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Evaluaci�n estructural de la iglesia patrimonial El Tambo considerando base r�gida e Interacci�n din�mica suelo estructura

 

Structural evaluation of the El Tambo heritage church considering rigid base and dynamic soil-structure interaction

 

Avalia��o estrutural da igreja patrimonial de El Tambo considerando a base r�gida e a intera��o solo-estrutura din�mica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: erika.romero.05@est.ucacue.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 13 de octubre de 2022 *Aceptado: 28 de noviembre de 2022 * Publicado: 01 de diciembre de 2022

 

 

        I.            Universidad Cat�lica de Cuenca, Cuenca, Ecuador.

     II.            Universidad Cat�lica de Cuenca, Cuenca, Ecuador.

 

 

 

 

 

Resumen

El presente trabajo de investigaci�n tiene como objetivo realizar la evaluaci�n estructural de la iglesia central del cant�n el tambo, considerando primero a la estructura como base empotrada y en segundo tomando en cuenta los efectos interacci�n suelo-estructura; para su desarrollo primero se recopilo informaci�n general de la estructura como: la descripci�n arquitect�nica y estructural, adem�s de las propiedades f�sicas, mec�nicas del suelo donde se encuentra implantada la estructura, datos que se obtuvieron de la realizaci�n de ensayos de campo y laboratorio. El modelamiento de la estructura se realiz� con el programa ETABS, donde se evalu� la iglesia con base r�gida y considerando los efectos de interacci�n suelo estructura; luego de este an�lisis se presenta los resultados obtenidos como: deformaciones m�ximas, periodo de vibraci�n, derivas de piso y fuerzas cortantes. Para su an�lisis, se consider� para la obtenci�n del espectro de dise�o y las cargas m�nimas los par�metros que establece la NEC-2015, NEC_SE_DS_ en el cap�tulo de peligro s�smico.

Palabras clave: Estructuras patrimoniales; Interacci�n suelo - estructura; Evaluaci�n estructural.

 

Abstract

The present work of investigation has as objective to carry out the structural evaluation of the central church of the corner and also, considering firstly the structure as an embedded base and secondly taking into account the effects of soil-structure interaction; For its development, first, general information on the structure is collected, such as: the architectural and structural description, in addition to the physical and mechanical properties of the ground where the structure is located, data obtained from carrying out field and laboratory tests. The modeling of the structure was carried out with the ETABS program, from which the church was evaluated on a rigid basis and considering the effects of interaction with its structure; This analysis presents the results obtained as: maximum deformations, period of vibration, floor drift and cutting forces. For its analysis, to obtain the design spectrum and the minimum loads, the parameters established by the NEC-2015, NEC_SE_DS_ in the seismic hazard chapter were considered.

Keywords: Heritage structures; Interaction suelo - structure; Structural evaluation.

 

Resumo

O presente trabalho de investiga��o tem como objetivo realizar a avalia��o estrutural da igreja central do cant�n el tambo, considerando primeiro a la estrutura como base empotrada e em segundo tomando em conta os efeitos de intera��o suelo-estrutura; para su desarrollo primero se recopilo informaci�n general de la estructura como: la descripci�n arquitect�nica y estructural, adem�s de las propiedades f�sicas, mec�nicas del suelo onde se encuentra implantada la estructura, dados que se obtuvieron de la realiza��o de ensaios de campo y laboratorio. O modelo da estrutura � realizado com o programa ETABS, onde se avalia a igreja com base r�gida e considerando os efeitos de intera��o com a estrutura; luego desta an�lise se apresenta los resultados obtidos como: deformaciones m�ximas, periodo de vibraci�n, deriva��es de piso y fuerzas cortantes. Para sua an�lise, considere a obten��o do espectro de projeto e as cargas m�nimas dos par�metros que estabelecem o NEC-2015, NEC_SE_DS_ no cap�tulo de perigo s�smico.

Palabras clave: Estructuras patrimoniais; Intera��o suelo - estrutura; Avalia��o estrutural.

