columnas cortas son una de las causas principales y más conocidas del colapso de las estructuras de pórticos de concreto. La Figura 5 muestra una falla de un pórtico de concreto ocasionada por la columna corta en Turquía. Muchas de las estructuras de mediana altura que observamos en Venezuela tienen columnas cortas causadas por tabiquería de albañilería y son por lo tanto vulnerables a colapso parcial o total.

Figura 5. Falla de un pórtico ocasionada por una columna corta en Turquía

3.3 Diseño con viga fuerte/ columna débil

La arquitectura venezolana incorpora a menudo el uso de maceteros o barandas de concreto. Estas barandas están a menudo construidas rígidamente con la columna y crean una viga de gran peralte. Estas vigas de gran peralte pueden crear columnas cortas, pueden hacer que las columnas exteriores atraigan una porción muy grande de la fuerza lateral comparada con la de las columnas interiores y/o pueden crear una condición de viga fuerte /columna débil. Por lo tanto, en vez de forzar el comportamiento inelástico (daños) en las vigas, el daño es forzado en las columnas, esto puede conducir a la inestabilidad vertical (BSSC, 1992). De los 51 edificios de mediana altura que estudiamos 15 tenían la condición de viga fuerte/ columna debil. La Figura 6 muestra maceteros típicos de concreto que forman una viga de gran peralte.

Figura 6. Las paredes del macetero pueden crear una condición de viga fuerte / columna débil, hacer que las columnas exteriores atraigan una fuerza lateral desproporcionadamente grande comparada con la de las columnas interiores, y limitar la habilidad de la columna a comportarse en flexión

3.4 Torsión

En Caracas, la mayoría del desarrollo actual de propiedades inmobiliarias parece ocurrir en las laderas de los cerros. Las estructuras residenciales de mediana altura tienen típicamente una planta en el mismo nivel que la calle y varios niveles de estacionamiento con sótano parcial. Puesto que la mayoría de las nuevas estructuras están diseñadas en sitios inclinados, los niveles del garaje están  abiertos (sin muros de contención) en el lado colina abajo. Si las paredes se colocan solamente en el lado colina arriba, las fuerzas laterales harán que la estructura se comporte de una manera torsional, aumentando la demanda de deformación de las columnas colina abajo (ATC, 1989). El incremento de la demanda puede causar que las columnas excedan su capacidad de deformación lateral y puede llevar al colapso. De los 51 edificios de mediana altura que estudiamos 15 tenían irregularidades torsionales importantes. La Figura 7 muestra una estructura moderna típica con varios niveles del estacionamiento parcialmente subterráneos construida en una ladera escarpada.

Figura 7. Esta es una foto de una estructura típica construida en una ladera escarpada

3.5 Empalmes excéntricos en la junta viga-columna

Muchas de las vigas que observamos tenían una composición excéntrica (Figura 8). En algunos casos, las columnas fueron proporcionadas más como muros de corte; a pesar de esto, el diseño parece confiar en que la columna va a funcionar y formar un pórtico en la dirección perpendicular y paralela a la del muro de corte. Las vigas del pórtico que están construidas para apoyarse solo en un lado de la columna o muro, ocasionarán daños localizados a las columnas cuando las vigas traten de desarrollar el momento en la junta viga/columna (BSSC, 1992).  En la estimación de los autores mas del 10% de las estructuras estudiadas tenían conexiones viga columna excéntricas.

Figura 8. Esta intersección de la viga/columna fue una de las juntas más excéntricas que observamos

3.6 Carencia de suficientes muros de corte

De las 51 estructuras que estudiamos, sólo nueve tenían muros de corte como parte del sistema que resiste la fuerza lateral. De éstas, solamente dos tenían lo que se podría considerar una cantidad razonable de muros de corte en ambas direcciones ortogonales. Las otras siete tenían substancialmente menos área de muros de corte en una dirección que en la otra. La distribución de  estos muros era más como en hilera, con muchos muros transversales y solo algunos muros longitudinales a lo largo del eje longitudinal de la estructura. La figura 9 muestra una planta típica donde la mayoría de los muros de corte se orientan en la misma dirección y pocos muros se orientan en la dirección perpendicular. Observe que la colocación asimétrica de los dos muros longitudinales dará lugar a torsión y que las columnas de la parte inferior de la figura sufrirán desplazamientos grandes, en dirección de los muros longitudinales, debido a la torsión.

Figura 9. La mayoría de los muros de corte en esta estructura se orientan en la misma dirección (Dirección vertical en la página). Solamente dos muros de corte se orientan en la dirección perpendicular (Dirección horizontal en la página)

Algunas veces los muros son colocados en los extremos de la estructura (Figura 10) pero no tienen soporte lateral en los primeros pisos. Estos muros pueden sufrir fallas de pandeo o fallas de aplastamiento del concreto en su parte baja debido a esfuerzos de flexión. La presencia de muros de corte, aunque sean pocos, mejora el comportamiento global de la estructura; el colocar pocos muros de corte en una dirección deja a la estructura vulnerable y lleva a un comportamiento pobre.

