Aislamiento Hospitales - Jorge Lezama

ESTRUCTURAS ANTISÍSMICAS EIRL. jorgelezama.jimdo.com

SISTEMAS MODERNOS DE PROTECCIÓN SÍSMICA

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AISLAMIENTO DE BASE EN HOSPITALES

Jorge A. Lezama G. Sistemas Modernos de Protección Sísmica, 2011

En la actualidad muchas edificaciones en el mundo ya cuentan con sistemas modernos de protección sísmica, uno de los cuales es el Aislamiento de Base. El Aislamiento de Base ha demostrado en sismos severos como el de Northridge en EE.UU (1994), el de Kobe en Japón (1995), el de Chile (2010) y en otros más, que el Aislamiento de Base protege de los sismos tanto a la estructura, así como el contenido y a las personas permitiendo que las estructuras sigan funcionando durante e inmediatamente después de un sismo severo. Los edificios diseñados con Aislamiento de Base se diseñan dentro del rango elástico (sin sufrir ningún daño en la estructura) y para tiempos de exposición mayores al doble de las normas peruanas actuales de diseño convencional. Los diseños de reforzamiento a hospitales dentro de las normas convencionales no garantizan que la estructura pueda resistir sin daño nuevos sismos, además los pacientes, equipos y contenidos siguen siendo vulnerables a los sismos. Se presenta el caso del Hospital Militar de Santiago de Chile como uno de los casos más exitosos de aislamiento sísmico en Latinoamérica. Se presenta un análisis estructural del reforzamiento del hospital Alberto Seguín de EsSalud en Arequipa considerando la norma estructural convencional peruana. Diseño Estructural Convencional de Hospitales en el Perú

La Norma Peruana de diseño estructural es la E.030 del Reglamento Nacional de Edificaciones aprobado en el año 2006. Esta norma considera el diseño de las estructuras de Salud con un Factor de Uso de 1.50, dándole a este tipo de estructuras una seguridad adicional de 50% sobre las cargas sísmicas reales:

La Norma E.030, también considera que las estructuras en general dependiendo del sistema estructural tengan un Coeficiente de Reducción R, este coeficiente de reducción reduce las cargas sísmicas hasta en valores de 9.5 veces la carga sísmica real, permitiendo que la estructura incursione en el rango plástico durante un sismo severo.




La Norma E.030 y las normas de diseño estructural mundiales convencionales, dentro de su filosofía de diseño permiten que se produzcan daños en la estructura durante un evento sísmico severo, con consecuencias muy desfavorables como son el no tener disponible una instalación justamente cuando se produce la mayor demanda de atención médica, otra gran desventaja es que, las personas, equipos y contenido en general no están protegidas contra los movimientos sísmicos que aumentan a medida que aumenta la altura del edificio. Los costos económicos y los tiempos de reparación son muy onerosos, así como los seguros tienden a incrementar su costo de operación y mantenimiento. El Aislamiento de Base considera el diseño de las estructuras dentro del rango elástico durante sismos severos evitando algún daño en la estructura, asimismo reduce las aceleraciones al 20-30%, protegiendo el contenido, en algunos casos el costo de una edificación con aislamiento puede ser menor a la edificación convencional.




Daños en Estructuras de Salud durante sismos en el Perú

Hospital Regional de Referencia de Ica – Sismo de Agosto de 2007

Hospital EsSalud de Chincha – Sismo de Agosto de 2007




Hospital de Moquegua – Sismo de Junio de 2001




Hospital Militar de Chile – Hospital Aislado mas grande en Latinoamérica

Hospital Militar La Reina – Santiago, Chile

El costo total de la estructura fue de 112.8 millones de dólares, el número de camas es de 330 y el área total construida es de 88,000 m2, esto significa un costo promedio de 342,000 dólares por cama, y el promedio de área construida por cama es de 267 m2. El terreno no se incluye en los costos, el complejo está formado por varios edificios. Los servicios de clínica y emergencia están localizados en la estructura aislada, con el objetivo de proteger la inversión y la funcionabilidad en esos servicios. El sistema estructural del edificio aislado, consiste en una estructura aporticada con un área construida aproximada de 50,000 m2, esta tiene 5 niveles, incluyendo el nivel subterráneo para estacionamientos. Las dimensiones en planta son de 126x115 m. El espaciamiento entre columnas es de 9 m en ambas direcciones. La altura de piso es de 5.75 m en el nivel subterráneo y 4.5 m en los siguientes niveles. Las columnas del edificio tienen una sección típica de 80x80 cm. excepto en el nivel del subterráneo, donde la sección típica es de 110x110 cm. Las vigas del edificio tienen una sección típica de 60x90 cm, excepto en el techo del nivel del subterráneo en donde las vigas tienen una sección de 60x110 cm. Se requirió un sistema robusto en el sótano para conseguir un sistema elástico por debajo del sistema estructural aislado (elástico).