 

Introducci�n

Con el transcurso del tiempo las edificaciones han sufrido da�os ya se por una mala construcci�n, por el tipo de suelo en donde se desplanta la estructura, por el uso, por falta de mantenimiento o por alg�n desastre natural como deslizamientos, huracanes, inundaciones, fallas geol�gicas, y especialmente por los sismos que se han registrado en el mundo a lo largo de los a�os produciendo p�rdidas humanas, materiales y econ�micas; entre algunos sismos que han producidos mayores da�o se puede encontrar el de Hait� el que se produjo el 12 de enero de 2010 dejando un total entre 100000 y 300000 v�ctimas mortales, varios edificios se hundieron incluido la sede de las Naciones Unidas y m�s de millones de p�rdidas, el de Chile, el 27 de Febrero del 2010, cuya magnitud fue de 8.8, cuyo origen fue en el oc�ano Pac�fico, con una duraci�n de hasta cuatro minutos en las zonas m�s cercanas al epicentro. Se registraron m�s de 500 v�ctimas mortales, dos millones de personas damnificadas y destrozos en medio mill�n de viviendas.

Ecuador es un pa�s que ha sido sacudido por sismos, entre las ciudades que han sufrido este evento destructivo est�n: Ambato (1949), Esmeraldas (1979), Reventador (1987), Macas (1995), Bah�a (1998), y Pedernales (2016) el cual es el �ltimo sismo de gran magnitud que se produjo en el pa�s, afectando a un total de 24013 edificaciones en varias provincias (El Telegrafo, 2016).

Ninguna edificaci�n debe sufrir da�os estructurales importantes despu�s de un evento s�smico de moderado o gran magnitud, y en el caso de las edificaciones antiguas las cuales fueron construidas sin ninguna especificaci�n de dise�o y construcci�n, adem�s seg�n (Rangel et al., 2004), la vulnerabilidad de las edificaciones antiguas ante fuerzas s�smicas se debe a que el sistema estructural fue creado como de gravedad, y son construidas con mamposter�a sin refuerzos con espesores grandes y con materiales que no tienen capacidad para resistir esfuerzos de tensi�n y de cortante como el adobe, ladrillo, barro, piedras naturales o combina.�

Por lo mencionado anteriormente, y adem�s porque durante su vida �til las estructuras acumulan problemas de inestabilidad progresiva ya se por el deterioro de los materiales, por la acci�n de los sismos o por la falta de mantenimiento, es necesario realizar una evaluaci�n estructural para diagnosticar el estado en el que se encuentra la estructura y poder determinar si la estructura requiere o no un reforzamiento.

Una evaluaci�n estructural sirve para determinar el estado actual de una edificaci�n y consiste en la realizaci�n de mediciones, ensayos, inspecciones y hasta en algunos casos el recalculo de la estructura; se realiza en los siguientes casos:

�         Cuando se ha detectado fisuras o deformaciones en los elementos principales de la estructura.

�         En caso de ampliaciones de niveles de la edificaci�n.

�         Cuando existe un incremento de cargas que pueden ser cargas muertas o cargas vivas.

Para la evaluaci�n estructural el primer paso es una valoraci�n visual en campo, la cual permitir� detectar cualitativamente su estado y condiciones, el siguiente es el an�lisis estructural, o an�lisis matem�tico de la estructura, para determinar qu� tan apta es la edificaci�n ante la acci�n de fuerzas s�smicas.

En el presente trabajo la evaluaci�n de la iglesia central del cant�n El Tambo se realizara a trav�s de una valoraci�n visual en campo y un an�lisis estructural considerando el m�todo convencional (base r�gida) y el fen�meno de interacci�n suelo estructura, es decir la base flexible, debido a que este fen�meno es m�s real, influenciando notoriamente en los c�lculos, Al considerar al suelo como si fuera perfectamente r�gido crea comportamientos diferentes a la realidad en el momento de un evento s�smico, por esa raz�n es necesario considerar como parte fundamental en un an�lisis estructural las propiedades el�sticas del suelo (Calder�n Mestre, Almenarez Laba�ino, & Boada Fern�ndez, 2020).

