tabla 3-1: intensidad del deslizamiento, para (adaptado de

Marco Teórico 35

Tabla 3-1: Intensidad del deslizamiento, para diferentes procesos. (Adaptado de Cardinali et al., 2002). Volumen estimado

(m3

Velocidad del deslizamiento esperada

) Deslizamiento rápido (caída de roca)

Movimiento rápido (flujo de detritos)

Movimiento lento (deslizamiento reactivado)

<0.001 Baja <0.5 Media >0.5 Alta <500 Alta Baja

500-10.000 Alta Media Baja 10.000-50.000 Muy alta Alta Media

>500.000 Muy alta Alta >>500.000 Muy alta

Figura 3-4: Relación entre volumen del deslizamiento y distancia de viaje, según Leroueil et al., 1996. (Tomada de Lee y Jones, 2004).

Figura 3-5: Relación entre el volumen deslizado y la distancia de viaje de deslizamientos en Hong Kong según Ho et al., 1996. (Tomada de Lee y Jones, 2004).

36 Modelación de vulnerabilidad física de estructuras de uno y dos pisos, asociada a deslizamientos

La velocidad de movimiento puede ser el mejor parámetro para describir el potencial de daño de un deslizamiento, sin embargo es muy difícil de predecir e incluso medir. Cruden y Varnes (1996) han utilizado la velocidad de movimiento como variable descriptiva de la magnitud de un deslizamiento de acuerdo con la Figura 3-7, sin embargo, estos valores deben ser utilizados sólo como indicativos del nivel potencial de daño (Rodríguez y Jiménez, 2009) Figura 3-6: Determinación de la distancia de viaje a partir de modelación cinemática del movimiento. (Tomada de Okura et al., 2000).

Figura 3-7: Escala de velocidad propuesta por Cruden y Varnes (1996). (Adaptada de AGS, 2000, Lee y Jones, 2004)

Marco Teórico 37

3.2.2 Relación de los parámetros con los desplazamientos Leone (1996) propone una relación de los parámetros representativos de los movimientos del terreno con los desplazamientos. Zonas sometidas a desplazamiento lateral dominante (DL) (ver Figura 3-8)

- Velocidad del desplazamiento lateral (VL). - Campo de deformaciones de superficie asociados a estos desplazamientos

laterales (CDL). - Profundidad de la superficie de ruptura de la masa en movimiento (PSR).

Figura 3-8: Algunos tipos de solicitaciones, en zonas sometidas a desplazamientos laterales, según Leone,1996 (Tomada de Jiménez, 2005).

Zonas sometidas a desplazamiento vertical dominante (DV) (ver Figura 3-9):

- Velocidad del desplazamiento vertical (VV). - Amplitud de los desplazamientos verticales instantáneos (DH). - Campo de deformaciones de superficie asociados a estos desplazamientos

verticales (CDV). - Asentamiento diferencial unitario asociado al desplazamiento continuo (MDU).

Figura 3-9: Algunos tipos de solicitaciones, en zonas sometidas a desplazamientos verticales según Leone,1996 (Tomada de Jiménez, 2005).

PSR

CDL

V

Desplazamiento Lateral dominante (DL)

MDU V

Desplazamiento Vertical dominante (DV)

DH


3.2.3 Escalas de intensidad Se refiere a una cuantificación preliminar de la amenaza generada por el movimiento del terreno, en la Tabla 3-2, se presentan escalas de valores con sus respectivos criterios, los cuales pueden ser de naturaleza cinemática y geométrica. Tabla 3-2: Escala de intensidad destructiva de movimientos del terreno según Leone,1996 (Tomada de Jiménez, 2005)

INTENSIDADES TIPOS DE SOLICITACIÓN

ESC

ALA

S D

E IN

TEN

SID

AD

CRITERIOS DEFORMACIÓN LATERAL DEFORMACIÓN VERTICAL

CINEMÁTICOS

1 VL (cm/año) VV (mm/año) MDU (1/1000)

2 VL (m/año o mm/día) VV (cm/año) MDU (1/500)

3 VL (cm/día) VV (dm/año) MDU (1/250)

4 VL (m/día) VV (m/año o mm/día) MDU (1/150)

5 VL (≥m/s) VV (cm/día)

6 VV (m/día)

7 VV (≥m/s)

GEOMÉTRICOS

1 CDL (débil - nulo) PSR (0,5m) DH (cm) CDV (débil - nulo)

2 CDL (medio) PSR (1m) DH (dm) CDV (medio)

3 CDL (fuerte) PSR (5m) DH (m) CDV (fuerte)

4 PSR (≥10m) DH (≥ 10 m) velocidades laterales (VL), velocidades verticales (VV), campo de deformaciones de la superficie (CDL y

CDV), profundidad de la superficie de ruptura (PSR), amplitud de los desplazamientos verticales instantáneos (CDV), movimiento diferencial unitario (MDU).

Según Leone, 1996 el efecto de los desplazamientos verticales se presenta antes que los producidos por desplazamientos laterales sobre las estructuras. El campo de deformaciones de la superficie (CDL y CDV), está compuesto por tres clases de intensidad: débil (conserva la superficie original en parte o en su totalidad), media y fuerte (superficie de origen alterada). Lo demás aspectos son de carácter cualitativo y dependen de la velocidad de los desplazamientos, geometría y profundidad de la superficie de falla, así como de la naturaleza del movimiento del terreno. El movimiento diferencial unitario (MDU), es la unidad de medida de los movimientos diferenciales, expresados, como la relación del movimiento diferencial sobre la distancia entre los dos puntos de apoyo donde se presentan los desplazamientos. Un movimiento diferencial unitario de 1/250 corresponde entonces a una diferencia de movimiento de 1 cm entre dos puntos de apoyo distanciados 250 cm, independiente de la amplitud del movimiento en cada punto. El movimiento diferencial unitario (MDU), es la unidad de medida de los movimientos diferenciales, expresados, como la relación del movimiento diferencial sobre la distancia entre los dos puntos de apoyo donde se presentan los desplazamientos. Un movimiento

Marco Teórico 39

diferencial unitario de 1/250 corresponde entonces a una diferencia de movimiento de 1 cm entre dos puntos de apoyo distanciados 250 cm, independiente de la amplitud del movimiento en cada punto (Mouroux et al., 1988). Figura 3-10: Movimiento Absoluto, Diferencial y Diferencial Unitario. según Leone,1996 (Tomada de Jiménez, 2005)

Valores críticos de deformación

En cuanto a los métodos para relacionar daños de edificaciones con la magnitud de los desplazamientos del terreno asociados con asentamientos totales y diferenciales, un gran número de criterios puede ser utilizado y no existe una terminología unificada que describa los tipos de movimientos y las deformaciones experimentadas por la fundación. Según Boone (2001) usualmente las estructuras más sensibles a los asentamientos son las de muros de carga en mampostería y mampostería confinada. Negulescu y Foerster, 2010, Boone, 1996 y presentan tres categorías de métodos usados para relacionar daños:

Los métodos empíricos (por ejemplo, Skempton y McDonald, 1956; Polshin y Tokar, 1957; Bjerrum, 1963), que tienen por objeto establecer los criterios de servicio al relacionar la deformación observada a partir de encuestas a los daños. Skempton y McDonald (1956) determinaron los niveles críticos de asentamientos totales y diferenciales admisibles con base en la revisión de 98 casos históricos, de acuerdo con estos autores, el radio de curvatura es la variable que define el nivel de daño, sin embargo el más usado para precisar niveles críticos es la distorsión angular definida como la relación entre el asentamiento diferencial y la distancia entre dos puntos. Como una primera aproximación se estableció una distorsión límite de 1/300 para muros en mampostería, como un umbral para la iniciación de grietas en las paredes y acabados. Bjerrum (1963) utilizó la distorsión como parámetro para definir los asentamientos admisibles. Polshin y Tokar (1957) reconocen los diferentes modos de deformación para los diferentes tipos de edificios. Definen algunos criterios límite que dependen de la "pendiente" (diferencia los asentamientos entre soportes adyacentes en relación con la

2.5 m 5 m

A B C

DA = 5 cm

DC = 2 cm

DA = 5cm, DC = 2cm : Movimiento Absoluto DA-DB = 5cm y DA-DC = 7cm : Movimiento Diferencial (DA-DB)AB = 1/50 y (DB-DC)/BC = 1/250 : Movimiento Diferencial Unitario


distancia entre ellos), criterios que son concordantes con los valores propuestos por Skempton y McDonald (1956) y también están de acuerdo con los resultados obtenidos después por Burland y Worth (1975). Los métodos basados en principios de ingeniería estructural. Algunas de las investigaciones basadas en la determinación de niveles de deformación que inducen la falla de elementos estructurales con base en la modelación de esfuerzos, es la de Meyerhof (1947), quien determinó un incremento de esfuerzos del 74% en la columna más cargada con un asentamiento diferencial de 8 mm. Fjeld (1963) basado en análisis estructural encontró que la variable fundamental en la presencia de agrietamientos en estructuras es la relación H/L de la edificación, indicando que para relaciones H/L menores que 1/4, no se generan grietas si la distorsión no supera un valor de 1/150. Gere y Timoshenko (1974) establecieron la relación entre la deflexión máxima y el ángulo de rotación de una viga simplemente apoyada cargada uniformemente, relación que ha sido utilizada para definir la distorsión máxima de muros en mampostería al considerarlos como vigas de gran altura. Burland y Wroth (1975) y Burland et al. (1977), analizan los daños debido al movimiento de las fundaciones, así como la interacción entre la estructura y el suelo subyacente. Proponen un enfoque en el que modelan los muros de una estructura como una viga simplemente apoyada, de longitud L, la altura H, y el espesor unitario, con base en la deformación a tensión máxima presentan gráficos que relacionan los desplazamientos con diferentes niveles de severidad de daños considerando los casos en que existen hundimientos o levantamientos de la parte central de una estructura como la presentada en la Figura 3-11. Boscardin y Cording (1989) complementaron los conceptos Burland y Wroth al incluir el efecto de la deformación horizontal desarrollada debido a los asentamientos, este efecto depende de la rigidez lateral de la estructura. Basándose en los resultados, definen las categorías de daños mediante el desarrollo de las relaciones entre la deformación horizontal y la distorsión angular (ver Figura 3-11), encontraron que las deflexiones límite podían ser dos a tres veces mayores que las reportadas por Burland y Wroth. Los métodos basados en modelos numéricos. como modelos de elementos finitos (EF), con el fin de estimar los daños inducidos por asentamientos. Dos tendencias se observan en los cálculos de elementos finitos: Análisis en los que se estudian los suelos y la estructura por separado, y el perfil de

los asentamientos del suelo es impuesto al modelo de EF del edificio. Análisis en los que se modela la interacción suelo-estructura (ISS). Por ejemplo, Burd et al., 2000, a partir de modelos de elementos finitos ISS, encontró que la rigidez de la construcción puede actuar para reducir los asentamientos diferenciales,

Marco Teórico 41

como la restricción lateral proporcionada por el suelo puede reducir el grado de esfuerzos de tracción en el edificio, modelar el ISS por lo general conduce a predecir menores asentamientos diferenciales de la construcción. Figura 3-11: Modelo idealizado de un estructura como viga simple (Izq.) y relación entre las deflexiones teóricas límite y los grados de daños (Der.), según de Burland y Wroth, 1975; Burland et al., 1977. (Tomadas de Boone, 1996 y 2001)

Figura 3-12: Relación entre la distorsión angular, la deformación axial horizontal para diferentes categorías de daños, según Boscardin y Cording, 1989. (Tomada de Negulescu y Foerster, 2010)


Day (1998) presentó unos criterios de severidad de daños en estructuras con base en la separación de grietas o fisuras y definió para cada uno de ellos los niveles de asentamiento total y diferencial requeridos para producir cada nivel de daño, esta propuesta se presenta en la Tabla 3-3. Tabla 3-3: Severidad de daños con base en la descripción de fisuras y grietas (Adaptado de Day, 1998)

Categoría de daño

Descripción del tipo de daño

Ancho aprox. de la grieta

(mm)

Asentamiento total (cm)

Asentamiento diferencial

(δ/L) Insignificante Fisuras del tamaño de un cabello <0.1 <3.0 <1/300

Muy bajo

Incluye fisuras que se pueden reparar en labores normales de decoración. Tal vez una grieta única en la edificación y grietas en muros de ladrillo exteriores que sólo se pueden detectar por inspección detallada

1 3-4 1/300-1/240

Bajo

Incluye grietas que pueden ser rellenas fácilmente y que probablemente requieren redecoración. Varias fisuras pueden aparecer en la parte interior de la estructura. Grietas visibles en la parte externa. Puertas y ventanas se descuadran.

