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DEL 5 AL 7 DE SEPTIEMBRE DE 2018, CDMX
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA SÍSMICA A. C.
COMPARACIÓN DE TRES TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN PARA
EDIFICIOS CON PLANTA BAJA DÉBIL
Marco A. Santos Santiago (1), Sonia E. Ruiz Gómez (1) y René Jiménez Jordán (1)
1Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Interior s/n, Ciudad Universitaria, Delegación
Coyoacán, México, C.P. 0.4510 MSantosS@iingen.unam.mx; SRuizG@iingen.unam.mx; RJimenezJ@iingen.unam.mx
RESUMEN
Se comparan respuestas de edificios con planta baja débil (PBD) rehabilitados con: 1) encamisado de concreto
reforzado, 2) colocación de contravientos de ductilidad baja, y 3) colocación de contravientos restringidos al pandeo.
Los edificios tienen características similares a los que colapsaron durante el sismo 19/S17. Se realizan análisis
dinámicos no-lineales usando ocho movimientos registrados durante el evento 19/S17. Se hace ver que cada una de las
técnicas de rehabilitación elimina el comportamiento de PBD y, ante intensidades mayores a las intensidades de diseño,
la falla se traslada al segundo entrepiso. Se mencionan algunas ventajas y desventajas de cada una de las soluciones.
ABSTRACT
Structural response of buildings with soft first story, rehabilitated with different techniques: 1) jacketing of columns
with reinforced concrete, 2) addition of ordinary concentrically braces frames, and 3) addition of buckling restrained
braces, are compared. The structures have characteristics similar to those of the buildings collapsed during the 19/S17
Mexican earthquake. They are subjected to seismic ground motions recorded during the 19/S17 event. The results
show that the 3 retrofit techniques eliminate the first soft story behavior and, for seismic intensities higher than those
of design level, the collapse occurs at the second story. Some advantages and disadvantages of each solution are
mentioned.
INTRODUCCIÓN
Durante el sismo del 19 de septiembre de 2017 (19/S17) el porcentaje de edificios colapsados en la CDMX con piso
bajo débil (PBD) fue alrededor de 35%, según un estudio breve realizado por los autores. Este alto porcentaje llama la
atención y conduce a la necesidad de estudiar el comportamiento de edificios con este tipo de estructuración, así como
de revisar la seguridad de los edificios de este tipo que, aunque no fallaron durante el sismo, es necesario evaluar y, en
su caso, rehabilitar con el fin de que cuenten con adecuada confiabilidad estructural y se garantice su buen
comportamiento en futuros eventos sísmicos. En los años recientes, ciudades como Los Ángeles y San Francisco, USA,
han implementado programas obligatorios de rehabilitación para las estructuras más vulnerables que son propensas a
desarrollar comportamiento de PBD ante sismos significativos. Por otro lado, las NTC de Rehabilitación (2017) de la
CDMX exige la rehabilitación de edificios con PBD únicamente si sufrieron algún tipo de daño durante el temblor
19/S17.
En México se han realizado estudios sobre edificios con PBD en donde se considera la influencia de movimientos
sísmicos que son de banda estrecha, como los que ocurren en la zona de terreno blando de la ciudad de México. Estos
presentan contribuciones importantes para entender el fenómeno y sensibilizarse de las variables que son significativas
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para el problema; sin embargo, se han dedicado pocos esfuerzos a entender el comportamiento detallado de sistemas
con PBD, después de ser rehabilitados. Recientemente, Ruiz, et al (2018) realizaron un análisis comparativo de dos
técnicas de rehabilitación en donde demuestran que una técnica de rehabilitación innovadora puede presentar una
confiabilidad similar a la de un sistema rehabilitado de manera tradicional. En el presente trabajo se realiza una
comparación de la respuesta estructural (perfil de desplazamientos de entrepiso) correspondientes a edificios con PBD
rehabilitados con tres diferentes técnicas. La respuesta se obtiene mediante análisis no lineales paso a paso. Se utilizan
ocho movimientos sísmicos registrados en terreno intermedio de la CDMX, durante el evento 19/S17.
CASOS DE ESTUDIO
Se estudia un edificio de cinco niveles con propiedades y dimensiones similares a los colapsados en el sismo de 19/S17.