En la interacci�n suelo-estructura el suelo forma parte del an�lisis estructural de una edificaci�n, debido a que el mismo no es perfectamente r�gido sino que tiene cierto grado de amortiguaci�n (Avil�s, 1999), por eso es necesario la determinaci�n de los coeficientes de rigidez equivalentes del suelo con la conclusi�n de determinar� la flexibilidad de la base de fundaci�n, estos coeficientes de rigidez dependen de las caracter�sticas de suelo de cimentaci�n, as� como tambi�n de las tipolog�as de la cimentaci�n.

La interacci�n suelo estructura se conoce a la alteraci�n que sufre el movimiento del suelo ante el aspecto de una edificaci�n. Adem�s, es un conjunto de efectos cinem�ticos e inerciales derivados por la estructura y el suelo como consecuencia de la flexibilidad de este ante una respuesta s�smica. Al considerar la interacci�n suelo-estructura en el dise�o de las edificaciones, interviniendo en la determinaci�n de los modos de vibraci�n naturales de la estructura, desplazamientos, esfuerzos y por consiguiente en su dise�o estructural.�(D�az Guzman, Espinoza Barreras, S�nchez Vergara, & Huerta L�pez, 2012)

La interacci�n inercial afecta principalmente a la estructura como por ejemplo se modifica el amortiguamiento, aumenta el periodo fundamental y reduce la ductilidad esto debido a que la base se encuentra sin empotramiento fijo; en cambio los efectos cinem�ticos se relacionan con la cimentaci�n, las caracter�sticas del subsuelo y del tipo de ondas s�smicas que incurren.

Los efectos que puede presentar la estructura al determinar el fen�meno de interacci�n suelo � estructura ante al considerar la base r�gida son:

�         Aumento de los desplazamientos laterales de la estructura

�         Aumento del amortiguamiento viscoso

�         Aumento del espacio de vibraci�n de la estructura (Le�n Freire, 2016)

De este an�lisis se obtendr� par�metros como es el periodo fundamental de la estructura, los desplazamientos laterales m�ximos y las derivas de piso, mismas que servir�n para valorar el estado actual de la iglesia.

Para determinar el nivel de da�o o el nivel de desempe�o s�smico de una edificaci�n� (Z��iga Cuevas & Ter�n Gilmore, 2008), establece la tabla 1 y tabla 2.

 

 

Figura 1: Estado y grado de da�o en muros de mamposter�a confinada

 

Figura 2: Estados l�mite para muros de mamposter�a confinada

 

Sin embargo (Chac�n et al., 2021), en su art�culo establece que para estructuras construidas con caracter�sticas diversas, la evaluaci�n estructural de este tipo tiene una gran incertidumbre por su naturaleza. Adem�s, son estructuras que tienen un comportamiento fr�gil debido a que tienen una resistencia a compresi�n baja y no tienen la capacidad de disipar energ�a.

 

M�todos y modelos de Interacci�n suelo-estructura

En la actualidad hay una gran variedad de m�todos y modelos que pueden ser empleados cuando se considera el efecto de interacci�n suelo estructura entre ellos se encuentran: El m�todo del FEMA 440, 2005. "Improvement of Non-Linear Static Seismic Analysis rocedures", m�todo del ASCE 41-16 "Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings", m�todo de los elementos finitos, m�todo directo de ISE � Modelo C, m�todo de la subestructura entre otros. Aunque (Espinosa Stead & Carri�n Granja, 2019) en su estudio realizado, llega a la conclusi�n de que los resultados son similares al aplicar cualquier de los m�todos mencionados anteriormente considerando interacci�n suelo � estructura.

Para el an�lisis de este caso se consider� el m�todo de la subestructura que consiste en representar la cimentaci�n ya no como base empotrada si no con resortes (Morales & Espinosa , 2020), por eso es necesario disponer de un estudio geot�cnico que contengan par�metros mec�nicos y din�micos del suelo. Para obtener las rigideces en la fundaci�n del terreno se puede aplicar las ecuaciones de impedancia de (GAZETAS, 1991), las mismas que se ilustran a continuaci�n.�

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D�nde:

𝐺 = Modulo de corte

𝜈 = Relaci�n de Poisson

𝐵 y 𝐿 = Mitad del ancho y mitad de la longitud (figura 1).