3 4-5 1/240-1/175

Moderado

Incluye grietas que requieren ser abiertas para su reparación con rellenos en mortero. Grietas recurrentes que pueden ser rellenas. En el exterior se puede requerir reemplazar de ladrillos. Puertas y ventanas trabadas. Varias tuberías rotas.

5-15 o un número de

grietas mayor que 3 mm

5-8 1/175-1/120

Severo

Incluye grandes grietas que requieren trabajos mayores de reparación que incluyen reemplazo de muros especialmente sobre puertas y ventanas. Marcos de puertas y ventanas deformadas. Los pisos se observan inclinados, los muros ladeados y abombados. Pérdida de soporte de las vigas y alteración de la serviciabilidad de tuberías.

15-25 pero también

depende del número de

grietas

8-13 1/120-1/70

Marco Teórico 43

Categoría de daño

Descripción del tipo de daño

Ancho aprox. de la grieta

(mm)

Asentamiento total (cm)

Asentamiento diferencial

(δ/L)

Muy severo

Generalmente requiere trabajos considerables de reparación incluyendo reconstrucción parcial o total. Las vigas pierden los apoyos. Los muros se inclinan y requieren apoyos externos. Las ventanas se rompen con distorsión y hay peligro de inestabilidad estructural.

>25 pero depende del número de

grietas

>13 >1/70

3.3 Competencia estructural La vulnerabilidad de una estructura depende de: Tipo de estructura

- Sistema estructural - Naturaleza de los elementos estructurales - Tamaño de la estructura, número de pisos, espacio ocupado, etc. - Regularidad vertical y horizontal - Edad - Mantenimiento

Materiales

Prácticas constructivas

Calidad de la mano de obra

Leone (1996) presenta unos criterios de resistencia estructural frente a diferentes tipos de solicitaciones, los cuales se muestran en la Tabla 3-4. Tabla 3-4: Escala de Intensidad destructiva de movimientos del terreno según Leone,1996 (Tomada de Jiménez, 2005)

TIPOS DE SOLICITACIÓN MODOS DE DAÑO

CRITERIOS DE RESISTENCIA ESTRUCTURAL

Desplazamientos Laterales Deformación Profundidad de cimentación Asentamiento Cohesión del suelo

Desplazamientos Verticales Deformación

Cohesión del suelo Asentamiento


3.3.1 Viviendas en mampostería Es la mampostería uno de los sistemas constructivos que ha tenido la mayor utilización dentro del campo de la construcción de viviendas. Su uso se remonta a las primeras civilizaciones que poblaron la tierra. El proceso inicial en el desarrollo de la mampostería fue la utilización del mortero de barro, el cual permitió no sólo apilar, sino acomodar o asentar con más facilidad, y a mayor altura, las piedras irregulares naturales. En 1889 el ingeniero francés Paul Cottancin patentó un método para reforzar y construir edificios de mampostería. En 1920 se construyeron varias obras de mampostería reforzada en la India, y se ensayaron un total de 682 especímenes entre vigas, losas, columnas y arcos. Este trabajo constituye la primera investigación organizada de mampostería reforzada, como el punto de inicio del desarrollo moderno de la mampostería estructural. En los Estados Unidos se inició en 1913 una investigación apoyada por los fabricantes de ladrillos de arcilla para el estudio experimental de la mampostería reforzada, sentando las bases para otras investigaciones similares en otras partes del mundo. En algunos países latinoamericanos y europeos, ubicados en zonas con alta y moderada amenaza sísmica, se ha popularizado con mucho éxito el empleo de multifamiliares de altura media (hasta 5 ó 6 pisos) de muros de carga de 120 a 240 mm de espesor, de mampostería reforzada con elementos perimetrales de concreto reforzado (mampostería confinada) o de mampostería con refuerzo interior, diseñados y construidos con base a reglamentos propios que recogen las investigaciones y experiencias realizadas. La mampostería está formada por unidades individuales, unidas entre sí por un material ligante (mortero). Se distinguen tres tipos básicos de unidades de mampostería según la disposición de sus perforaciones y el volumen que estas ocupen, las unidades pueden ser las descritas a continuación, en la Figura 3-13 se muestran algunos ejemplos de los tipos de unidades de mampostería: Unidades macizas o sólidas (ladrillos) (M), las cavidades ocupan menos del 25% del volumen del elemento, esto se debe a que el momento de inercia de la unidad con respecto al eje débil no disminuye de manera importante al existir cavidades cuya área sea menor al 25% del área neta (volumen menor al 25% del volumen). Unidades de perforación vertical (ladrillos o bloques) (PV), unidad con perforaciones o celdas perpendiculares a la cara o superficie en que se asienta el muro. Donde el área neta de la celdas medida perpendicular a sus ejes no puede ser superior al 65% del área bruta en esa misma sección. Unidades de perforación horizontal (ladrillos o bloques) (PH), unidad cuyas perforaciones o celdas son paralelas a la cara o superficie en que se asienta el muro.

Marco Teórico 45

Figura 3-13: Tipos de unidades de mampostería. (Tomadas de NTC 4205)

Unidades macizas sin y con cavidades (M)

Unidades de perforación vertical sin y con perforaciones secundarias en la paredes (PV)

Unidades de perforacion horizontal (PH)

Las unidades pueden ser de concreto, cerámica (arcilla cocida), sílico-calcáreas o de piedra, con anchos variables de 10, 15 ó 20 cm, longitud de 20, 30 ó 40 cm y altura de 10, 15 ó 20 cm. Estas dimensiones están dadas con el objeto de modular los muros y sus juntas de unión. Un esquema del comportamiento esfuerzo-deformación del mortero, unidades aisladas y panales de mampostería se presenta en la Figura 3-14, es poco el conocimiento acerca de la relación esfuerzo-deformación de la unidades de mampostería bajo compresión. Los resultados experimentales en ladrillos de arcilla, muestran una relación casi lineal hasta la falla, donde sigue un rápido decrecimiento de la resistencia. Figura 3-14: Relaciones esfuerzo-deformación para el mortero, unidades aisladas y panales de mampostería, según Paulay y Priestley (1992). (Tomada de Bonett, 2003)


Las viviendas de mampostería pueden clasificarse dependiendo del sistema constructivo de los muros de soporte principales, del cual depende el adecuado comportamiento de la edificación y el tipo el daño. Los tipos de mampostería son no reforzada, reforzada y confinada, de acuerdo con las solicitaciones de tipo técnico y teniendo en cuenta el aspecto económico. Los muros de mampostería se utilizan para estructuras, subdivisiones interiores, aislamiento térmico y acústico y, en fachadas. Por lo tanto, es la mampostería un material que por sus características y costo es de alta utilización la construcción en general.

Mampostería no reforzada o simple

La mampostería no reforzada o simple, es el sistema constructivo que utiliza unidades de mampostería en el cual no se incluye ningún tipo de elemento de refuerzo interno o externo de confinamiento, se desarrolló tan para solo los elementos básicos de la mampostería como bloques o ladrillos y mortero de pega (ver Figura 3-15) Figura 3-15: Mampostería no reforzada. (Tomada de Peralta, 2002)

Sistema de muros de mampostería reforzada.

Este sistema de mampostería incluye elementos de reforzamiento como son hierro y concreto, con el fin de dar una mayor rigidez y mayor soporte estructural a la construcción. Los muros de las construcciones se hacen con bloques de concreto o ladrillos de arcilla, pegados con mortero, y reforzados con hierro en sentido horizontal y/o vertical embebido en mortero de relleno; constituyendo así un sistema monolítico entre los muros, las losas de entrepiso y la cimentación (ver Figura 3-16) Los muros reciben cargas horizontales y verticales, y trabajan como un conjunto con la losa de entrepiso y con las vigas de cimentación, por medio de las cuales, las cargas se transfieren al terreno de soporte.

Marco Teórico 47

Figura 3-16: Mampostería reforzada. (Tomada de Peralta, 2002)

Sistema de muros de mampostería confinada.

Este sistema constructivo consta de los elementos propios de la mampostería como son bloques o ladrillos con mortero a los cuales se genera confinamiento con elementos adicionales tipo vigas y columnas de concreto reforzado. En este sistema, la vivienda se integra para comportarse como un solo conjunto ante cargas verticales y horizontales (ver Figura 3-17) Figura 3-17: Mampostería confinada. (Tomada de Peralta, 2002)

3.3.2 Patrones de daños estructurales Daños en viviendas de mampostería

Los daños en las viviendas pueden ser sobre elementos estructurales y no estructurales, dentro de los cuales se pueden mencionar: Daños en elementos no estructurales.

- Rotura y volcamiento de parapetos, antepechos de mampostería, voladizos, cornisas, balcones y adornos.

- Caída del enlucido de las paredes, enchapes y cielos falsos.


- Rotura y volcamiento de muros de división, de rellenos. - Rotura de ventanales de vidrio. - Desprendimiento de aleros y caída de tejas.

Daños en elementos estructurales (muros portantes), este tipo de daño se caracteriza por la generación de fisuras diagonales, debido a esfuerzos de compresión o tracción diagonal, que pueden ocurrir siguiendo la unión de bloques o en diagonal, a través de las unidades de mampostería. Estas fisuras generalmente se inician en las esquinas de las aberturas y algunas veces al centro de segmentos del muro. Esta clase de daño puede ocasionar el colapso parcial o completo de la edificación. La escasa cultura del diseño y construcción siguiendo las Normas Sismo Resistentes, existentes en el país desde 1984, para edificaciones de baja altura han ocasionado que viviendas de uno y dos pisos se construyan sin planos ni cálculos y al margen de la asesoría y supervisión de profesionales. En algunos barrios principalmente aquellos de la periferia de las ciudades, se presentan construcciones deficientes en muchos aspectos: Es muy frecuente encontrarse problemas de calidad de la construcción y de los materiales, así como el uso de acero de menor especificación del descrito en los planos, si los hay. Figura 3-18: Fisuramiento en muros portantes

Tipos de daño en mampostería no reforzada

El comportamiento de la mampostería se caracteriza por dos efectos: (i) respuesta frágil de las unidades de mampostería a tracción y (ii) debilidad inducida por las juntas de mortero. La mampostería es un material previsto para resistir cargas verticales, no obstante, estas estructuras se ven afectadas por otro tipo de acciones, tales como las cargas de viento y los sismos, que finalmente se traducen en fuerzas horizontales que deben ser soportadas por la estructura, lo cual exige considerar la resistencia a cortante y a tracción de la mampostería, estas propiedades usualmente se relacionan con la resistencia a la compresión mediante expresiones empíricas o analíticas.