Sistema de Aislamiento

Aisladores del Hospital Militar de Santiago en la fábrica VULCO

La estructura está montada sobre 164 aisladores sísmicos fabricados por la empresa WEIR VULCO SA, localizados en la parte superior del sótano, 114 de estos están fabricados con caucho natural de alto amortiguamiento, los 50 aisladores restantes están fabricados con núcleos de acero los cuales incrementan la capacidad de disipación de energía, estos aisladores tienen 90 cm. de diámetro. El amortiguamiento del sistema es cercano al 12%, el periodo de aislamiento es aproximadamente 2.5 segundos, el diseño de los aisladores se realizó considerando los desplazamientos de diseño de acuerdo a la norma de EE.UU. UBC 1997. Una interesante conclusión se puede sacar de esta experiencia: se estimó que el costo total del sistema de aislamiento fue de 1 millón de dólares americanos, lo cual representa un 0.9% del costo total, no obstante las otras dos ofertas para la construcción de este hospital fueron de 133.2 y 135.1 millones de dólares, esto significa que la diferencia entre la oferta ganadora y la mas cercana fue de 20 millones de dólares, este costo significó 20 veces mas que el costo de darle seguridad a la estructura (sistema de aislamiento). (R. Boroscheck, R Retamales, 2002). Hospital Militar en el Sismo de Chile – 27 de Febrero del 2010

El edificio del Hospital Militar se encuentra ubicado en la Comuna de la Reina en Santiago, a una distancia de 9.23 Km de la Estación el Mirador de la Línea 5 del Metro de Santiago en donde se registraron las aceleraciones del campo libre, donde la componente N-S de la aceleración máxima fue de 0.236 g.




Fuente: M. Moroni – Universidad de Chile




El tipo de Suelo en el cual se encuentra el Hospital Militar es del Tipo II, en condición cercana al límite con un Suelo Tipo III según la Norma Chilena NCh 433-1996 (Patricio Stagno). Durante el sismo del 27 de Febrero del 2010 la estructura no aislada tuvo un desempeño de acuerdo a la Norma Chilena NCh 433 (similar a la Norma Peruana E.030), en donde el Factor de Modificación de Respuesta R para estructuras de concreto armado es de 7, lo que equivale a que la norma permite una incursión no inelástica con las consecuencias de un costo adicional en la reparación.

Foto: Cortesía VULCO SA

Formación de Rótulas Plásticas en todas las columnas del sótano del área no aislada.

En la parte superior de las columnas del sótano de la zona no aislada se formaron rótulas plásticas las cuales ponían en riesgo la estructura no aislada debido a las réplicas del sismo, que encontraban a una estructura dentro del rango elástico. En la zona no aislada también se produjeron una serie daños en los elementos no estructurales como vidrios, enchapes y otros, además de una descalibración de muchos equipos de precisión electrónicos, todo esto ocasionó que la estructura no aislada estuviera inoperativa por mas de 1 mes con un costo total de reparación de mas de 1 millón de dólares americanos. La estructura aislada estuvo totalmente operativa durante e inmediatamente después de la ocurrencia del sismo sin ningún costo de reparación, brindando los servicios de salud en forma permanente. Otro factor económico importante de las estructuras con aislamiento, como es en este caso es el costo de los seguros, los cuales han disminuido sustancialmente en la estructura aislada mientras que en la estructura convencional estos han subido.




Reforzamiento del Hospital Alberto Seguín en la Ciudad de Arequipa

Uno de los hospitales más importantes de la ciudad de Arequipa es el Hospital Alberto Seguín, cuyo edificio más alto de 7 niveles se dañó durante el sismo de Junio del 2001, los daños se dieron principalmente en sus tabiques, las consecuencias inmediatas después del sismo fue que se tuvo que desocupar la edificación, quedando inoperativo para brindar los servicios de salud, el costo de reparación fué de aproximadamente de 3 millones de dólares y demoró mas de 2 años.

Hospital Alberto Seguín EsSalud Arequipa, dañado en el sismo de Junio del 2001

Daños en el Hospital EsSalud Alberto Seguín de Arequipa – Sismo de Junio de 2001




Daños en el Hospital EsSalud Alberto Seguín de Arequipa – Sismo de Junio de 2001

En el eje longitudinal, el reforzamiento consistió en aumentar las dimensiones en los elementos de los pórticos exteriores, aumentando su capacidad resistente y disminuyendo las desplazamientos de entrepiso y totales; en el eje tranversal, se colocaron muros de corte con la misma finalidad de aumentar su capacidad resistente y también disminuir los desplazamientos de entrepiso y totales, esta técnica es una de las pocas que se tienen dentro de los sistemas convencionales de diseño estructural.