𝐼𝑥,𝐼𝑦 = Momento de inercia del �rea de contacto suelo-cimentaci�n en X y Y

𝐼𝑧 = Momento polar de inercia

Para los valores de B y L deben ser considerados seg�n el esquema de la ilustraci�n 1.

Figura 3: Esquema de los valores B y L

 

Un factor importante cuando se quiere constatar en los modelos estructurales el an�lisis din�mico por interacci�n suelo � estructura es el tipo de suelo. Para obtener los par�metros del suelo como las velocidades de onda de corte cuyo valor sirve para clasificar el tipo de perfil s�smico del suelo y el m�dulo cortante m�ximo, se realiz� el ensayo geof�sico (An�lisis multicanal de ondas de superficie MASW); en la tabla 3 se muestra las propiedades geot�cnicas del suelo obtenidas del mismo.

 

Figura 4: Propiedades geot�cnicas del suelo

 

En la ilustraci�n 2 se presenta el perfil estratigr�fico del suelo con sus respectivas propiedades, como es la velocidad de onda "S" y "P", coeficientes din�micos y est�ticos del suelo.

Figura 5: Estratigr�fico seg�n ensayo geof�sico

 

Desarrollo

La estructura a ser evaluada es la iglesia central de El Tambo, ilustraci�n 3, que fue construida en el a�o de 1947, se encuentra ubicado en el cant�n El Tambo provincia de Ca�ar, en las coordenadas:

Este: 730298.00 m E.

Sur: 9722235.00 m S.

 

Figura 6: Ubicaci�n de la zona de estudio

 

Caracter�sticas de la edificaci�n

La iglesia de El Tambo se halla constituida por una nave longitudinal de forma rectangular cuya dimensi�n en planta es de 54.00x16.25m, est� dispuesto por ocho p�rticos en el sentido denominado X-X y dos p�rticos en el sentido Y-Y, la misma que se visualiza en la ilustraci�n 4.

Figura 7: Plano Arquitect�nico-Planta

 

La altura de la iglesia es de 10.45m hasta la cubierta y de 24.34m hasta la c�pula, observ�ndose en la ilustraci�n 5.

 

Figura 8: Plano Arquitect�nico - Elevaci�n

 

Materiales

Es una estructura, que est� conformada en la parte de la nave principal de adobe, hormig�n y madera y en la parte alta de bahareque y losa de hormig�n.

Los materiales empleados en la estructura se resumen en la tabla 4 con sus respectivas propiedades, cuyas propiedades se obtuvieron de ensayos y de la tesis de (HEREMB�S ORTEGA , 2018).

 

Figura 9: Propiedades de los materiales

 

Cargas

Las cargas empleadas en el dise�o como prioritarias o principales son: las cargas gravitatorias, debido al peso propio y cargas permanentes, las cargas din�micas producto de la acci�n del sismo y las cargas vivas o de servicio. Para la muerta se consider� todos los componentes estructurales y no estructurales permanentes como: pisos, cielos rasos, equipo fijo de servicio y todas aquellas cargas con car�cter de permanentes. La carga viva se ha considerado de acuerdo a lo que sugiere la (NEC, 2014), la carga m�nima repartida para iglesias es de 480kg/m2, esta se defini� seg�n el uso o la ocupaci�n para la cual est� destinada, y para la cubierta se defini� una carga de 70kg/m2, las mismas que se detallan en la tabla 5.

 

Figura 10: Carga viva: Sobrecargas m�nimas

 

Para el an�lisis s�smico se realiza primero un an�lisis s�smico est�tico, a trav�s del cual se obtiene la fuerza cortante est�tica o cortante basal y en segundo lugar un an�lisis s�smico din�mico espectral en funci�n de la gravedad. Seg�n (Mancheno, 2017), para el estudio y dise�o estructural de una edificaci�n se debe aplicar como m�nimo estos dos m�todos.�

(Quispillo Morocho, 2022), establece en su tesis que adem�s con estos m�todos se puede evaluar que la fuerza cortante en la base, el periodo de vibraci�n de la estructura, las derivas de piso se encuentren dentro de los rangos admisible que establece la NEC 2015.

Los par�metros que se considera para el an�lisis s�smico son: lugar de emplazamiento, los coeficientes de amplificaci�n y el tipo de suelo, los par�metros de factor de zona s�smica.