Marco Teórico 49

El valor de la resistencia a compresión de todo el muro de mampostería, depende de la calidad de las unidades, del mortero y de su interacción. En cuanto al comportamiento a cortante, puede decirse que es mucho más complejo, debido a las diferentes propiedades mecánicas de los materiales constitutivos. Diferentes tipos de falla pueden ocurrir, dependiendo de las propiedades de los materiales y del estado de esfuerzos, principalmente, de la magnitud del esfuerzo de compresión perpendicular a las juntas horizontales de mortero. La resistencia a cortante de la mampostería depende básicamente de: la resistencia a la adherencia, la resistencia a la fricción entre las juntas de mortero y las unidades y el nivel de los esfuerzos de compresión. El comportamiento de la mampostería a tracción está controlado por la resistencia a la adherencia, desarrollada en las interfaces mortero-unidad y existen algunas propuestas que la relacionan con la resistencia inicial de cortante. Los modos de fallo por tracción, dependen de la dirección de la carga. Las estructuras de mampostería pueden estar sometidas simultáneamente a cargas de compresión y cargas laterales, por lo tanto, se generan esfuerzos de flexo-compresión y cortante. El comportamiento bajo esta combinación de esfuerzos es mucho más complejo, debido a las incertidumbres asociadas a la estimación de las resistencias de flexión y cortante. Los dos tipos de falla más comunes que se presentan bajo estas condiciones de esfuerzos son: falla por cortante y falla por flexión. El tipo de falla está estrechamente ligado a la relación de aspecto (longitud/altura) de los muros de mampostería. Así, normalmente para relaciones de aspectos mayores se presentan fallas por cortante y para valores menores, la falla es por flexión. Falla de fricción-cortante (ver Figura 3-19), ocurre para esfuerzos de compresión bajos y se produce por la unión débil de la interface mortero-unidad, con grietas que se distribuyen en forma escalonada a lo largo de las juntas de mortero (planos de debilidad). Figura 3-19: Agrietamiento escalonado diagonalmente por falla de fricción-cortante (Tomada de Bonett, 2003).

Falla por tensión diagonal (ver Figura 3-20) se produce sobre las unidades de mampostería, bajo esfuerzos de compresión moderados. La resistencia de las juntas se incrementa por efecto de los esfuerzos de compresión. Se producen grietas que siguen la


dirección de las juntas verticales, en las unidades por esfuerzos de tracción inducidos por el estado de esfuerzos de compresión y cortante. Figura 3-20: Agrietamiento unidades de mampostería por falla de tensión diagonal (Tomada de Bonett, 2003).

Falla a compresión (ver Figura 3-21) para esfuerzos de compresión muy altos en comparación con el esfuerzo cortante, con grietas que se propagan verticalmente y atraviesan las unidades de mampostería. Figura 3-21: Agrietamiento vertical excesivo por falla a compresión (Tomada de Bonett, 2003).

Falla por cortante (ver Figura 3-22) se producen grietas diagonales-longitudinales, características de la falla por cortante cundo se alcanza el valor de carga horizontal máxima. Figura 3-22: Agrietamiento por falla a cortante (Tomada de Bonett, 2003).

Falla por flexión (ver Figura 3-23) comienza con la formación de grietas horizontales en la parte inferior del muro, sobre la junta horizontal más cercana al apoyo interior. En

Marco Teórico 51

mampostería no reforzada la capacidad de resistencia a flexión está condicionada por la carga vertical actuante. Figura 3-23: Agrietamiento por falla a flexión (Tomada de Bonett, 2003).

Patrones de daño en edificaciones

Los desplazamientos del terreno pueden inducir diferentes modos de deformación en estructuras, cada uno de los cuales tendrá un nivel de deformación crítico para los diferentes niveles de daño que se utilicen para definir la vulnerabilidad física (Rodríguez y Jiménez, 2009) Audell, (1996) propone un sistema de clasificación para los diferentes niveles de daño y su origen, donde el movimiento de suelo causa el fisuramiento en la mayoría de los tipos de edificios. Los patrones de fisuras son indicadores del diagnóstico, el cual implica movimientos estructurales específicos relativos a una amenaza particular. De acuerdo con esto se presenta un modelo de un sistema de nomenclatura de patrones de fisuras, con el propósito de nombrar y describir las fisuras en muros y pisos. Este es sólo un método de clasificación, el autor lo desarrolló con base a 600 evaluaciones realizadas en edificios de diferentes usos y localizaciones. Entendiendo los patrones de las fisuras se puede determinar, el sentido de movimiento de suelo (patrón de decoraciones), la localización del impacto sobre la estructura y el tipo de esfuerzo aplicado a los edificios. Este sistema de clasificación integra principalmente cuatro componentes, que son: el sentido del movimiento, la orientación de las fisuras, el tipo de carga y el tipo de daño, de manera que cualquier grieta identificada en una edificación puede ser descrita por cuatro letras que definen cada una de las variables consideradas. La nomenclatura de clasificación, denotada por letras de los cuatros componentes de acuerdo a sus siglas en ingles, está basada en los siguientes aspectos:

Sentido del movimiento del terreno: las amenazas más comunes que afectan comportamiento geotécnico y estructural son, asentamientos, movimiento vertical hacia abajo (N), expansiones del suelo, movimiento vertical hacia arriba (R), movimiento de separación horizontal - empujes, como por deslizamientos o creep (E), movimientos sísmicos (S) y causas no geotécnicas o no definidas (U).

Orientación de las fisuras: en los muros se presentan tendencias de las fisuras en el plano vertical y son en sentido vertical (V), horizontal (H), y diagonal (D), y en los


pisos se presentan en el plano horizontales y son paralelas (H), oblicuas (O) y radiales (R).

Tipo de carga o solicitación: en muros o en pisos, pueden ser de tensión (T), de corte (S) o de compresión (C). los movimientos del terreno pueden generar uno o más tipos de esfuerzos.

Tipo de daño: de acuerdo a la amplitud de la separación, en la edificación pueden observarse fisuras (C) o aberturas (G), generalmente se presentan en la unión de materiales de construcción.

En este documento se presentan 17 modelos de daño en muros y 8 en placas de piso, como los mostrados en la Figura 3-24, donde las flechas negras indican la dirección del movimiento del terreno mientras que las flechas blancas indican la dirección de los esfuerzos sobre la estructura Figura 3-24: Ejemplos de modelos de fisuración. Arriba, patrones de fisuración en pared. Abajo, patrones de fisuración en piso (Tomadas de Audell, 1996)

Adicional a la clasificación de las grietas, Audell sugiere que se haga una descripción detallada de las mismas que incluya la separación, la textura superficial, separación, extensión, curvatura y meteorización de las grietas, de acuerdo con la Tabla 3-5.

Marco Teórico 53

Tabla 3-5: Sistema para la descripción del carácter y la ocurrencia de las grietas en edificaciones (Adaptada de Audell, 1996).

Separación de grietas Probabilidad Clasificación Separación (mm) Clasificación Descripción Cerrada Muy Estrecha Estrecha Abierta Muy abierta

0 0-0.5 0.5-1.0 1.0-5.0 >5.0

Común Aparición frecuente u observada a menudo

Rara Aparición ocasional o no observada a menudo

Textura superficial Curvatura de la grieta Clasificación Descripción Clasificación Descripción Muy lisa

Visualmente lisa y lisa al tacto. No se observa asperezas

Lineal Tendencia lineal sin ningún tipo de curvatura

Lisa

Las asperezas en la grietas son visibles y pueden sentirse

Ligeramente lineal

Aproximadamente lineal con ligera curvatura en la sección media de la grieta Rugosa

Las asperezas en la superficie de la grieta son claramente visibles y se sienten abrasivas

Ligeramente curvilínea

Principalmente curva con presencia de una curvatura en el extremo de la grieta Muy rugosa Asperezan grandes angulares, pasos

verticales y puntas agudas en la superficie de la grieta

Curvilínea Totalmente curva con ausencia total de secciones rectas

Separación para muros Irregular Dientes de sierra, bifurcación, en echelon, escalonado, etc Clasificación Descripción

Descendente La separación se cierra hacia arriba, se propaga hacia la cimentación

Meteorización Clasificación Descripción

Ascendente La separación se abre hacia arriba, se propaga hacia el techo

No meteorizado Bordes exteriores agudos y angulares, angularidades en la superficie, no hay decoloración, textura original se conserva, grieta limpia y sin relleno

Lateral La separación se cierra lateralmente, se propaga lateralmente

Paralela Separación uniforme Separación en placas de piso Ligeramente

meteorizado Bordes ligeramente redondeados y angularidades en la superficie, decoloración ligera, textura original se conserva, ligeramente relleno con materiales extraños

Clasificación Descripción Hacia el interior

La separación se cierra hacia el interior, propagación hacia el interior de la placa

Hacia el exterior

La separación se abre hacia el interior, propagación hacia el exterior de la placa

Altamente meteorizado

Bordes exteriores y angularidades en la superficie completamente redondeados, decoloración general, textura parcialmente conservada, totalmente relleno con materiales extraños

Paralela Separación uniforme Extensión del agrietamiento

Clasificación Descripción

Generalizado Más de 25 pies de longitud de grietas por c/100 pies2 de área de muro/placa Altamente

meteorizado Bordes exteriores y angularidades en la superficie completamente redondeados, decoloración general, textura parcialmente conservada, totalmente relleno con materiales extraños

Algunas grietas

Entre 15 y 25 pies de longitud de grietas por cada 100 pies2 de área

Pocas grietas Entre 10 y 15 pies de longitud de grietas por cada 100 pies2 de área

Ocasional Menos de 10 pies de longitud de grietas por cada 100 pies2 de área

4. Antecedentes

Se consultaron a nivel mundial referencias de evaluación de vulnerabilidad física y cargas asociadas a deslizamientos, sobre los cuales se presentan a continuación, en forma general, algunos antecedentes

4.1 Modelos de vulnerabilidad física Se encontró que los estudios de evaluación de vulnerabilidad referentes a los movimientos en masa son limitados, Hollenstein (2005) registró más de 100 estudios acerca de modelos de vulnerabilidad sísmica, más de 100 modelos relacionados con el viento y menos de 20 modelos de vulnerabilidad que implican amenazas gravitacionales (deslizamientos, flujos de detritos, avalanchas de nieve) e inundaciones, donde es notable la diferencia con otros tipos de amenazas. En lo que se refiere a la vulnerabilidad física, Papathoma et al (2010) realizaron una revisión de los métodos existentes para su evaluación por amenazas de montaña. Encontraron que respecto a las amenazas por deslizamientos, la mayoría de las metodologías de evaluación de vulnerabilidad son para flujos de tierra y flujos de detritos, mientras que para caídas de roca se tiene el menor número de metodologías. En el caso de inundaciones varios de los estudios están basados en curvas de vulnerabilidad. La mayoría de estas curvas muestran la relación entre el daño esperado y la profundidad de la inundación. Douglas (2007) sugiere que un mayor número de curvas de vulnerabilidad en los estudios de inundación, se debe a que esta amenaza, así como los sismos y las tormentas, afectan más edificaciones en un solo evento que otras amenazas; además, estas amenazas ocurren con más frecuencia. En su mayoría las curvas desarrolladas son para un tipo de construcción específica, la más común en el área de estudio. Por lo tanto, no se pueden utilizar en otra parte donde el tipo de construcción predominante es diferente o cuando hay una diversidad en la calidad o tipo de edificios. En cuanto a la escala de estudio, la mayoría de las metodologías que involucran deslizamientos, se diseñan para ser aplicadas a nivel local, mientras que sólo unos pocos se aplican a escala regional. En el caso de los estudios referentes a las inundaciones, la mayoría de ellos se llevan a cabo a escala regional.


4.1.1 Modelos Cualitativos Dentro de la evaluación de vulnerabilidad física la mayoría de los trabajos se han orientado a los edificios, estructuras e infraestructura, para lo cual varios estudios sugieren diferentes esquemas de clasificación de niveles de daño, los cuales se utilizan para determinar un nivel de vulnerabilidad cualitativa y algunas veces se ajustan para realizar valoraciones semicuantitativas. Alexander (1986, 2002) propone unas clasificaciones cualitativas de daño estructural para edificaciones, las cuales se presentan en la Tabla 4-1 y en la Tabla 4-2. Tabla 4-1: Clasificación de daño estructural según Alexander (2002). Grado Descripción

Ninguno La edificación no ha sufrido daño significativo.

Ligero Hay un daño no-estructural, pero no en la medida de que el costo de la reparación represente una proporción significativa del valor de construcción

Moderado Hay un daño no-estructural no significativo, y daño estructural ligero a medio. La estabilidad y funcionalidad de la edificación no están comprometidas, puede ser necesaria la evacuación para facilitar su reparación. Apoyos pueden ser usados para garantizar la estabilidad a corto plazo.

Serio La edificación ha sufrido daño no-estructural importante y daño estructural muy significativo. La evacuación garantiza la seguridad de los ocupantes, pero la reparación es posible, aunque será costosa y compleja.