El edificio se caracteriza por un cambio de rigidez lateral del entrepiso 1 (PB) al entrepiso 2. Las figuras 1 y 2 muestran
la geometría en planta y elevación, respectivamente. Las dimensiones iniciales del sistema estructural se estimaron a
partir de un pre-diseño de acuerdo con las especificaciones de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por
Sismo (NTC-S2004), para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto (NTC-C2004), y de Mampostería (NTC-
M2004). Los modelos de análisis y diseño corresponde a elementos tipo barra para vigas y columnas; para muros se
utiliza el método de la columna ancha (Pérez-Gavilán, et al, 2015). El espectro que se usa es el correspondiente a la
zona IIIa, según el cuerpo principal de las NTC-Sismo-04. Las dimensiones y periodos de vibrar de la estructura se
muestran en la tabla 3.
a) Planta baja (PB) b) Primer nivel
Figura 1 Distribución de elementos estructurales en planta
Tabla 1. Dimensiones de los elementos estructurales
Elemento Dimensiones (m) Nivel
Columnas
PB
0.30 x 0.30 PB-N1
Vigas PB 0.30 x 0.70 N1
Vigas
niveles
superiores
0.12x0.30
N2-N5
Muros de
mampostería
0.12x( 1.5 a 3.5) N2-N5
Figura 2. Distribución de elementos estructurales en altura
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A partir del modelo antes mencionado, se generaron los siguientes cuatro casos de estudio:
1. Caso ES-1. Corresponde al edificio inicial que no ha sido rehabilitado, y se clasifica como edificio con planta
baja débil, según las condiciones de regularidad que se especifican en las NTC-S17.
En los siguientes casos se utilizan diferentes técnicas de rehabilitación en la planta baja. En los tres casos se
rehabilitan los muros de mampostería de la dirección X de los entrepisos 2 y 3 mediante encamisados de malla
electrosoldada de acuerdo con lo indicado en las NTC-Mamposteria-17. Esto último tiene el objetivo de alcanzar
distorsiones de entrepiso cercanas a 0.01 ante el sismo de diseño.
2. Caso ES-2. Corresponde al caso ES-1 después de ser rehabilitado usando la técnica de encamisado de
columnas con concreto reforzado, y diseñado de acuerdo con las NTC-S17 y las NTC-C17. Las dimensiones
de los encamisados se muestran en la primera columna de la tabla 2. La resistencia de las columnas está
dominada por el requisito de columna fuerte – viga débil.
3. Caso ES-3. Corresponde al caso ES-1 después de ser rehabilitado usando contravientos concéntricos de
ductilidad baja en el primer entrepiso y diseñados de acuerdo con NTC-S17 y las NTC-Acero17. Las figuras
3a y 3b muestran la ubicación en planta y elevación de los contravientos, respectivamente. La segunda
columna de la tabla 2 muestra las dimensiones de las diagonales. Las dimensiones de contravientos quedan
determinadas por los requisitos mínimos de relación de esbeltez y relaciones ancho/espesor.
4. Caso ES-4. Corresponde al caso ES-1 después de ser rehabilitado usando contravientos restringidos al pandeo,
y diseñado bajo las siguientes consideraciones:
Del primero al quinto nivel los muros de mampostería se revisan con un factor de comportamiento
Q = 2, y un límite de distorsión máxima igual a 0.01.
El sistema de contravientos restringidos al pandeo se diseña con un factor de comportamiento
sísmico Q = 4; los marcos de la planta baja se revisan para que sean capaces de tomar por lo menos
el 30% del cortante calculado con fuerzas reducidas, y el límite de distorsiones del primer entrepiso
(PB) se toma igual a 0.015, para limitar los desplazamientos de los marcos de concreto existentes.
En la figura 3a se muestra la ubicación en planta de los CRP, y la figura 3b presenta su configuración
en elevación. En la tercera columna de la tabla 2 se muestran el área del núcleo obtenida para los
CRP.
3.a. Ubicación de los contravientos en planta
3.b. Configuración de la planta baja en elevación
Figura 3. Ubicación de contravientos para el caso ES-3 y ES-4
Los espectros de diseño utilizados para los casos ES-2, ES-3 y ES-4 se muestran en la figura 4. Los modelos para el
diseño se realizaron en ETABS 16.2.0. Los primeros tres modos de vibrar de cada caso se muestran en la tabla 3.