Para evaluar la estructura de estudio se utiliz� la Norma Ecuatoriana de la construcci�n, aunque no existe un cap�tulo dedicado al dise�o sismorresistente de estructuras de adobe, como es el caso de algunos pa�ses latinoamericanos de alto riesgo s�smico como Per� y Chile los cuales disponen de una Norma dedicada a estas estructuras.

En la tabla 6, aplicando lo que establece la NEC-2015, NEC_SE_DS en el cap�tulo de peligro s�smico se presenta los diferentes par�metros que servir�n para el c�lculo del cortante basal y el espectro de dise�o, para el perfil geot�cnico obtenido del an�lisis geof�sico, correspondiente a la zona s�smica para el cant�n El Tambo y para la categor�a de estructuras de ocupaci�n especial, es decir un coeficiente de importancia I=1,3.

Los factores que se incluyeron para obtener el cortante basal y el espectro seg�n la NEC son:

 

Figura 11: Par�metros asumidos para la obtenci�n del Cortante

 

Debido a que las estructuras de adobe carecen o tienen poca ductilidad se consider� el factor de reducci�n de respuesta estructural (R) igual a 1, quiere decir que la estructura debe soportar toda la acci�n s�smica sin disipar energ�a, debido a que no existe reducci�n en la respuesta s�smica.

En la ilustraci�n 6 se presenta el espectro de dise�o que ser� incluido en el modelo estructural.

 

Figura 12: Espectro de dise�o

 

An�lisis de la estructura

Para el an�lisis de la estructura se realiz� a trav�s de elementos finitos en el software de c�lculo estructural ETABS 19 para base r�gida y flexible. Al considerar interacci�n suelo � estructura se utiliz� el m�todo de la subestructura.

 

 

M�todo de la subestructura

El m�todo de la subestructura consiste en calcular las rigideces, y representar la base en el an�lisis estructural a trav�s de resortes, los mismos que simulan el comportamiento din�mico del suelo (Villareal Castro & Aguila G�mez , 2021), pueden ser calculados aplicando las funciones de impedancia a partir de (GAZETAS, 1991), las mismas que fueron descritas anteriormente.

 

GAZETAS 1991

Para aplicar el m�todo que establece Gazeta, se debe tener en cuenta caracter�sticas como el m�dulo de cortante del suelo, las dimensiones de la cimentaci�n, el coeficiente de Poisson (Corratg� Yzaguirre, Martinez Cid, & Cobelo Cristi�, 2021).

En la tabla 7 se exponen los valores de rigidez calculados para el tipo de suelo obtenido del an�lisis geof�sico, aplicando las ecuaciones procedentes de las investigaciones de GAZETAS.

 

Figura 13: Coeficientes de rigidez

 

Resultados

Luego del an�lisis estructural, se puede comprobar que el efecto de interacci�n suelo � estructura es notorio, evidenci�ndose en los resultados obtenidos del dise�o estructural como son: el periodo y modo de vibraci�n de la estructura, las derivas de piso, la distribuci�n de las fuerzas s�smicas por nivel, par�metros que servir�n para evaluar el comportamiento estructural de la iglesia central del cant�n El Tambo.

 

Periodo de vibraci�n

En la ilustraci�n 7 se muestra los valores de los periodos obtenidos de la estructura con base empotrada y considerando la flexibilidad del suelo por el m�todo propuesto por Gazeta.

Debido a que la masa de la cimentaci�n es tomada en cuenta al considerar interacci�n suelo � estructura el periodo de vibraci�n aumenta; en esta edificaci�n se obtuvo en el primer modo de vibraci�n un incremento del 16% de 1.048 seg a 1.248 seg en el sentido X-X traslacional, en el segundo modo de vibraci�n un incremento del 20.22% de 0.71 seg a 0.89 seg en el sentido Y-Y rotacional y en el tercer modo de vibraci�n un incremento del 18.58% de 0.701 seg a 0.861 seg en el sentido Z-Z rotacional.