Muy serio La edificación ha sufrido daño estructural importante y es insegura para toda forma de uso. Debe ser evacuada inmediatamente y demolida o ampliamente apuntalada para evitar su colapso.

Colapso parcial

Partes de la edificación han caído. Usualmente son cornisas, ángulos, partes del techo o estructuras suspendidas tales como escaleras. La reconstrucción será costosa y técnicamente demandante. La demolición de las partes restantes puede ser la mejor opción.

Colapso total

El sitio debe limpiarse de escombros. Algunas edificaciones importantes pueden ser reconstruidas (usualmente por razones culturales) aunque hayan colapsado totalmente, pero la mayoría puede no ser reconstruida.

Los modelos de evaluación cualitativa se presentan en términos de calificaciones de riesgo que implican el desarrollo de matrices como las presentada por la AGS (2000), VanDine et al. (2002) y Cardinali et al. (2002). En las matrices la clasificación generalmente es cualitativa, y puede ser subjetiva y poco precisa. Otros modelos de evaluación no determinan de manera directa la vulnerabilidad sino que definen niveles de riesgo a partir de la descripción directa de las consecuencias esperadas, como el de Riesgo Relativo (Phipps y McGinnity, 2001) y FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis). En los modelos FMECA se hace un análisis a través de un diagrama LCI (Location, Causes, Indicator), consistente en la elaboración de un árbol de eventos que en determinados puntos del sistema pueden llevar a la falla, y para cada modo de falla identificado se establecen de manera cualitativa a partir de descriptores, las posibles causas y un indicador que permite la valoración consecuencias, la posibilidad de ocurrencia y el nivel de confianza en la evaluación.

Antecedentes 57

Tabla 4-2: Escala de intensidad de daños debidos a deslizamientos según Alexander, (1986). Grado Descripción del daño

0 Ninguno, la edificación está intacta.

1 Insignificante, fisuras del espesor de un cabello en paredes o miembros estructurales, no hay distorsión de la estructura o desprendimiento de elementos arquitectónicos externos.

2 Ligero, la edificación continua siendo habitable, la reparación no es urgente. Los asentamientos de la cimentación, la distorsión de la estructura e inclinación de los muros no son suficientes para comprometer la estabilidad general.

3 Moderado, los muros se inclinan de 1 a 2°, se ha presentado agrietamiento sustancial en miembros estructurales, o la cimentación tiene asentamientos diferenciales por subsidencia de al menos 15 cm, la edificación requiere evacuación y rápida atención para garantizar su continuidad.

4 Serio, los muros exteriores están inclinados varios grados, grietas abiertas en las paredes, fractura de miembros estructurales, fragmentación de la mampostería, asentamientos diferenciales de al menos 25 cm comprometen la cimentación, los pisos pueden estar inclinados entre 1 y 2°, o destruidos por el levantamiento del suelo, los muros divisorios requieren ser reemplazadas, los marcos de puertas y ventanas están muy deformados para ser usados, los ocupantes deben evacuar y se requieren trabajos de reparación mayores.

5 Muy serio, las paredes se inclinan entre 5 y 6°, la estructura está ampliamente distorsionada y los asentamientos diferenciales han fracturado pisos y paredes o han causado rotaciones importantes de toda la estructura (estructuras de madera pueden estar completamente separadas de su cimentación). Partes de los muros divisorios y el revestimiento han colapsado parcialmente, estructuras exteriores como depósitos y patios han sido afectados más seriamente que la estructura principal. Los ocupantes deben ser reubicados por largos periodos, la rehabilitación de la edificación no es posible.

6 Colapso parcial, requiere evacuación inmediata de los ocupantes y acordonamiento del sitio para prevenir accidentes con la caída de muros.

7 Colapso total, requiere limpieza del sitio.

Australian Geomechanics Society (AGS, 2000), propone los descriptores presentados a continuación en la Tabla 4-3, para evaluar las consecuencias debidas a deslizamientos, los cuales son utilizados para determinar la vulnerabilidad. Tabla 4-3: Medida cualitativa de las consecuencias para determinar la vulnerabilidad física según la AGS (2000). Nivel Descriptor Descripción 1 CATASTRÓFICO Estructura completamente destruida o daños a gran magnitud que

requieren obras de ingeniería importantes para su estabilización. 2 MAYOR Extensos daños a la mayoría de la estructura, o se extiende más

allá los límites del sitio requiere trabajos de estabilización significativos.

3 MEDIO Daños moderados a algunos elementos de la estructura, o parte importante de sitio que requiere grandes obras de estabilización.

4 MENOR Daños limitados a una parte de la estructura, o parte del sitio que requiere reparación / obras de estabilización.

5 INSIGNIFICANTE Pocos daños.


VanDine et al. (2002), con el British Columbia Ministry of Forests, describen el uso de matrices de riesgo, y realizaron la evaluación cualitativa del riesgo, basada en información disponible y evidencias empíricas. Donde las consecuencias o la vulnerabilidad es clasificada como: alta, moderada y baja, para diferentes elementos en riesgo (personas, propiedades y sistemas de agua) y la severidad es inferida de los eventos que pueden afectarlos (ver Tabla 4-4). Tabla 4-4: Clasificación de las consecuencias o niveles de vulnerabilidad, para estructuras según VanDine et al. (2002).

Nivel Propiedad Suministro de agua

Alto Destrucción de múltiples residencias.

Destrucción de múltiples tomas de agua o un muy alto incremento en la turbiedad.

Moderado Destrucción de una sola residencia, o daño a múltiples residencias.

Destrucción de una sola toma de agua o un alto incremento en la turbiedad.

Bajo Daño a una sola residencia. Daño a una sola toma de agua o incremento moderado a bajo de turbiedad.

Cardinali et al. (2002), presentan un método geomorfológico para la evaluación de riesgo de deslizamientos, basado en el reconocimiento de eventos existentes y antecedentes, en la investigación del ambiente geológico y morfológico local, y en el estudio de sitios específicos e información histórica de eventos pasados. Para cada área de estudio prepararon un mapa de inventario multi-temporal de deslizamientos. Los cambios en la distribución y patrones de deslizamientos permiten inferir la posible evolución de los taludes, el tipo de falla más probable, y su frecuencia de ocurrencia e intensidad esperada. La amenaza y riesgo de deslizamiento se expresan usando un índice con la información sobre frecuencia e intensidad de los deslizamientos, y el daño probable causado por la falla esperada (vulnerabilidad). Definen la intensidad (I) del deslizamiento como una función del volumen (v) y la velocidad esperadas del deslizamiento (s), I = f (v, s). Para estimar la vulnerabilidad usaron una aproximación basada en las relaciones inferidas de la intensidad y el tipo de deslizamiento esperado, y el daño probable que el proceso causaría. En la Tabla 4-5 se muestran el daño esperado para diferentes tipos de elementos en riesgo agrupados como edificios y vías, causado por movimientos del terreno de diferente tipo (caída de rocas, flujos de detritos y deslizamientos) e intensidad (ligera, media, alta o muy alta) Concluyen que aunque es un método empírico y sujeto a varias incertidumbres, puede proporcionar estimaciones razonables de riesgo por deslizamientos en las áreas urbanas y rurales y que en la actualidad no es posible hacer un juicio cuantitativo.

Antecedentes 59

Tabla 4-5: Vulnerabilidad física, daño esperado de diferentes elementos en riesgo, y diferentes tipo y niveles de amenaza (Adaptada de Cardinali et al. 2002)

Donde A = daño superficial, estético o menor, F = daño funcional o medio y S = daño estructural o total.

HD - zonas con alta densidad de población, LD - zonas con baja densidad de población y viviendas dispersas, IN -Industrias, FA - granjas de animales, SP - Instalaciones deportivas, C - Cementerios, Q - Canteras, MR vías principales,

autopistas, SR - vías secundarias, FR - vías menores, RW - Líneas de ferrocarril.

4.1.2 Modelos Semicuantitativos Algunos autores definen la vulnerabilidad en términos de índices de vulnerabilidad, como Moon et al (1992) y Fell y Hartford (1997), donde estiman los índices para edificaciones y personas en un área susceptible a flujos de detritos en Montrose (Victoria en Australia), los valores propuestos para estructuras se pueden observar en la Tabla 4-6. Tabla 4-6: Vulnerabilidad para edificaciones ante flujos de detritos, Montrose, Australia (Adaptada de Fell y Hartford, 1997).

Zona de riesgo flujo de detritos Factores Magnitud de la

amenaza Índice de

vulnerabilidad Extremadamente alto Velocidad alta - Profundidad alta Muy alta 1.0 Alto Velocidad media-alta - Profundidad media Alta 0.7 Medio Velocidad alta-baja - Profundidad baja Media 0.4 Bajo Velocidad media-baja - Profundidad baja Baja 0.1 El proyecto europeo para evaluación de riesgo por deslizamiento llamado IMIRILAND (Identification and Mitigation of Large Landslide Risk in Europe) cuantifica la vulnerabilidad física de manera cualitativa con los criterios de la Tabla 4-7 (Bonnard et al., 2004). Blong (2003), presenta la Tabla 4-8 con una descripción de los daños producidos por deslizamientos, a los cuales se les asigna a un valor central de daño.


Tabla 4-7: Valores de vulnerabilidad física en edificaciones adoptado por el proyecto IMIRILAND, según Bonnard et al., 2004. (Tomada de Rodríguez y Jiménez, 2009)

Descripción de la vulnerabilidad Rango de pérdida Índice

Estructuras intactas 0 0 Daño local 1-25% 0.25 Daño serio (posible de reparar) 26-50% 0.5 Estructuras destruidas en su mayor parte (Difícil de reparar) 51-75% 0.75

Destrucción total (Fuera de uso, por ejemplo >5° de inclinación 76-100% 1

Tabla 4-8: Descripción de los niveles de daño por deslizamientos (Adaptada de Blong 2003).

Valor de Daño Descripción 0.02 Ligero Grietas muy finas o del espesor de un cabello (<0.1 mm) en las paredes

o elementos estructurales.

0.10 Moderada Asentamiento menor de las fundaciones. 0.40 Graves Paredes inclinadas en varios grados, pisos inclinados o levantados,

grietas abiertas en las paredes. 0.75 Severo Estructura considerablemente distorsionada, paredes divisorias y

revestimiento de ladrillo parcialmente colapsados, cimentaciones pierden capacidad; tuberías de servicio interrumpidas.

1.00 Colapso Colapso parcial o total. Lee y Jones (2004), muestran valores de un Índice de vulnerabilidad entre 0 y 1, en base a los niveles de daño estructural presentados por Alexander (1986), y clasificando los daños como estructural, funcional y superficial, mediante la estimación de la proporción relativa de pérdidas por un evento que causa cada uno de estos tres grados de daños. En la Tabla 4-9 se presenta la estimación de la vulnerabilidad para edificaciones dentro de un deslizamiento de movimiento lento (de intensidad alta a muy alta). Tabla 4-9: Ejemplo de estimación de la vulnerabilidad de edificaciones ante deslizamientos (Adaptada de Lee y Jones, 2004).

Daño Grado de daño (Tabla 4-2)

Índice de vulnerabilidad Reparaciones típicas requeridas

Estructural 4-7 0.55-1.0 Reconstrucción completa Funcional 2-3 0.15-0.50 Recalce de cimentación, reconstrucción parcial. Superficial 0-1 0.01-0.10 Llenado de grietas, redecoración.

Leone, F. (1996), plantea la evaluación de vulnerabilidad por movimientos del terreno, con base en los conceptos presentados en el marco teórico sobre las solicitaciones de estos movimientos sobre las estructuras. Sugiere matrices de daño basadas en factores de daño y la resistencia de los elementos en riesgo.

