El ingeniero Edgar Chacón-Valero, presentó recientemente su tesis doctoral que le otorgó el grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Su investigación se desarrolló en el Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica UC, y contó con el apoyo del Centro de Innovación del Hormigón UC (CIH UC) y del Centro de Investigación para la Gestión Integrada del Riesgo de Desastres (CIGIDEN).
Su investigación fue guiada por los académicos Matías Hube y Hernán Santa María, se tituló "Seismic Performance of Reinforced Concrete Walls with Different Levels of Prior Damage" (Comportamiento Sísmico de Muros de Hormigón Armado (HA) con Diferentes Niveles de Daño Previo). La investigación se centró en responder las siguientes preguntas: ¿Cómo es el desempeño sísmico de un muro de HA previamente dañado? ¿Cuál es el criterio técnico para decidir su reparación después de un terremoto? Estas preguntas son relevantes en la práctica de la ingeniería símica y estructural, especialmente en países con alta amenaza sísmica como Chile.
Reportaje: La importancia de la ingeniería estructural sismorresistente en Chile.
Los edificios que incorporan muros de HA y que están ubicados en zonas sísmicas pueden enfrentar múltiples terremotos durante su vida útil. Esto puede comprometer su desempeño sísmico futuro en terremotos de gran intensidad. Los edificios con muros de HA que carecen de elementos especiales de confinamiento de borde son preocupantes. La evidencia empírica y experimental respalda la hipótesis de que dichos muros sin confinamiento especial tienen ductilidad limitada. La ductilidad es una propiedad índice de la capacidad de deformación de las estructuras antes de romperse, por lo que los códigos de diseño la incorporan como requisito fundamental en sus disposiciones sismo-resistentes.
La literatura científica es rica en estudios experimentales sobre el desempeño sísmico de muros sin daño previo. Sin embargo, pocos estudios han tratado el tema desde el punto de vista experimental, proponiendo protocolos de carga para generar daño previo y posteriormente la falla. Esta investigación se centró en complementar este vacío, a través del análisis de muros esbeltos y sin elementos especiales de confinamiento de borde previamente dañados con protocolos de carga específicamente diseñados para generar distintos niveles de daño previo. La metodología se fundamentó en el cumplimiento de los siguientes objetivos:
(i) Evaluar experimentalmente el desempeño sísmico de muros de HA esbeltos y sin elementos especiales de confinamiento de borde, con distintos niveles de daño previo. “Para ello, las métricas del desempeño fueron: el nivel de daño observado y la medición del deterioro monotónico y cíclico de los muros durante los protocolos de falla”, explica Edgar Chacón.
(ii) Realizar un análisis estadístico sobre una base de datos de muros de HA para investigar los efectos de la historia de carga previa y su capacidad de deriva.
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Principales conclusiones
Una de las principales conclusiones derivadas del proyecto es que, si bien los edificios de muros de HA construidos antes del 2010 en Chile han sido sometidos a grandes demandas sísmicas que han provocado cierta fisuración y fluencia del refuerzo en los muros, esto no necesariamente significa daño estructural. Las condiciones antes mencionadas conllevan a una pérdida de rigidez inicial esperada por la fisuración del hormigón, pero no significa que los muros pierdan su capacidad de carga y deformación lateral. Por consiguiente, estos muros no necesitan ser reparados (más allá de adecuaciones estéticas), ni reforzados para soportar eventos sísmicos en el futuro.
“Hay muchos muros de HA de edificios construidos pre-2010 que han experimentado deformaciones importantes durante varios eventos sísmicos relevantes y que están fisurados. Sin embargo, la fisuración leve del hormigón sin pérdida de recubrimiento del refuerzo puede ser catalogada como ‘daño cosmético’, el cual no implica una pérdida importante de la capacidad sísmica residual de los muros. Básicamente lo que implica es una pérdida de rigidez inicial, con lo cual, no deberíamos estar tan preocupados por el desempeño sísmico futuro de estos edificios”.
Edgar Chacón
Doctorado UC
La conclusión anterior se reforzó con la segunda parte de la tesis de Edgar Chacón, la cual se trató un análisis estadístico sobre una base de datos de 84 muros de HA ensayados en diferentes laboratorios, tanto fuera como dentro de la UC. El objetivo fue determinar los efectos de historias de carga previas con máximas demandas de deformación de hasta 1.5% de deriva en la capacidad de deformación lateral de muros estructurales de HA dominados por la flexión. De acuerdo con Edgar Chacón, se concluyó que la capacidad de deriva de los muros decrece con el aumento de la intensidad de la historia de carga previa. Sin embargo esta disminución, 20% en promedio, es mucho menor que las incertidumbres propias de la estimación de la demanda sísmica y la predicción de la capacidad de deriva de los muros. Lo anterior implica que la cantidad de ciclos con demandas de entre el 1% y 1.5% de deriva sí afectan la capacidad de deriva lateral de los muros, pero el impacto no es dramático.
“Los resultados sugieren que la profesión debería preocuparse más por el desarrollo de mejores modelos para estimar la capacidad de deriva lateral de muros de HA, que por los efectos de historias de carga previas con demandas menores o iguales al 1.0% de deriva. Por otro lado, los algoritmos de inteligencia artificial están produciendo buenas estimaciones de la capacidad de deriva, por lo que deberíamos cambiar el paradigma actual y alentar su uso en la predicción del desempeño sísmico de muros de HA. Todo ello considerando las limitaciones de estos métodos, a saber, disponibilidad y calidad de los datos para entrenamiento y validación de los modelos”.