Esquema del reforzamiento del edificio de 7 niveles del Hospital Alberto Seguín

Parámetros del Reforzamiento Convencional Realizado

Se observa que los desplazamientos de entrepiso se han reducido a valores por debajo del 1% de la altura del piso en ambos ejes, dándole mayor resistencia a la incursión plástica de los elementos estructurales, sin embargo uno de los mayores problemas al realizar este

Sin Reforzar Reforzado Sin Reforzar Reforzado

Periodo (seg) 1.2 0.4 1.5 0.8

Desplazamiento del Techo (cm) 1.8 8 22 14

Deriva Máxima de Entrepiso (%) 1.0 0.5 1.2 0.7

Dirección Longitudinal Dirección Transversal




tipo de reforzamiento es que se ha modificado el periodo de la estructura disminuyendo los periodos de vibración de la estructura de 1.2 a 0.4 seg. en el eje longitudinal y de 1.5 a 0.8 seg, en el eje transversal, acercándose en ambos casos al periodo de vibración del suelo (0.3-0.45 seg.), esta condición dinámica origina mayores aceleraciones en la estructura por lo tanto se genera una mayor carga sísmica disminuyendo así la eficiencia de este sistema de reforzamiento convencional. También se genera una situación mucho más negativa en los pacientes, equipos médicos, elementos secundarios como enchapes, falsos cielos rasos, tuberías y otros, ya que las fuerzas de aceleración serán tres veces mayores (eje longitudinal) respecto a las del edificio sin reforzamiento. Otro factor negativo importante a considerar es el incremento de las cargas sísmicas sobre las cimentaciones, las cuales se incrementarán proporcionalmente al incremento de aceleración en la estructura. Se ha evaluado el Reforzamiento realizado al edificio del hospital después del sismo del 2001 considerando el análisis dinámico, se ha utilizado la Norma Peruana E.030. Para el periodo de vibración del suelo se ha considerado el estudio de microtepidaciones realizado por Aguilar y Alva en 1991, en el cual se considera que en esta zona el suelo tiene un periodo de vibración de entre 0.30 a 0.45 seg. Para la evaluación de las aceleraciones se ha tomado el espectro elástico de aceleraciones con 5% de amortiguamiento:

Se han tenido en cuenta los siguientes parámetros sísmicos para el cálculo de la carga sísmica real sobre la estructura:

Z (g) = 0.40

U = 1.00

S = 1.20

Tp (seg) = 0.40

R = 1.00

C = 2.5(Tp/T) C <= 2.5

ZUSC

Sa = --------- g

R

ZUSC

Sa = --------- g




Espectro Elástico de Aceleraciones del Sitio

Aceleraciones de la Estructura Reforzada y Sin Reforzar

En el sentido longitudinal se observa que el periodo de la estructura reforzada va a coincidir con el periodo predominante de vibración del suelo, produciéndose el fenómeno de resonancia, aumentado la aceleración de 3.92 a 11.77 m/s2 incrementándose la carga sísmica en 300%; en el sentido transversal se produce la misma situación en menor magnitud, aumentado la aceleración de la estructura no reforzada de 3.14 a 5.89 m/s2 incrementándose la carga sísmica en 188%.

Sin Reforzar Reforzado Sin Reforzar Reforzado

Periodo (seg) 1.2 0.4 1.5 0.8

Aceleración (m/s2) 3.92 11.77 3.14 5.89

Incremento 300% 188%

Dirección Longitudinal Dirección Transversal




Reforzamiento Con Sistemas Modernos de Protección Sísmica

Actualmente se dispone de tecnologías más eficientes para el reforzamiento como son los sistemas de aislamiento o los sistemas de amortiguamiento o la combinación de ambos, brindando una mejor eficiencia estructural y generalmente con costos menores a los del reforzamiento convencional.

Edificio de Departamentos Reforzado Con Aislamiento de Base en

Vanazdor, Armenia

Edificio de Viviendas dañado en el sismo Spitack de 1988

Edificio de Viviendas reparado con sistema de Aislamiento de Base




Bibliografía:

- Base Isolation in Hospitals, Rubén Boroschek K, Ph. D., Rodrigo Retamales, WHO

Collaborating Center, Disaster Mitigation in Health Facilities. Seminar on Design of Health Facilities to Resist Natural Hazards September 30 – October 1, 2002, Barbados.

- Design and Performarce of High Damping Rubber Earthquake Bearings for Retrofit Project in Armenia. K.N. Fuller, C.L. Lim, M. Melkumian, K. Muniandy. IRC’ 97 Malaysia, International Rubber Conference. Kuala Lumpur, 6-9 October, 1997.

- NºA16-04 Reforzamiento Sísmico de Edificios de Salud y Educativos afectados por el Terremoto de Junio 2001 en el Sur del Perú. D. Quiun, Alejandro Muñoz, Marcos Tinman. Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica, IX Jornadas, 16-19 de Noviembre de 2005, Concepción, Chile.

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