Antecedentes 61

Modos y niveles de daño de los elementos expuestos: La medida del nivel de daño estructural (DS), entre 0 y 1, es calculada como la razón entre los costos de diferentes niveles de daño considerados (costos de rehabilitación) y el costo de daño máximo posible (destrucción total). En la Tabla 4-10, se presenta la cuantificación de la vulnerabilidad, propuesta por Leone. Tabla 4-10: Modos y niveles de daño de las edificaciones expuestas a movimientos del terreno según Leone, 1996. (Tomada de Jiménez, 2005) Elementos expuestos ID Modos de daño DS

ED

IFIC

AC

ION

ES

E

I Daños leves no estructurales. Estabilidad no afectada. Mobiliario dañado. 0.01-01

II Fisuración de muros, la estabilidad no es afectada. Las reparaciones no son urgentes. 0.2-0.3

III Deformaciones importantes, grietas ampliamente abiertas. Aparecen grietas en los elementos estructurales. Estabilidad afectada. Puertas y ventanas inutilizables. Evacuación necesaria.

0.4-0.6

IV Colapso de la estructura, Caída parcial de muros. Evacuación inminente. Es necesaria una rehabilitación. 0.7-0.8

V Caída parcial o total, es necesaria una evacuación del sitio y una rehabilitación total 0.9-1

(Donde ID: Intensidad de Daño y DS: Daño Estructural) Matriz de daño estructural: se realizan mediante una tabla de correspondencias, en términos de niveles de daño, entré los tipos de movimientos del terreno (Ej. representados por los tipos de solicitación) y las categorías de elementos expuestos definidas, donde cada nivel de daño está relacionado con el modo de daño. Estas matrices son empleadas en la evaluación del riesgo sísmico e inexistentes en el análisis del riesgo por deslizamientos, exceptuando la matriz propuesta por la Délégation aux Risques Majeurs, sólo para edificaciones Metodología para la evaluación de la vulnerabilidad: se relaciona con un Sistema de Información Geográfico (SIG), en el cual a cada mapa se asocia una base de datos donde se encuentra la ponderación de cada capa, el proceso se presenta a continuación en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Dai et al. (2002) presentan el método propuesto por Leone (1996) como una opción para evaluar vulnerabilidad basada en estadísticas de registros históricos. La vulnerabilidad de los elementos en riesgo depende de las características del deslizamiento y la resistencia técnica de la construcción, como el tipo de material, tipo de uso, estado, calidad de la construcción, sistema estructural, tipo de cimentación, edad, tipo de cubierta, etc. Para la aplicabilidad del método se requiere de un análisis estadístico de los registros sobre


deslizamientos y sus consecuencias. En la Figura 4-1 se muestra un ejemplo de matriz de vulnerabilidad estructural por el método de Leone, según Dai et al. (2002). Figura 4-1: Ejemplo de la matriz de vulnerabilidad estructural por el método de Leone (Tomado de Dai et al., 2002)

Una aplicación del método propuesto por Leone, fue realizada para evaluación de vulnerabilidad por flujo de detritos, descrita en Chaparro (2005), donde menciona como con base en características de la estructura se define un Índice de Exposición y un Índice de Resistencia a partir de los cuales se determina el índice de vulnerabilidad. El índice de Exposición se determina de la modelación del comportamiento de la amenaza para definir la extensión de afectación y la posición de los elementos expuestos en relación con ella y el nivel de interacción del evento amenazante con la estructura. El índice de Resistencia se establece con base en las características estructurales definiendo un valor que se obtiene a partir de una ecuación multivariada donde se le asigna un peso de manera arbitraria a diferentes elementos del sistema. A partir de estos índices se determina una Intensidad de Daño para cada tipo de deslizamiento, a la cual se le asigna un índice de Vulnerabilidad, tal como se muestra en la Tabla 4-11. Tabla 4-11: Determinación de la Intensidad de Daño e Índice de Daño o índice de Vulnerabilidad para el caso de flujos de detritos (Tomada de Chaparro, 2005).

SC= Superficie de contacto, SE= Superficie expuesta.

Recuperación Muros Prefabricada Pórticos Lote vacio

SC<1/3 SE IV III II II IV

1/3 SE< SC <2/3 SE IV III II II IV

2/3 SE< SC< SE V V IV IV V

Cubierta Parcialmente IV III III II V

Cubierta Totalmente V V IV III V

Presiones Laterales

TIPO DE VIVIENDA

Flujo de Lodos y

Avalanchas

Acumulaciones

EVENTO SOLICITACIÓN

A. MATRIZ PARA LA DETERMINACIÓN DE LA INTENSIDAD DE DAÑO

Antecedentes 63

Tabla 4-11

Michael-Leiba et al. (1999, 2003), llevaron a cabo la evaluación regional de riesgos por deslizamientos basada en un SIG, en la comunidad de Cairns (Australia). Donde evaluaron la vulnerabilidad de personas, edificios y vías ante pequeños deslizamientos en colinas y grandes flujos de detritos. La vulnerabilidad se tomó como la probabilidad de muerte o destrucción, dado un deslizamiento que afecta una residencia o vía.

(Continuación)

Se toma un ángulo entre la horizontal y una línea trazada desde el límite proximal o distal del flujo de detritos, en la parte superior del escarpe (Figura 4-2). La parte proximal es la porción del flujo de detritos más cercana a la fuente del deslizamiento (cantos rodados > 19°), tiene una superficie convexa y con grandes bloques de varios metros de tamaño. La parte distal del flujo es de pendiente suave y contiene los sedimentos de grano fino que se depositan más lejos de la fuente (inundación repentina, 14°-19°). Basado en gran parte en observaciones de campo, ángulos de 19° y 14° fueron elegidos para representar los límites de las partes proximal y distal, respectivamente. Figura 4-2: Ángulo entre la horizontal y una línea trazada desde el límite proximal o distal del flujo de detritos (Tomada de Michael-Leiba et al. 2003).

Para las personas y los edificios en colinas, la evaluación se basó en información de la Base de Datos de Deslizamientos de Australia, y para las vías, la vulnerabilidad se estimó a partir de información proporcionada por. Cains City Concil. Para el cálculo de la vulnerabilidad ante flujos de detritos, por falta de información se asumen valores a partir del tipo de evento. El valor de vulnerabilidad (V) propuesto, el tipo de deslizamiento y los elementos en riesgo se muestran en la Tabla 4-12.

INDICE DE DAÑO (ID)I Muy Baja 0.055II Baja 0.115III Media 0.500IV Alta 0.750V Muy Alta 0.950

Deformaciones importantes, fisuras en elementos estructuralesFracturamiento de la estructura, evacuación inmediataColapso parcial o total de la estrucrtura

INTENSIDAD DE DAÑO ( In D) DESCRIPCIÓNDaños ligeros no estructurales, estabilidad no afectadaFisuración de muros, Reparaciones no urgentes

B. DETERMINACIÓN DEL INDICE DE DAÑO


Tabla 4-12: Vulnerabilidad de personas, edificación y vías en la comunidad de Cairns – Australia (Adaptada de Michael-Leiba et al. 2003).

Unidad Índice de vulnerabilidad Personas Estructuras Vías

Colinas 0.05 0.25 0.30 Unidades susceptibles de proximal flujo de detritos 0.9 1.0 1.0 Unidades susceptibles de distal flujo de detritos 0.05 0.1 0.30 (Hayne et al. 2000) presentan la estimación de la vulnerabilidad para deslizamientos rotacionales y hundimientos para la región de estudio el sudeste de Queensland-Australia, en base a los valores propuestos para la zona de Cairns. La vulnerabilidad de construcciones se modificó y asignan un valor conservador de V= 0.25, dado que muchos edificios con daños leves que no se reportan. También se toma de base la vulnerabilidad cualitativa para flujos de detritos en la región de Cairns, estas áreas son análogas los taludes > 25 ° en la región de estudio del sur-este de Queensland. Los valores de vulnerabilidad para Queensland se presenta en la Tabla 4-13, el índice de vulnerabilidad para taludes < 25° es derivado de aproximaciones subjetiva y el trabajo de varios autores, mientras por flujos de detritos ocurridos en taludes > 25°, están mas de acuerdo con Michael-Leiba et al. (1999, 2003). Tabla 4-13: Vulnerabilidad de personas, edificación y vías en Queensland-Australia, de Michael-Leiba et al. 2000 (Tomada de Hayne et al. 2000)

Escenario Índice de vulnerabilidad Personas Estructuras Vías

Deslizamiento de detritos, flujos y caídas de roca, talud >25° 0.9 1.0 1.0 Deslizamientos rotacionales y hundimientos, talud <25° 0.05 0.25 0.30 Deslizamientos de detritos, flujos, hundimientos y caída de rocas 0.05 0.25 0.30 Glade, T. (2003), presenta en términos generales cual ha sido el desarrollo de la evaluación de la vulnerabilidad por deslizamientos. Presenta valores y rangos de vulnerabilidad de diferentes elementos en riesgo y para iversos tipos de deslizamientos, propuestos por algunos autores como: Michael-Leiba (1999) y Heinimann (1999). Compara dos casos de evaluación de vulnerabilidad en el análisis de riesgo por deslizamientos. El primer caso es un estudio de evaluación regional (escala 1:25.000) en Rheinhessen (Alemania) para 50 km2, se asume que un elemento es afectado por un deslizamiento es destruido, por tanto se asigna vulnerabilidad de 1 a los elementos en riesgo. La segunda aplicación en Bíldudalur (Islandia), es un estudio de 5 km2

Heinimann (1999) describe un método para el análisis de riesgo por deslizamientos, enfocado a movimientos en masa gravitacionales, se clasificaron los elementos en

(a escala 1:5.000), aplican la aproximación de Heinimann (1999) y determinan la vulnerabilidad de sus estructuras y su resistencia.

Antecedentes 65

riesgo, y se presenta una resistencia estimada (descriptiva) de la construcción con base en el sistema estructural, así se definen las categorías para las edificaciones (ver Tabla 4-14), para cada categoría se presenta la vulnerabilidad ante diferentes magnitudes de la amenaza (baja, media y alta), en la Tabla 4-15 se presentan los valores. Tabla 4-14: Categorías de daños y resistencia estimada basada en Heinimann, 1999 (Adaptada de Glade, 2003).

Categoría edificación Estructura de la edificación Resistencia

0 Estructura más ligera (construcciones sencillas de madera) No 1 Estructura ligera Muy débil 2 Estructura mixta (concreto y madera) Débil 3 Paredes de ladrillo, concreto Media 4 Concreto reforzado Fuerte 5 Reforzada Muy fuerte

Tabla 4-15: Vulnerabilidad de las estructuras de acuerdo con la magnitud de la caída de rocas, basada en Heinimann,1999 (Adaptada de Glade, 2003).

Categoría de la edificación

Magnitud Baja Media Alta

0 0.2 1 1 1 0.15 0.5 0.9 2 0.1 0.3 0.8 3 0.08 0.25 0.7 4 0.05 0.2 0.5 5 0 0.1 0.3

Bell y Glade (2004), exponen un método para la evaluación de riesgo por deslizamientos, enfocado en los flujos de detritos y caída rocas, el cual fue aplicado en Bíldudalur, NW-Islandia. En este estudio, se desarrolla una aproximación basada en datos raster, donde se atribuyen a las celdas datos de atributos específicos. El cálculo del riesgo por deslizamientos se hace en función de parámetros de la amenaza, el daño potencial de los elementos en riesgo, la vulnerabilidad, la probabilidad espacial y temporal del impacto. Para el análisis de vulnerabilidad, se basaron en la revisión de la bibliografía disponible y la información encontrada fue analizada, modificada y adaptada a las condiciones de Islandia, y junto con la información sobre las edificaciones en peligro, asumen los valores que se muestran en la Tabla 4-16, para la vulnerabilidad de personas (Vpe), estructuras (Vp) y personas en estructuras (Vpep) dependiendo de proceso específico y su magnitud. Messner y Meyer, (2005), indican que el elemento en riesgo de ser dañado que es más vulnerable, es el más expuesto a la amenaza y el más susceptible a las fuerzas e impactos. Por lo tanto, para el análisis de vulnerabilidad requiere información acerca de


estos factores, que pueden ser expresados en términos de indicadores de los elementos en riesgo, indicadores de la exposición e indicadores de la susceptibilidad. Tabla 4-16: Vulnerabilidad para estructuras Vp, personas, Vpe, y personas dentro de estructuras Vpep, utilizados en Islandia (Adaptada de Bell y Glade, 2004).