Edgar Chacón
Doctorado UC
Reparar o no reparar: una cuestión estructural, no solo estética
A través de los ensayos realizados, se detectó que no todo daño visible en un muro implica una pérdida importante de su capacidad estructural. De hecho, una de las principales conclusiones de esta tesis es que los denominados "daños cosméticos", que consisten en fisuraciones leves sin pérdida general del recubrimiento del refuerzo, no necesariamente requieren reparaciones para restaurar propiedades estructurales como capacidad de carga y deformación lateral.
“Un muro que se fisuró en un terremoto, pero que no presenta pérdida del recubrimiento de las barras de refuerzo, ni pandeo de las barras longitudinales, ni deterioro del núcleo de hormigón confinado, no necesita ser reparado para restaurar sus capacidades de carga y deformación lateral”.
Edgar Chacón
Doctorado UC
Fotografía: Pérdida de recubrimiento con pandeo de barra longitudinal de refuerzo.
Según el ingeniero Chacón Valero, en los edificios típicos chilenos —caracterizados por su alta rigidez y gran cantidad de muros en ambas direcciones—, las deformaciones producidas por los terremotos suelen mantenerse por debajo del umbral crítico identificado en su investigación. “Los edificios de muros en Chile suelen ser muy rígidos. No se deforman mucho, y eso ha funcionado hasta la fecha. Soportan grandes terremotos y siguen operativos, que es lo importante”, enfatizó.
Este análisis de la capacidad sísmica de la ingeniería en Chile, ha sido frecuentemente consultada a nivel internacional debido a su buen desempeño a lo largo de los años. Diversos especialistas de países como Japón, Nueva Zelanda y Estados Unidos, destacan cómo la ingeniería chilena ha optado por el uso de muros para proporcionar gran rigidez y resistencia lateral como fórmula para el buen desempeño sísmico. Esto le ha permitido al país mantener sus edificaciones operativas después de un evento sísmico sin mayores inconvenientes.
El valor de la inspección post-sismo
Pese a que su investigación se centró en condiciones controladas de laboratorio, Edgar Chacón enfatiza que, si bien existe en gran parte de las fisuras un daño cosmético y no estructural, es crucial la inspección estructural tras eventos sísmicos. “Siempre hay que ir a ver. Hay que inspeccionar el daño, incluso con herramientas simples como martillos de goma para detectar desprendimientos no visibles del recubrimiento”, señaló. Esto, debido a que muchas veces el daño puede no ser visible y contener en su interior un problema mayor, por lo que es necesario tomar medidas preventivas donde se realice una inspección adecuada.
Destacó además la importancia de seguir protocolos internacionales como la guía FEMA P-2335 para clasificar el nivel de daño y tomar las mejores decisiones, entiendo a priori que la demolición siempre debe ser la última opción. Existen estrategias de reparación adaptadas a cada nivel de daño.
Educación sísmica: una necesidad social
En la sociedad existe una gran cantidad de inquietudes e incertidumbres respecto a cuál es el estado estructural de sus viviendas, principalmente después de un evento catastrófico. La presencia y desarrollo de fisuras es uno de los temas más preocupantes en el caso de las viviendas construidas con hormigón armado, por lo que es fundamental poder educar a la ciudadanía respecto a cómo detectarlas, y cómo determinar si se requiere refuerzo, reparación o demolición de un muro o de algún elemento estructural, según corresponda.
“Una fisura no significa que el edificio se va a caer. El hormigón armado está hecho para fisurarse hasta cierto nivel, es parte de su comportamiento normal, de hecho, funciona a pleno cuando está fisurado. Por eso es vital educar a las personas sobre qué daños son realmente preocupantes y cuáles no lo son”.
Edgar Chacón
Doctorado UC
La educación sísmica por lo tanto, también debiese abordar esta problemática, dando herramientas a los usuarios para tomar sus propias decisiones. Levantamientos de las Políticas Públicas, así como del Ministerio de Vivienda y Urbanismo del Gobierno de Chile en colaboración con la academia, podría ser clave para reducir dichas inquietudes.
Autora: Valeria F. Moraga D.
Agradecimientos
Esta investigación se realizó con el apoyo financiero del proyecto ANID/FONDECYT 1211823 y de la Universidad de Canterbury (UC), Departamento de Ingeniería Civil y de Recursos Naturales. Los autores agradecen el apoyo de ANID/FONDAP/1523A0009 (Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integral de Desastres Naturales, CIGIDEN) y del Concrete Innovation Hub UC (Centro de Innovación del Hormigón UC). Edgar Chacón-Valero agradece el apoyo financiero de la beca ANID/Doctorado Nacional 2019/21190644. Un agradecimiento especial al candidato a Doctor Luis Pérez por el apoyo logístico durante la campaña experimental y también al Profesor Santiago Pujol de la Universidad de Canterbury, por toda su guía y apoyo durante el desarrollo de la segunda parte de la investigación.
Galería de imágenes presentación de título para el grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería de Edgar Chacón-Valero