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Tabla 2. Dimensiones de los elementos estructurales
Tabla 3. Periodos de vibración (s)
Caso
ES-1 ES-2 ES-3 ES-4
Per
iodo
T1 0.426 0.311 0.305 0.372
T2 0.140 0.113 0.106 0.128
T3 0.059 0.057 0.052 0.054
Figura 4. Espectros de diseño
MODELACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS Y SELECCIÓN DE MOVIMIENTOS
Los análisis dinámicos no-lineales se realizaron con el programa Ruaumoko 3D (Carr, 2000). Para ello, se generó un
modelo tridimensional de elementos tipo barra para vigas y columnas, los muros se modelaron con elementos tipo
“resorte”; en ambos casos se utilizaron modelos de plasticidad concentrada, para representar el comportamiento no
lineal. Las principales consideraciones para el modelado no-lineal son las siguientes: en las columnas se consideró la
interacción de la carga axial con la flexión en dos direcciones; en las vigas se consideró la flexión en el eje principal;
en ambos casos se utilizó el modelo de Takeda modificado. El comportamiento no lineal en los muros de mampostería
se localizó al centro de las columnas anchas con una falla predominante en cortante; para el modelado de la degradación
de su rigidez y su resistencia se utilizó un modelo tri-lineal el cual se calibró usando información de pruebas cíclicas
realizadas en México (Flores y Alcocer, 1996).
Para el caso ES-3, se utilizó el modelo de Remennikov (Remennikov y Walpole, 1997) para representar el
comportamiento cíclico de los contravientos concéntricos. Para el caso ES-4 se utilizó un modelo bilineal con pendiente
post-elástica positiva igual a 4%, para representar el comportamiento inelástico del CRP.
Los movimientos seleccionados corresponden a ocho movimientos del suelo registrados el 19/S17 en terreno de
transición de la CDMX, con un periodo dominante cercano a 1.0 s. En la tabla 4 se indican los datos de las estaciones
que registraron el movimiento y la aceleración máxima del suelo registrada (Amáx). Los acelerogramas fueron
recortados en un intervalo del 5 al 95% de la intensidad de Arias. Se filtraron las frecuencias menores de 0.1 Hz, y
mayores a 10 Hz. Las señales se escalaron con la medida de intensidad basada en el promedio de las ordenadas
espectrales Saprom (Baker y Cornell, 2006) en un intervalo de promediación entre 0.2Te y 1.3Te (de acuerdo con la
especificación de las NTC-S17), donde Te es el periodo fundamental de la estructura. La intensidad promedio
correspondiente al espectro de diseño elástico de la figura 4 es 0.46g, para un periodo fundamental de la estructura de
0.42 s. Se pone como condición que los tres casos de rehabilitación deben alcanzar esta intensidad, sin exceder los
límites de distorsión indicados en las tablas 4.2.1 y 4.2.3 de las NTC-S17.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
Sa/
g
T (s)
Elástico
E. Diseño ES-2
y ES-3E. Diseño ES-4
Caso ES-2 Caso ES-3 Caso ES-4
Columnas 45 x 45 de PB-N1
Contravientos perfil HSS
150x150x9.5mm de PB-N1
4 contravientos restringidos al
pandeo con A=8 cm2 de PB-N1
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Tabla 4. Características de los movimientos sísmicos Movimiento Estación Componente Amáx (g)
1 ES57 S00E 0.066
2 ES57 N90W 0.073
3 SI53 S00E 0.133
4 SI53 N90W 0.182
5 JC54 N00E 0.269
6 CH84 N00E 0.144
7 LEAC N00E 0.155
8 LEAC N90W 0.155
RESULTADOS
Los resultados se expresan en términos de perfiles de distorsión máxima de entrepiso, obtenidas de los análisis paso a
paso para los movimientos de la tabla 4, escalados a intensidades en un intervalo entre Saprom=0.1 y 0.8g, con
incrementos de 0.01g. Más adelante se muestran algunos resultados correspondientes a ciertas intensidades de interés.
Las figuras 5a, b y c muestran los perfiles de distorsión de entrepiso del caso ES-1 para tres intensidades diferentes,
0.20g, 0.34g y 0.4g, respectivamente. En ellas se muestran con línea continua el resultado de cada uno de los análisis
paso a paso, y en línea discontinua roja el promedio de los 8 análisis. Los resultados de la figura 5a muestran que a
intensidades bajas (0.3g) las mayores distorsiones de entrepiso se localizan en la planta baja y en los pisos superiores
las distorsiones son menores a 0.1%; por otro lado, la figura 5b muestra que a una intensidad de 0.34g se alcanza, en
la planta baja, la distorsión máxima permisible indicada en las NTC-S17, para este caso el edificio alcanza las
distorsiones máximas a una intensidad 35% menor a la intensidad de diseño. Nótese que los pisos superiores mantienen
distorsiones cercanas al 0.1%, es decir, no presentan comportamiento inelástico y la mayor demanda desplazamiento
se localiza en la planta baja. Finalmente, en la figura 5c se puede ver que la distorsión de planta baja es 2.7 veces más
grande al límite máximo indicado en las NTC-S17, con un incremento de intensidad alrededor del 17%.