Magnitud Proceso

Bajo Medio Alto Vp Vpe Vpep Vp Vpe Vpep Vp Vpe Vpep

Flujo de detritos 0.1 0.2 0.02 0.2 0.3 0.06 0.5 0.5 0.25 Caída de rocas 0.1 0.2 0.02 0.3 0.4 0.12 0.5 0.5 0.25 Para la evaluación de vulnerabilidad ante inundaciones y flujos, se utilizan relaciones entre el daño esperado y las características del evento, con frecuencia se utiliza la profundidad como característica principal del flujo para estimar el daño esperado por medio de curvas de profundidad-daño, como la mostrada en la Figura 4-3 para diferentes tipos de elementos expuestos. Figura 4-3: Funciones de profundidad-daño para diferentes elementos expuestos, basada en Klaus & Schmidtke 1990 (Tomada de Messner y Meyer, 2005).

La mayoría de estas relaciones se derivaron de estimaciones de expertos y/o de datos empíricos de daño por inundaciones en casos históricos. En general se asume que otras variables como la velocidad o la duración tienen una fuerte correlación con la profundidad del flujo y son ignoradas en el análisis. Dado que las otras variables son difíciles de medir o estimar, la profundidad sigue siendo la principal variable para el cálculo de daños por inundaciones en la actualidad (Smith, 1998). Pocos autores han tratado de incluir variables complementarias de la exposición, como variables secundarias en el análisis, como las curvas mostradas en la Figura 4-4 para diferentes duraciones de inundación (Penning-Rowsell/Chatterton 1977, Penning -Rowsell et al. 2003).

Antecedentes 67

Figura 4-4: Curva profundidad-daño para diferente duración de inundación, de Penning-Rowsell et al., 2003 (Adaptada de Messner y Meyer, 2005).

Galli y Guzzetti. (2007), evalúan la vulnerabilidad ante deslizamientos de edificaciones y vías en la región de Umbría (Italia). Recopilaron información de 103 deslizamientos que resultaron en daños directos a edificaciones y vías, entre enero de 1982 y diciembre de 2005, para cada deslizamiento compilaron la información sobre la ubicación y el área de falla del talud, y sobre cantidades de los daños, para establecer dependencias entre el área del deslizamiento y los daños causados por el movimiento. Determinaron la dirección del deslizamiento y la localización de los daños ocasionados, como se muestran en la Figura 4-5. Figura 4-5: Ejemplos de daños causados por deslizamientos, sobre edificaciones, en Umbría, Italia (Tomado de Galli y Guzetti, 2007).

La línea puenteada muestra el área de inicial del deslizamiento y la línea continua el área de depositación. Las flechas

sólidas indican la dirección aproximada del movimiento de deslizamiento y las flechas sin relleno la ubicación de los daños.


La evaluación se limita a (i) la vulnerabilidad ante deslizamientos de movimiento lento y flujos de tierra, el tipo más común de fallas en la zona, y (ii) dos tipos de elementos en riesgo, zonas edificadas y vías. En el catálogo histórico, los daños por deslizamiento se clasifican cualitativamente como estético o menor, funcional o medio, estructural o total. La proporción de los daños causados a los elementos (es decir, la vulnerabilidad del elemento) se determinó heurísticamente, y fue clasificado en una escala de cero (sin daño) a uno (pérdida total). Para cada talud en falla, se estimó un promedio el valor de los daños causados a los elementos individuales o múltiples en riesgo. La Figura 4-6 resume la información sobre los daños de edificios, donde el área de deslizamiento AL (eje x) está relacionada con los daños estimados por el deslizamiento DL, (eje y), a la izquierda en escala cuantitativa y a la derecha en escala descriptiva., finalmente definen umbrales de vulnerabilidad mínimos y máximos. Figura 4-6: Proporción de daño (DL) función del área de deslizamiento, para edificaciones. (Adaptada de Galli y Guzzetti., 2007).

Papathoma-Köhle et al. (2007), el marco de este proyecto es basado en el desarrollo de una "base de datos de elementos en riesgo" que tenga en cuenta las características y el uso de los edificios, su importancia para la economía local y características de los habitantes como densidad de población y edad. Los atributos que afectan la vulnerabilidad son avaluados en una base de datos SIG que se utiliza para visualizar la vulnerabilidad física, humana y económica. La normalización es el método utilizado con el fin de cambiar la escala de los datos a una base numérica común por la transformación lineal simple. En este estudio el método de estandarización usado es la transformación de datos sin procesar (crudo) a puntuaciones de 0 a 1, como Puntuación estandarizada = puntaje crudo / puntaje crudo máximo.

Antecedentes 69

La ponderación de los factores pueden ser elegidos de acuerdo a sus prioridades y al objetivo de la evaluación. En este trabajo, los factores de peso usados son: Material 5, Muros circundantes 4, Fachada al talud 3, Advertencias 2 y Pisos 1; los puntajes estandarizados para cada tipología descrita son los presentados en la Tabla 4-17 Tabla 4-17: Puntajes estandarizados (Adaptada de Papathoma-Köhle et al., 2007).

Factor Descripción Categorías Puntaje crudo

Puntaje estándar

Material Material del que está hecho el edificio

Concreto 1 0.33 Mampostería 2 0.66 Otros 3 1

Muros circundantes

Los muros circundantes o protección especialmente en el lado del talud

Muro alto fuerte 1 0.33 Muro medio 2 0.66 Sin o muro bajo 3 1

Fachada al talud

Descripción de la parte del edificio de frente al talud

Solo muros 1 0.33 Ventanas pequeñas 2 0.66 Ventanas Grandes 3 1

Advertencias La presencia de signos de alerta de deslizamientos

No 2 0.5 Si 1 1

Pisos Más de un piso 1 0.5 Un piso 2 1

Finalmente la vulnerabilidad de una edificación se evalúa como:

Donde a, b, c, d, e son los puntajes estandarizados, correspondientes. Siguiendo este marco, es posible generar un mapa de vulnerabilidad como el mostrado en la Figura 4-7, para Lichtenstein (Alemania), donde se observa que no existen grupos de edificios vulnerables, pero hay edificios de alta vulnerabilidad dispersos al azar. Kaynia et al (2008), Uzielli et al. (2008, utilizan un método basado en escenarios e introducen una metodología de estimación probabilística de la vulnerabilidad ante deslizamientos. Esta se basa en la llamada Aproximación de Primer Orden del Segundo Momento (the First-Order Second-Moment (FOSM) approach), que permite la cuantificación de la incertidumbre de los parámetros de entrada hasta las estimaciones de vulnerabilidad para las categorías susceptibles de estructuras y las personas en las áreas de estudio, finalmente cuantifican las incertidumbres. Se basan en la definición de vulnerabilidad (según el ISSMGE) como función del producto entre la intensidad del deslizamiento y la susceptibilidad del elemento en riesgo,

. La susceptibilidad de una estructura cuantificada como su capacidad de resistencia física a la acción del deslizamiento, depende principalmente de las características técnicas de la estructura y su estado de mantenimiento. Para el primero se proponen 6 tipos de estructuras en términos de vulnerabilidad ante deslizamientos, según lo propuesto por Heinimann (1999), valores esperados y coeficientes de variación


(COVs) del factor de susceptibilidad de tipología estructural - sugeridos en base a la evaluación cualitativa de la resistencia de la estructura (ver Tabla 4-18). En cuanto al factor de susceptibilidad por estado de mantenimiento - , el cual es un factor de reducción respecto a la máxima capacidad esperada, se tienen los valores esperados y COVs presentados en la Tabla 4-19, los cuales son asignados de manera cualitativa. Figura 4-7: Zonas de susceptibilidad a deslizamientos y vulnerabilidad espacial de edificaciones, en Lichtenstein (Alemania). (Adaptada de Papathoma-Kohle et al. 2007).

La susceptibilidad estructural es calculada como: Tabla 4-18: Valores propuestos del factor de susceptibilidad de tipología estructural -

(Adaptada de Kaynia et al.,2008, Uzielli et al., 2008) Tipología estructural Resistencia

Más ligeras, estructuras simples Ninguna 1.00 0.10 Estructuras ligeras Muy baja 0.90 0.20 Mampostería de roca, concreto y madera Baja 0.70 0.25 Mampostería de ladrillo, estructuras de concreto Media 0.50 0.25 Estructuras de concreto reforzado Alta 0.30 0.20 Estructuras reforzadas Muy alta 0.10 0.10

Antecedentes 71

Tabla 4-19: Valores propuestos del factor de susceptibilidad de estado de mantenimiento (Adaptada de Kaynia et al.,2008, Uzielli et al., 2008)

Estado de mantenimiento Muy pobre 0.50 0.10 Pobre 0.40 0.20 Medio 0.25 0.30 Bueno 0.10 0.20 Muy bueno 0.00 0.10

Petrucci y Gullà (2009), refieren como el análisis de datos que describen daños causados por movimientos en masa en Calabria (Italia) permitió la organización del Support Analysis Framework - SAF, una hoja de cálculo utilizada para valorar los daños causados por movimientos en masa, la cual convierte las descripciones de los daños en índices numéricos que expresan los daños directos, indirectos e intangibles. Se basa en los efectos sobre los elementos dañados y es independiente de las características de físicas y geométricas del proceso. Mediante el análisis de bases de datos, se creó inicialmente un formulario orientado en los daños directos, utilizado para evaluar los efectos inducidos por movimientos en masa e inundaciones. Este formulario se basa en el concepto que el daño es el producto del valor del elemento dañado y del nivel de pérdida sufrido (Varnes, 1984). Posteriormente este fue reorganizado para incluir la evaluación de los daños indirectos e intangibles. Los tres tipos de daños en el SAF se expresan a través de secciones marcadas con letras. La sección A de identificación, las otras secciones (de B a L), se componen de una serie de líneas, cada una calcula los daños a un elemento específico. El segmento del SAF para evaluación de Daños Directos (secciones B a G, B: Edificios, C: Carreteras, D: Ferrocarriles, E: Actividades productivas, F: Redes de servicios y G: Las personas) es dividido en dos partes: los elementos y los niveles de pérdidas. Cada elemento se caracteriza por un valor fijo en base a una escala arbitraria y los cuatro niveles de pérdida se clasifican como: L4 (1): pérdida total, L3 (0.75): pérdida alta; L2 (0.5): pérdida media; L1 (0.25): pérdida baja. Para una línea genérica l, el SAF multiplica el valor del elemento dañado por su nivel de pérdida, obteniendo dl, la contribución de la línea a los daños. En la Sección B: Edificios, el nivel de pérdida se define así: L4 - edificio colapsado, L3 - edificio inutilizable debido a los daños estructurales, L2 - edificio inutilizable debido a la pérdida de funcionalidad, y L1 - edificio habitable con daño ligero. Evaluación de los índices de daño: el Daño de la Sección i (DSi) es: Donde: dl es la contribución de daño de cada línea n de la sección i. El máximo valor de DSi (MaxDSi) es calculado con el supuesto que todos los elementos de la lista sufren el máximo nivel de pérdida.


El Daño Normalizado de la Sección i (NDSi), se calcula como:

Para obtener el Índice de Daño de la Sección i (IDSi), los valores de NDSi se clasifican así: D4: daño muy alto (1<D4≤0.75), D3: daño alto (0.75<D3≤0.5); D2: daño medio (0.5<D2≤0.25); o D1: daño Bajo (D1<0.25).

El Daño Directo Normalizado (N.DI.D) se obtiene:

Donde: 32.5 es el valor máximo valor de NDSi obtenido sumando el DSi, de todas las secciones de daño directo (B a G). El valor de N.DI.D es convertido en un Índice de Daño Directo (I.DI.D) clasificándolo dentro de las cuatro clases descritas (D4, D3, D2 o D1). Para cada municipalidad, pueden definir una versión de SAF, llamado SAFL. Donde en las secciones de daños directos, sólo se introducen los elementos presentes en la municipalidad analizada. Así, el "peso" de estos elementos se incrementa. Se evaluaron los daños causados por tres deslizamientos ocurridos en Calabria utilizando el SAF y el SAFL, y se comparan los resultados en la Figura 4-8, Arriba: evaluación de índices de daños directos, indirectos, intangibles y totales para los tres casos de estudio. Abajo: los índices de daño para la sección de daños directos. Figura 4-8: Evaluación de los índices de daño usando SAF y SAFL para los tres casos de estudio. (Tomada de Petrucci y Gullà 2009).