Figura 10. El muro de corte longitudinal a la derecha de la foto no esta soportado en la mayor parte de su altura y puede experimentar pandeo en la dirección fuera del plano o aplastamiento del concreto en la parte baja del muro debido a esfuerzos de flexión

4. Problemas No-estructurales típicos

Desde un punto de vista de preservación de vidas humanas durante un terremoto, problemas importantes que pueden ser una amenaza de muerte se originan por problemas de elementos no estructurales. En el caso de Venezuela, las amenazas más importantes para la preservación de vidas humanas durante un terremoto que se originan en los componentes no estructurales se presentan por el uso de tabiquería de bloque de arcilla (piezas huecas) y por el uso de enchapado de paredes usando ladrillo según lo discutido posteriormente en este articulo.

4.1 Tabiquería de bloque hueco de arcilla

El uso de la tabiquería es la amenaza más grande a los ocupantes de las estructuras venezolanas típicas. De los 51 edificios de mediana altura que estudiamos, todos los 51 tenían tabiquería de bloque hueco de arcilla. La pared de bloque hueco de arcilla tiene a menudo solamente el ancho de un solo bloque y puede fallar ya sea por fuerzas perpendiculares al plano de la pared, o por fuerza excesivas en el plano de la pared creada cuando los pórticos de concreto quieren deformarse y la deformación es restringida por los tabiques de albañilería. A pesar de que el ladrillo de la tabiquería es hueco, una pared  del mismo ancho del bloque pesa entre 147 y 294 Kg/m² (1.4 y 2.9 KPa o 30 a 60 psf) una vez que se aplique el recubrimiento. Estos elementos no estructurales son muy pesados y constituyen un gran peligro para los ocupantes de las estructuras y para los transeúntes de las calles alrededor del edificio. Las Figuras 11 y 12 muestran paredes de un solo bloque de ancho y la fachada típica de un edificio bajo construcción en Caracas, respectivamente.

Figura 11. Este tabique es solamente del ancho de un bloque y crea un peligro porque se puede caer. Las tuberías eléctricas se colocan en la pared picando los ladrillos y después recubriéndolas con una mezcla de mortero, lo que debilita más las paredes

Figura 12. Esta fachada es del ancho de un bloque lo que crea un peligro para los peatones en la calle. Las flechas indican las columnas cortas que se generan por las paredes de relleno

Aunque la tabiquería no colapse, las pérdidas económicas por agrietamiento severo de las paredes serán substanciales. La pérdida de uso de los edificios será similarmente substancial, puesto que puede ser muy difícil convencer a los residentes que las paredes seriamente agrietadas no son un peligro estructural y que la estructura no va a colapsar. Los edificios con grietas mayores muy probablemente deberán ser evacuados.

4.2 Enchapado de ladrillo

El uso del enchapado de ladrillo adherido a las paredes de la fachada es al parecer popular como material exterior del revestimiento. De los 51 edificios de mediana altura que estudiamos, 30 tenían adherido el enchapado de ladrillo sobre una porción importante de sus exteriores. El enchapado de ladrillo que observamos era aproximadamente de 3 centímetros (1 pulgada) de grueso y estaba adherido al concreto con el mortero. No se observó ningún anclaje mecánico (Figura 13).

Figura 13. El enchapado típico es adherido con mortero y sin anclajes mecánicos

En varios edificios el enchapado del ladrillo estaba en condiciones precarias con muchos desprendimientos. Las Figuras 14 y 15 muestran la deterioración típica de los enchapados observados.

Figura 14. El enchapado de ladrillo no anclado puede desprenderse creando un peligro para los transeúntes

Figura 15. Esta capa entera de enchapado se esta desprendiendo de la columna

El uso del enchapado de ladrillo plantea un peligro inminente para los residentes que quieren evacuar un edificio ya sea durante o después de un terremoto y también para los transeúntes en la calle. Durante un terremoto los pórticos  estructurales se deformarán y la tabiquería tratará de resistir estas deformaciones y se agrietará en tensión o fallará en compresión trayendo como consecuencia la delaminación del enchape de ladrillo y la caída de éste, lo cual creará un peligro de muerte. Similar a nuestra discusión previa de las paredes de tabiquería de bloques, las pérdidas económicas debido a la falla del enchapado pueden ser substanciales.

5. Construcción informal típica en Venezuela

Durante nuestra visita a Venezuela, los autores también observaron numeroso barrios alrededor de Caracas (Figura 16). La construcción de estos barrios es excesivamente pobre; las estructuras son a menudo de cuatro o cinco pisos, con un número mínimo de columnas y de vigas de refuerzo. La mayoría de estas estructuras son esencialmente estructuras de tabiquería hueca de ladrillo no reforzadas. El hecho de que muchas de estas estructuras están en las laderas y tienen irregularidades torsionales severas empeora más el comportamiento de ellas,  que se espera sea muy pobre de acuerdo a lo observado en terremotos anteriores. La amenaza de muerte que presentan estas estructuras es muy alta.