Figura 5. Distorsiones de entrepiso del Caso ES-1, para tres valores de intensidad
En las figuras 6, 7 y 8 se muestran las distorsiones máximas de entrepisos para los tres edificios rehabilitados (ES-2,
ES-3 y ES-4), y para tres valores de intensidad, 0.3g, 0.5g y 0.55g, respectivamente.
Comparando los perfiles de distorsión de la figura 7 con la figura 5a, se puede ver que en los tres casos rehabilitados
para la misma intensidad (0.3g) la distorsión de entrepiso de la planta baja se reduce en más de un 100% para los tres
casos. También se observa que en los casos ES-2 y ES-3 la distorsión se distribuye de forma uniforme en todos los
0
1
2
3
4
5
0.000 0.020Distorsión
a) 0.30g
0
1
2
3
4
5
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020Distorsión
b) 0.34g
0
1
2
3
4
5
0.000 0.025 0.050 0.075Distorsión, adm
c) 0.40g
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entrepisos. Para el caso ES-4 también se reduce la distorsión de entrepiso de la planta baja respecto al caso ES-1 de la
figura 5a; sin embargo, se siguen manteniendo las mayores deformaciones en planta baja. En la figura 7c se puede ver
que para esta intensidad el CRP desarrolla una ductilidad local máxima de 1.5; más adelante se mencionan las ventajas
de tener un comportamiento inelástico en el CRP.
La figura 8 muestra el perfil de distorsión de los tres casos de estudio para una intensidad de 0.5g. En las figuras 8b y
8c se puede ver que en la planta baja las distorsiones de entrepiso se mantienen por debajo 0.5%; sin embargo, las
mayores distorsiones se concentran en el segundo entrepiso y tienen valores cercanos al 1%. Esto último indica que a
una intensidad de 0.5g la mayor deformación inelástica se concentra en los muros de mampostería, y que están cercanas
a las máximas deformaciones que pueden experimentar estos muros de acuerdo con las NTC-M17. Por otro lado, se
observa que para el caso ES-2 (ver figura 8a) la distorsión de todos los entrepisos se mantiene por debajo de 0.3%.
Figura 7. Perfil de distorsiones para Sa/g = 0.30; ciclo histerético en t y m
Figura 8. Perfil de distorsiones para Sa/g = 0.50; ciclo histerético en t y m.
Finalmente, la figura 9a muestra el perfil de distorsiones para el caso ES-2 correspondiente a una intensidad de 0.55g.
En ella se puede ver que a esta intensidad se alcanza una distorsión del 1% en el segundo entrepiso mientras que en
los casos ES-3 y ES-4 las distorsiones se han excedido en más del 50%.
0
1
2
3
4
5
0.002 0.004
Distorsión
(a) Caso ES-2
0
1
2
3
4
5
0.000 0.002 0.004 0.006
Distorsión
(c) Caso ES-4
0
1
2
3
4
5
0.003 0.006 0.009
Distorsión
(a) Caso ES-2
0
1
2
3
4
5
0.000 0.005 0.010 0.015
Distorsión
(c) Caso ES-4
-30
30
-0.02 0.02
-30
30
-0.02 0.02
0
1
2
3
4
5
0.002 0.004
Distorsión
(b) Caso ES-3
-70
70
-0.004 0.004
0
1
2
3
4
5
0.005 0.010 0.015
Distorsión
(b) Caso ES-3
-90
90
-0.005 0.005
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Figura 9. Perfil de distorsiones para Sa/g = 0.55; ciclo histerético en t y m.
Comentarios finales
Los análisis paso a paso muestran que las distorsiones de diseño para el caso ES-2 se alcanzan a intensidades 10% más
altas que para los casos ES-3 y ES-4. Esto muestra que el encamisado de columnas con concreto reforzado en términos
de comportamiento estructural es una solución factible; sin embargo, es la técnica de rehabilitación que implica la
mayor intervención a la estructura ya que se tienen que reforzar un total de 24 columnas. Por otra parte, las técnicas
ES-3 y ES-4 resultan más apropiadas ya que concentran el trabajo de rehabilitación en las zonas extremas del edificio,
y únicamente se requieren intervenir ocho columnas. Por otro lado, los contravientos concéntricos del caso ES-3 (figura
9b) se mantienen en el intervalo de comportamiento elástico y concentran una descarga puntual que es tres veces mayor
que el correspondiente al caso ES-4, lo que implica una mayor intervención a la cimentación. A partir de lo anterior se
concluye que para el caso en estudio la solución ES-4 es la mejor, en términos de comportamiento estructural e
intervención a la estructura.