Antecedentes 73

Das et al. (2010), en este estudio evalúan la vulnerabilidad espacio-temporal de los elementos en riesgo por deslizamientos en un marco estocástico, se basa en tres elementos espacio-temporales en riesgo, que incluyen las edificaciones, las personas dentro de edificios y el tráfico. El estudio se llevo a cabo en un corredor de vía del norte del Himalaya, en India, altamente susceptible de deslizamientos. Dos tipos de datos fueron recolectados: datos primarios basados de entrevistas personales con la población local y los datos secundarios obtenidos de las oficinas gubernamentales. La vulnerabilidad de las edificaciones es el daño esperado y la probabilidad depende de la posición de la edificación respecto al deslizamiento en un momento dado. Para calcular la vulnerabilidad, el área de estudio se dividió celdas 100 × 100 m con el supuesto que un único evento de deslizamientos no exceda un área mayor que 0.01 km2

Figura 4-9

. La mayoría de las celdas (51%) que contienen edificaciones presentan una vulnerabilidad baja (0.0 a 0.25), moderada (0.25-0.5) un 23%, alta (0.5-0.75) el 12%, y muy alta (0.75-1.0) el 14 %. Los valores obtenidos se utilizaron para generar el mapa de vulnerabilidad de edificaciones mostrado en la . Concluyen que la vulnerabilidad de un elemento de riesgo por deslizamientos es un evento de espacio y tiempo, y se puede cuantificar mediante modelos estocásticos, los cuales constituyen la base de un análisis cuantitativo de riesgo por deslizamientos Figura 4-9: Mapa de vulnerabilidad para edificaciones (Tomada de Das et al., 2010)

4.1.3 Modelos Cuantitativos Kelman, Ilan (2002), se enfoca a manejar la vulnerabilidad física por inundaciones de edificaciones en las zonas costeras, en el este de Inglaterra. Este estudio examina la presión lateral de profundidades diferenciales de flujo entre el interior y exterior de una residencia y velocidad de flujo. Presenta algunos estudios donde se estiman y analizan los daños por inundaciones y pérdidas de propiedades.


En este documento Kelman presenta una propuesta para la evaluación de la vulnerabilidad física de residencias por inundaciones en zonas costeras, para determinar el mpacto en las viviendas, se determinaron unos sitios de estudio y en campo determinaron características determinantes de la vulnerabilidad por inundaciones. Se enfoca establecer las presiones diferenciales que podrían causar daños y el análisis de fallas en ventanas y muros. Esta metodología trabaja con las fuerzas hidrostáticas e hidrodinámicas y las convierte en prismas de presiones en los muro de la edificación. Se evalúa el daño en la estructura teniendo en cuenta las características de las acciones que un flujo impone sobre una edificación: la presión hidrostática impuesta por la diferencia de alturas entre el nivel de agua interno y externo de la vivienda (fdiff), la presión hidrodinámica impuesta por la velocidad del flujo, la erosión, el empuje, la acción de los sólidos suspendidos y la acción de agentes no físicos (agentes químicos, nucleares o biológicos), con lo cual también tiene en cuenta el daño de la estructura debido al contacto con el agua. Como componentes de la vivienda se denominan pisos, puertas, paredes, ventanas, techos, azoteas. Las observaciones y cálculos fueron aplicados para desarrollar perfiles de Vulnerabilidad: “matrices de vulnerabilidad” bidimensionales con la profundidad de flujo diferencial a lo largo de un eje, velocidad de flujo a lo largo de otro eje, y las celdas de la matriz despliegan un resultado de daño, como el presentado en la Tabla 4-20. Tabla 4-20: Perfil de Vulnerabilidad para edificaciones con A= 38 m2

Donde: A= área en planta de la edificación, j:= número de pisos o niveles.

y j= 1 (Tomada de Kelman, 2002).

Kelman desarrolló una escala de daño para inundaciones (ver Tabla 4-21), que define una frontera entre falla y no-falla (con daño): DS0 representa no daño (y no-falla), DS1 y DS2 representan daño pero no-falla, DS3 representa la transición de no-falla a la falla y DS4 y DS5 representan la falla estructural.

Antecedentes 75

Tabla 4-21: Escala de daño para inundaciones con variables dependientes (Tomada de Kelman, 2002). Escala de daño (DS) Interacción del agua con la estructura

DS0 No hay agua en contacto con la estructura. DS1 El agua se pone en contacto con la estructura por fuera pero no entra.

DS2 El agua infiltra (gotea en a través de las aberturas pequeñas) o se dañan características externas por agua o los detritos.

DS3 Agua o detritos penetran a través de una abertura cerrada o abierta (probablemente rompiendo la abertura); por ejemplo, una ventana o una puerta.

DS4 Agua o detritos penetran a través rutas no incluidas como aberturas (es atacada la integridad estructural); por ejemplo, una pared o tejado.

DS5 La estructura es dañada más allá de la reparación; por ejemplo, las paredes colapsan o la estructura se mueve.

Keiler et al. (2006), este estudio presenta una evaluación del riesgo multi-temporal por avalanchas en el municipio de Galtür, Austria. Valores de los edificios en términos monetarios se calculan utilizando el volumen de los edificios y los precios medios por metro cúbico. Se utilizó una función de vulnerabilidad que depende de la presión de la avalancha para evaluar el grado de pérdida, para diferentes tipos de construcciones. Para conocer el grado de daño y deducirse las pérdidas específicas de los edificios, la función de vulnerabilidad fue analizada para cinco rangos de presión de impacto. Se utilizaron en este estudio las funciones de vulnerabilidad para diferentes tipos de construcción (categorías de construcción) relacionados con la presión de la avalancha (en kPa), como se indica en Wilhelm (1997). Wilhelm (1997) introduce cuatro límites de vulnerabilidad: (ver Figura 4-10): Nivel de daño general (pu) corresponde a una presión de la avalancha de 2-3 kPa y

causa daños como ventanas y puertas destruidas (estimados en 3%). Nivel de daño específico (pui) es la consecuencia de una presión de impacto de la

avalancha que causa daños en la estructura del edificio. Para cada categoría de edificio hay un nivel diferente de daño específico.

Nivel de destrucción (poi) describe la presión de la avalancha que pueden producir las máximas perdidas dentro de cada categoría de edificios.

Límite (pai) que define el nivel de presión para producir un 50% de daño en la estructura, este nivel se toma como el límite por encima del cual se debe demoler y reconstruir la estructura.

Fuchs, et al. (2007), Fuchs, (2008), presentan una recopilación de diferentes sugerencias relacionadas con la evaluación de la vulnerabilidad de elementos estructurales, para los flujos de detritos.


Figura 4-10: .Relación entre presión de impacto de la avalancha y vulnerabilidad de edificios para diferentes tipos de estructuras (Tomada de Keiler et al., 2006).

Tipos de estructuras: (1) construcciones ligeras, (2) construcciones mixtas, (3) construcciones masivas,

(4) construcciones en concreto reforzado, (5) construcciones reforzadas. Valores límite: pu = nivel de daño general, pui = nivel de daño específico, pai = nivel de destrucción, pai = límite por encima del cual

se debe demoler y reconstruir la estructura, p = presión de avalancha Establecen una relación entre las intensidades del proceso y la vulnerabilidad. Para esto se usan datos de eventos de flujos de detritos bien documentados en los Alpes Austríacos, para analizar empíricamente y derivar una función de vulnerabilidad cuantitativa aplicable a las edificaciones localizadas en los abanicos del torrente. El análisis está basado en las intensidades de los procesos independiente de los intervalos de recurrencia, así puede calcularse el riesgo para eventos con frecuencias diferentes. La vulnerabilidad se derivó del cociente entre la pérdida y el valor de la reintegración individual por cada elemento. A esta proporción obtenida para cada edificio se atribuyeron intensidades del evento. Como resultado, una función de vulnerabilidad fue desarrollada, en la Figura 4-11 se presenta la relación entre la intensidad de los flujos de detritos x y la vulnerabilidad y expresada por una función polinomial de segundo orden para x<2.5 m. Los resultados de este estudio son indicados por los puntos negros, la vulnerabilidad media correspondiente se indica por los puntos rojos. Universidad Nacional de Colombia (2008), en el proyecto “Análisis e Investigación de Procesos de Flujo de Detritos como Eventos Generadores de Riesgo en la Cuenca Alta del Río San Cristóbal”, se evalua la vulnerabilidad física de las estructuras a partir de las derivas causadas por las presiones de los flujos, las cuales se determinan a partir de una presión estática y una presión hidrodinámica, halladas por medio de la metodología planteada por Kelman (2002) y a partir de la modelación de respuesta estructural, utilizando el software ETABS, como se presenta en la Figura 4-12.

Antecedentes 77

Figura 4-11: Relación entre la intensidad de los flujos de detritos x y la vulnerabilidad y. (Tomada de Fuchs, et al. 2007)

Figura 4-12: Ejemplo de la modelación de estructura de dos pisos en mampostería, típica en la zona de estudio (Universidad Nacional, 2008).

Las presiones se relacionan con una altura de flujo, para esto se toman intervalos de presión, y cada una de las presiones se aplican a las viviendas para obtener una relación entre las presiones aplicadas con las deflexiones obtenidas en la vivienda. Luego a través de curvas de deriva contra niveles de daño planteada por Sánchez Silva (1992), utilisadas para el análisis de amenaza sísmica se determinó el porcentaje de daño esperado para los diferentes niveles de los parámetros hidráulicos analizados. Se obtienen dos tipos de gráficas, como las mostradas en la Figura 4-13 la primera (izquierda) relaciona presión, altura de lámina de agua y deriva, y la segunda (derecha) relaciona deriva y nivel de daño. Esto se evaluó para cada tipo de estructura. Finalmente de las curvas de daño y el periodo se establecen los intervalos en los cuales se da el porcentaje de daño, esto va cambiando dependiendo del tipo y periodo de cada


estructura. En la Figura 4-14 se muestra la curva de vulnerabilidad obtenida a partir de este análisis, la cual se compara con la curva propuesta por Fuchs et al. (2007). Figura 4-13: Determinación de los niveles de daño para edificaciones por flujos de detritos (Universidad Nacional, 2008).

Figura 4-14: Curva de vulnerabilidad para estructuras en mampostería, obtenida a partir de modelación de respuesta estructural (Universidad Nacional, 2008).

Pascale et al. (2010), en este trabajo presentan un modelo numérico integrado para la evaluación de la vulnerabilidad en zonas urbanizadas propensas a deslizamientos, definido como vulnerabilidad sistémica. En el modelo propuesto se considera la vulnerabilidad no como algo propio de un elemento particular en riesgo, sino como una característica de un complejo sistema territorial, en el que los elementos son mutuamente vinculados de una manera funcional. Es un índice de la tendencia de un elemento territorial a sufrir un daño, debido a sus interconexiones con otros elementos del sistema territorial. Se utiliza una red porque ofrece la posibilidad de entender y codificar la dependencia condicional entre los elementos del sistema sin insertar aspectos probabilísticos.