 

Figura 14: Periodo de vibraci�n

 

Desplazamientos

Al considerar la flexibilidad del suelo en el an�lisis de la estructura, los desplazamientos generados por el sismo aumentan (VALDERRAMA CARPIO & MEZA RODRIGUEZ , 2014).

�En este an�lisis se obtuvo un incremento del desplazamiento de 20% en el sentido X-X y un 15% en el sentido Y-Y al considerar el fen�meno de interacci�n suelo-estructura, en relaci�n a la base r�gida, cuyos resultados se muestra en la ilustraci�n 8 y 9.

 

Figura 15: Desplazamiento m�ximo sentido X-X

 

Figura 16: Desplazamiento m�ximo sentido Y-Y

 

Deriva de piso

Seg�n la Norma Ecuatoriana de la Construcci�n en su cap�tulo de dise�o sismorresistente, en el numeral 5.1 establece que cuando se realiza un an�lisis din�mico la deriva m�xima para estructuras de concreto armado no debe exceder el valor de 0.02 y para mamposter�a 0.01; para el c�lculo de la deriva m�xima inel�stica se aplica la f�rmula del numeral 6.3.9 de la NEC.

En la ilustraci�n 10 y 11 se muestran las derivas inel�sticas m�ximas, similar al comportamiento de los desplazamientos, obtenidas del modelo analizado, seg�n la condici�n de apoyo de la base; al considerar el efecto de interacci�n suelo estructura se nota un incremento de los valores de la deriva en todos los pisos, 34% en el sentido X-X y 30.43% en el sentido Y-Y.

 

Figura 17: Deriva inel�stica m�xima por sismo din�mico en direcci�n X-X con base flexible

 

Figura 18: Deriva inel�stica m�xima por sismo din�mico en direcci�n X-X con base r�gida

 

Conclusiones

La iglesia de El Tambo fue construida en el a�o de 1947, con materiales como el adobe, baraheque, madera, etc; su construcci�n fue a trav�s de un sistema de gravedad y no se consider� un an�lisis sismorresistente, debido que la misma fue construida antes de la aparici�n de una norma o c�digo sismorresistente.

Luego de realizar la evaluaci�n del estado actual de la estructura a trav�s de la inspecci�n visual la iglesia de El Tambo se encuentra con grietas, desprendimiento de los muros con la cubierta, separaci�n de los muros en las esquinas, deformaciones en las columnas; mientras que del an�lisis estructural con base r�gida y aplicando Interacci�n din�mica suelo-estructura se obtuvieron que las derivas inel�sticas m�ximas no cumplen con lo que establece la Norma Ecuatoriana de la Construcci�n, en este caso las derivas son mayores al 1% que es el caso para mamposter�a; los esfuerzos m�ximos en los muros son mayores a los l�mites de esfuerzos admisibles a compresi�n, tracci�n y a corte del adobe; adem�s, del an�lisis modal la participaci�n de masa obtenida es muy baja no cumple con al menos el 90% que establece la NEC 2015.

De igual manera con los datos obtenidos se concluye que es importante considerar en un an�lisis estructural el fen�meno de interacci�n suelo estructura debido a que el mismo permite obtener resultados m�s reales sobre el comportamiento de una estructura ante eventos s�smicos que pueden ocurrir mediante la vida �til de la misma. Los par�metros que influyen en la importancia de considerar el fen�meno de interacci�n suelo-estructura en un an�lisis din�mico son: los desplazamientos, los modos de vibraci�n, las derivas de piso, los esfuerzos etc.

Al realizar el an�lisis estructural considerando la flexibilidad del suelo, frente a la base r�gida se concluye:

�         Los periodos de vibraci�n aumentaron al considerar la base flexible, en un incremento del 16% en el sentido X-X traslacional, un 20.22% en el sentido Y-Y rotacional y un 18.58% en el sentido Z-Z rotacional.

�         Los desplazamientos m�ximos aumentaron en un 20% en el sentido X-X y un 15.00% en el sentido Y-Y al considerar el fen�meno de interacci�n suelo-estructura, en relaci�n a la base r�gida.

�         Las derivas inel�sticas m�ximas aumentaron en un 34% en el sentido X-X y 30.43% en el sentido Y-Y al considerar la base flexible.

 

Referencias

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