CONCLUSIONES
Se analizó la respuesta estructural de un edificio con PBD rehabilitado con las siguientes técnicas alternativas: 1)
encamisado de columnas con concreto reforzado (ES-2); 2) colocación de contravientos concéntricos de ductilidad
baja (ES-3); y 3) colocación de contravientos restringidos al pandeo (ES-4).
Los tres sistemas rehabilitados alcanzan las distorsiones de diseño a una intensidad de por lo menos 47% más grande
que el edificio original con PBD. Mediante análisis dinámicos no lineales se determinó que los tres casos de estudio
desarrollan distorsiones menores a las indicadas en la normatividad vigente, para la intensidad sísmica de diseño. Los
casos ES-3 y ES-4 son capaces de soportar intensidades 8% mayores a la intensidad de diseño, y el caso ES-2, hasta
19%. A pesar que las NTC-R17 sugieren realizar un cambio drástico en la estructuración de la planta baja, como la
inclusión de muros o diagonales, en este trabajo se demuestra que el encamisado de concreto reforzado muestra un
adecuado comportamiento estructural, aunque existen desventajas de tipo operativo que pueden repercutir en los costos
totales.
En los tres edificios rehabilitados se eliminó el comportamiento de PBD y, para intensidades mayores a las de diseño,
la mayor demanda de distorsión se traslada al segundo entrepiso. Para los casos estudiados, la mejor opción de
0
1
2
3
4
5
0.01 0.02 0.03 0.04
Distorsión
(a) Caso ES-2
0
1
2
3
4
5
0.01 0.02 0.03 0.04
Distorsión
(c) Caso ES-4
-30
30
-0.02 0.02
0
1
2
3
4
5
0.01 0.02 0.03 0.04Distorsión
(b) Caso ES-3
-90
90
-0.005 0.005
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rehabilitación, en cuanto a respuesta estructural e intervención a la estructura, es el que utiliza contravientos
restringidos al pandeo.
AGRADECIMIENTOS
El presente estudio se realizó con apoyo de la DGAPA-UNAM (PAPIIT IN103517). Los autores primero y tercero
agradecen al CONACyT el apoyo económico brindado durante sus estudios de posgrado. Se agradece al CIRES el
facilitar los acelerogramas utilizados en este estudio.
REFERENCIAS
Carr, A. (2000), Ruaumoko 3D, inelastic dynamic analysis program. University of Catenbury, Departament of Civil
Engineering.
Espinoza, E., Terán, A., Zúñiga, O. y Jean, R. (2014) Consideraciones para el diseño sísmico de edificios altos de
mampostería confinada ubicados en zonas sísmicas, Revista de Ingeniería Sísmica, 90, 88-109.
Flores, L. and Alcocer, S. (1996). Calculated response of confined masonry structures. Eleventh World Conference on
Earthquake Engineering. Paper No. 1830.
Gobierno de la Ciudad de México (2017). Normas para la rehabilitación sísmica de edificios de concreto dañados por
el sismo del 19 de septiembre de 2017. Gaceta oficial de la Ciudad de México, No 211 Bis
Gobierno del Distrito Federal (2004). Reglamento de construcciones para el Distrito Federal y sus normas técnicas
complementarias”, Gaceta Oficial del Distrito Federal.
Gobierno de la Ciudad de México (2017). Normas técnicas complementarias, Gaceta Oficial de la Ciudad de México.
No. 220 Bis
Los Angeles City, Department of Buildings and Safety (2017). Soft-story retrofit program, ordinance #183893, Los
Ángeles Municipal Code. http://www.ladbs.org/services/core-services/plan-check-permit/plan-check-permit-special-
assistance/mandatory-retrofit-programs/soft-story-retrofit-program
Pérez-Gavilán, J. J. (editor) (2015). Guía de análisis de estructuras de mampostería, Sociedad Mexicana de Ingeniería
Estructural, Comité de Mampostería.
Ruiz Gómez, S. E., Jiménez Jordán, R., Santos Santiago, M. A. y Orellana Ojeda, M. (2018). Evaluación de la
fragilidad de dos soluciones de rehabilitación para un edificio típico con planta baja débil dañado durante el sismo
19/S17. Sometido a posible publicación en la Revista de Ingeniería Sísmica, SMIS.
San Francisco City, Department of Building Inspection (2013). The mandatory soft Story retrofit program. Earthquake
Safety Implementation Program