Figura 16. Barrios típicos alrededor de Caracas

6. Recomendaciones

Muchas de las deficiencias aquí descritas en estructuras diseñadas por ingenieros pueden ser mitigadas simplemente con un cambio del sistema estructural que resiste las cargas laterales, de pórticos a muros de corte. De hecho, debido al uso de ventanas pequeñas y tabiquería siempre presente, la arquitectura venezolana es generalmente más favorable al uso de los muros de corte de concreto que cualquiera de los estilos arquitectónicos en los EE. UU. Los autores observaron muchos lugares donde muros de corte hubieran podido sustituir la tabiquería sin afectar la arquitectura. El uso de los muros de corte de concreto en ambas direcciones limita la deriva de entrepiso y reduce la demanda de ductilidad de los componentes de los pórticos. Si el uso de los muros de corte no es económicamente viable entonces la tabiquería debe ser aislada de los pórticos para que estos puedan actuar en flexión de la manera que se les diseñó. Adicionalmente, se necesitan desarrollar detalles especiales de apoyo que permitan soportar las paredes en la dirección transversal (dirección fuera-del-plano) y permitir el movimiento en la dirección longitudinal (en el plano).

Con respecto a elementos no estructurales, se recomienda reducir el uso de tabiquería de ladrillo hueco, reforzar o encapsular las paredes existentes y hacer uso de anclajes mecánicos en el enchapado de ladrillo para reducir los riesgos de colapso de estos elementos, la perdida económica y las amenazas a la vida humana.

En referencia a la construcción informal de los barrios, los problemas sísmicos son mucho más complicados. Debido a las consideraciones económicas, parece inverosímil que los barrios desaparezcan como por arte de magia en un futuro cercano. Por lo tanto, el gobierno de Caracas debe hacer más para educar y para encaminar a sus ciudadanos para que construyan estructuras residenciales con materiales competentes con los recursos limitados disponibles. El ladrillo hueco (bloque) de arcilla no debe ser utilizado. El uso de muros de corte de concreto o de ladrillo confinado como se hace en otras partes de Latinoamérica en lugar de tabiquería de ladrillo hueco (bloque) disminuirá substancialmente el potencial de daño y de pérdidas de vidas. Sin la intervención proactiva del gobierno, la pérdida de vidas en los barrios debido a un terremoto puede ser realmente devastadora.

7. ConCLUSIONeS

Durante una visita reciente a Venezuela, los autores descubrieron que  a pesar de que Venezuela ha adoptado un código de edificios con especificaciones sísmicas modernas y hace cumplir la mayoría de estas normas, existen errores conceptuales importantes en el diseño de los sistemas que resisten las fuerzas laterales en edificios que se están repitiendo casi universalmente. Las principales deficiencias de diseño conceptual son los pisos blandos y débiles creados típicamente por la Planta Baja, las columnas cortas creadas por tabiquería no estructural, la condición de viga fuerte/ columna débil, las juntas excéntricas de la unión viga-columna, la carencia de muros de corte en dos direcciones ortogonales, el uso de las paredes y particiones de ladrillo hueco de arcilla, y el uso de enchapado de ladrillo no anclado a la estructura. A pesar de que una muestra de 51 edificios puede parecer insuficiente para llegar a una opinión con respecto a las construcciones típicas de Venezuela, los autores pasaron dos semanas viajando por Venezuela y observaron cientos de edificios de mediana altura con las mismas características de los estudiados.  En caso de un terremoto grande, estos errores tendrán repercusiones substanciales, tanto económicas como de pérdida de vidas, a menos que la filosofía de diseño de los ingenieros venezolanos cambie drásticamente.

8. Reconocimientos

Los autores desean agradecer a Oscar A. López y Elizabeth Raven por su hospitalidad y generosidad durante nuestra visita.

9. Referencias citadas

1. Applied Technology Council (ATC), 1989, Procedures for Postearthquake Safety Evaluation of Buildings, ATC-20, Redwood City, California, 152 pp.        [ Links ]

2. Bonilla R.; López, O.A.; Castilla, E.; Torres, R.; Marinelli, A.; Annicchiarico, W.; Garcés, F.; Maldonado, Z., El Terremoto de Cariaco del 9 de Julio de 1997, Technico Boletin, Instituto de Materiales y Modelos Estructurales, Volumen 38 No. 2, Julio 2000.        [ Links ]

3. Building Seismic Safety Council (BSSC), 1992, NEHRP Handbook for the Seismic Evaluation of Existing Buildings, Washington, D.C..        [ Links ]

4. Sozen, M., Jennings, P., Matthiesen, R., Housner, G., and Newmark, N., Engineering Report on the Caracas Earthquake of 29 July 1967, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1968.        [ Links ]

5. Structural Engineers Association of California (SEAOC), 1999, Recommended Lateral Force Requirements and Commentary, 7th edition, Sacramento, California, 440 pp.        [ Links ]