Antecedentes 79

El modelo fue desarrollado dentro de un sistema de información geográfica (SIG), de tal forma que se representan los elementos u objetos que componen el territorio y que sea de fácil actualización. La evaluación de la vulnerabilidad sistémica requiere de tres fases: Fase 1 - Caracterización del sistema: se compone de tres fases: (i) la caracterización de la red, con la identificación de sus componentes y sus conexiones e interacciones, (ii) evaluación de los escenarios en términos de amenaza espacial de deslizamiento y (iii) superposición cartográfica de la información. Fase 2 – El análisis de las consecuencias directas de un evento en el sistema: en esta fase, los elementos que podrían estar directamente involucrados en un posible evento se consideran en cada nodo, y se obtienen una curva de vulnerabilidad inherente (ver Figura 4-15). Fase 3 – Análisis de vulnerabilidad sistémica: se realiza la definición del modelo de evaluación de vulnerabilidad sistémica en las zonas propensas a deslizamientos. Después de esto, un índice global del sistema se obtiene, definido como el valor promedio de la integridad funcional de todos los elementos considerados. Figura 4-15: Curva de vulnerabilidad para diferentes tipos de elementos en riesgo. Las categorías A, B y C son conjuntos de elementos de riesgo con diferentes características físicas, sociales y económicas (Tomada de Pascale et al., 2010).

El modelo propuesto se aplicó con éxito en el territorio de Potenza (Basilicata, sur de Italia), una región del mediterráneo en riesgo debido a los eventos geomorfológicos de gran magnitud. La red que representa el sistema territorial cuenta con 18830 elementos, el escenario de deslizamientos considerado consiste en la localidad "Varco d'Izzo" en el distrito de Potenza. La Tabla 4-22 muestra los valores de la vulnerabilidad física y la funcionalidad intrínseca calculados para algunos elementos del estudio.


Tabla 4-22: Vulnerabilidad física y funcionalidad intrínseca de algunos elementos característicos del estudio. (Adaptada de Pascale et al., 2010). Tipo Categoría Vulnerabilidad física Funcionalidad intrínseca Carreteras A 0.89 0.99 Barrio residencial o zonas censadas B 0.74 0.98 Bertrand et al. (2010), evalúan la vulnerabilidad física a partir de simulaciones numéricas de muros de concreto reforzado cargadas por avalanchas de nieve. Definen la avalancha de nieve como un flujo rápido de masa, que involucra una capa de nieve heterogénea hecha de varios niveles de diferentes propiedades mecánicas y geométricas. Utilizan la simulación numérica porque permiten estudiar el comportamiento de la estructura y controlar de forma precisa los parámetros que intervienen en el sistema (geometría, carga, materiales, etc.). Se consideró una estructura de referencia la cual se modela en 3-D por el método de elementos finitos (MEF), y se realizaron varias simulaciones de os muros considerados. Las simulaciones permiten establecer la vulnerabilidad en función de la presión de impacto y las características de la estructura, en la Figura 4-16, se resumen los distintos pasos necesarios para obtener una curva de vulnerabilidad. Se analiza la influencia de las características geométricas de la estructura, la resistencia a compresión del concreto, la densidad del acero del material compuesto y la presión máxima de impacto en el índice de daño. Figura 4-16: Metodología para obtener curvas de vulnerabilidad de las estructuras de concreto (Tomada de Bertrand et al., 2010).

El índice de daño global (ID) se define como la relación , donde es el

desplazamiento último antes del colapso, el cual es obtenido a través una prueba Pushover, y a partir de explorar el comportamiento de la estructura sometida a varios niveles de presión. Cuatro parámetros estructurales se tienen en cuenta en la derivación función de vulnerabilidad: la densidad del acero dentro del concreto ( ), la resistencia a la compresión del concreto ( , el ancho de la pared (L) y su espesor (e). Donde, la relación de vulnerabilidad para la estructura de concreto reforzado está dada por:

Antecedentes 81

La presión máxima (Pmax) varia de 1 kPa a 200 kPa para investigar el potencial daño (ver Figura 4-17). Al final de las simulaciones, el es obtenido y se calcula el índice de daño (ID). ID hace posible cuantificar la vulnerabilidad de la estructura. Todas las curvas de vulnerabilidad se grafican como líneas de contorno de isovalores de ID (Figura 4-18). En todas las figuras, la línea negra representa la primera fluencia de la barra de acero, la línea verde corresponde a la primera grieta en el interior del concreto y la línea roja muestra máxima esfuerzo de compresión admisible en el interior del concreto. Figura 4-17: Distribución de la deformación de compresión máxima para diferentes presiones (Pmax), en los muros de referencia (Tomada de Bertrand et al., 2010).

Figura 4-18: Función de la vulnerabilidad (ID) obtenidos para varios valores de: (a) resistencia a la compresión del concreto ( , (b) densidad del acero dentro del concreto ( ), (c) ancho de la pared (L) y (d) su espesor (e). (Tomada de Bertrand et al., 2010).

(a)

(b)

(c)

(d)


Mavrouli y Corominas (2010a) presentan un procedimiento para la evaluación de los factores que determinan la vulnerabilidad de la edificaciones y la respuesta de las edificaciones de concreto reforzado ante el impacto de rocas. El método planteado considera que una roca golpea en la base de las columnas, e incluye cuatro pasos:

(a) Cálculo de la probabilidad que una roca impacte en un miembro del sistema de carga (columna), teniendo en cuenta el tamaño del bloque y el diseño de la estructura.

(b) Evaluación de la respuesta de uno o más elementos estructurales al impacto, basado en su capacidad. Si la masa de roca tiene la energía cinética inicial (Ek), una fracción de esta energía se transmite a la estructura y es disipada por la columna.

(c) En caso de falla del elemento estructural, se avalúa la robustez de todo el sistema estructural, calculando el potencial de colapso progresivo. Se evalúa la falla de los elementos con los momentos y fuerzas internas. En los casos en que las columnas o vigas los nudos adyacentes son cargados con las cargas del miembro eliminado. El análisis se repite para el modelo modificado, y termina cuando no hay otras secciones en falla, lo que indica que la estructura ha alcanzado un nuevo estado de equilibrio. Para el análisis y diseño, se utilizaron el método de elementos finitos y el software de SAP 2000, v10. El modelo de elementos finitos se presenta en la Figura 4-19: Modelo de elementos finitos de la edificación (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010a).

.

(d) Se calcula un índice de daño (ID), para indicar la extensión del daño. Proponen un índice de daño DI que tiene un significado físico, estructural y varía de 0 (sin daño) a 1 (daño total). Es dado por.

DI = Número de elementos fallados Número total de elementos

El método propuesto es aplicado a un edificio de concreto reforzado para una serie de rutas e intensidades de caída de rocas, diversas energías de impacto suficiente para el colapso de una o más columnas. Se consideran 16 escenarios básicos representativos de las combinaciones posibles de la trayectoria de la roca (indicada con una flecha), donde nivel de energía cinética Ek es suficiente para destruir las columnas marcadas en rojo en la Figura 4-20. El rango de daños posibles es muy variable, con valores desde DI 0.01 hasta 1 en función de la localización del impacto y la velocidad del bloque.

Antecedentes 83

La capacidad de impacto calculado de una columna es de 14 kJ. Las curvas de falla desarrolladas para esta capacidad se presentan en la Figura 4-21. Figura 4-19: Modelo de elementos finitos de la edificación (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010a).

Figura 4-20: Escenarios de amenaza (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010a).

El estado final del sistema estructural para algunos escenarios se muestra en la Figura 4-22. Los resultados indican que para la misma energía cinética, los daños varían significativamente de acuerdo a la ruta de caída de la roca y el lugar de impacto. Figura 4-21: Propiedades del impacto suficiente para colapsar una a cuatro columnas (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010a).


Figura 4-22: Estado final del sistema estructural e DI para cada escenario. (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010a).

Mavrouli y Corominas (2010b), presentan una metodología para la evaluación analítica de la vulnerabilidad, implementando el procedimiento desarrollado por Mavrouli y Corominas (2010a) para el análisis del comportamiento estructural de edificios de concreto reforzado sometidos al impacto de caída de rocas. La vulnerabilidad es calculada como la sumatoria de los productos de la probabilidad que un bloque impacte en cada uno de los elementos de la construcción causando un daño. Además, para el cálculo de la vulnerabilidad en términos monetarios, la cantidad de daño se correlaciona con los costos de la recuperación de la edificación. El resultado es una vulnerabilidad ponderada entre 0 y 1 que expresa la perdida esperada debida al impacto de un bloque de roca de una cierta magnitud y velocidad. Para evaluar en términos cuantitativos se define una función que correlaciona ambos parámetros con la probabilidad de excedencia de un cierto nivel de respuesta o daño. Considerando la importancia de los miembros impactados, las perdidas pueden ser clasificadas dependiendo del tipo de los elementos afectados y dañados:

Elementos estructurales primarios (columnas y vigas) Elementos estructurales secundarios (losas) Elementos primarios no estructurales (muros de relleno y techos)

La localización de un punto de impacto único puede conducir a la inestabilidad de toda la estructura si afecta columnas y/o vigas. En cambio el impacto en elementos secundarios no es crucial para la estabilidad del sistema. Proponen cuatro estados de daño: Daños no estructurales: el impacto causa destrucción de elementos primarios no

estructurales. Daños locales: el impacto causa la destrucción de elementos primarios estructurales

sin daños importantes. Colapso Parcial: el impacto causa la destrucción de elementos estructurales primarios,

cuya pérdida inicia un colapso progresivo de la estructura, hasta de un 30% de la construcción.

Antecedentes 85

Colapso total: el impacto causa la destrucción de los elementos primarios estructurales, cuya pérdida inicia en forma progresiva, que conlleva a una pérdida superior al 30% de la construcción.

En esta metodología se establecen dos parámetros en la evaluación analítica de daños: Índice de daño (DI): usado para expresar la cantidad de daño, y está definido como:

DI = Número de elementos estructurales primarios que fallan Número total de elementos primarios que componen la estructura

Costo relativo de reparación (RRC): es un índice que refleja la pérdida económica, y viene dada por:

RRC = Costo de recuperación de la construcción Valor de la construcción

Se tomaron tres localizaciones de impacto, columna lateral, columna central y pared. Los daños estructurales se clasifican en cuatro estados (ver Tabla 4-23). En esta metodología se presentan varias curvas de fragilidad, con base en diferentes intensidades, magnitudes y utilizando la correlación entre el DI y el RRC, donde el RRC se evalúa entre 0-0.2 para los daños locales, 0.2-0.5 para el colapso parcial y 1 para el colapso total. La función de correlación entre la RRC y DI se muestra en la Figura 4-23. En la metodología propuesta se selecciona un umbral del 30% para la reconstrucción total de la estructura. Tabla 4-23: Estados de daño (Adaptada de Mavrouli y Corominas, 2010b).

Nivel de daño Ek (kJ) Límites Descripción de daño 1 Ek 14 kJ m 250 kg No estructural 2 14 kJ < Ek 28 kJ 0.0 < DI < 0.05 Estructural local 3 14 kJ < Ek 28 kJ 0.05 < DI < 0.3 Colapso parcial 4 Ek > 28 kJ DI 0.3 Colapso extenso o total

Figura 4-23: Correlación del CRR (Costo relativo de reparación) con el DI (Índice de daño). (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010b).


Debido a que la vulnerabilidad estructural se expresa con respecto al estado de daño, se asume una escala de referencia similar al del índice de vulnerabilidad, ver Tabla 4-24. Un algoritmo fue desarrollado para el cálculo de la probabilidad de cada estado de daño, los resultados para cada diámetro de roca como se muestran en la Figura 4-24 Tabla 4-24: Niveles de daño para las curvas de fragilidad. (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010b) Nivel de daño Descripción de daño Bajo No estructural (para impacto en un muro) Moderado Estructural local (para impacto y daño en una columna central) Alto Colapso parcial (para impacto y daño en una columna central)

Muy alto Colapso extenso o total (para impacto y daño en dos o más columnas laterales y centrales)

Figura 4-24: Curvas de fragilidad para diferentes velocidades de la roca (Tomada de Mavrouli y Corominas, 2010b).

Antecedentes 87

Negulescu y Foerster (2010), proponen una metodología simplificada para evaluar el comportamiento mecánico de edificaciones expuestas ante la amenaza de deslizamiento, utilizando los procedimientos inspirados en el análisis de riesgo sísmico. Presentan la evaluación de la vulnerabilidad de un marco de un piso de concreto reforzado (RC), sometido a los asentamientos diferenciales, mediante la imposición de un desplazamiento estático, por medio de un análisis 2-D paramétrico no lineal estático. En la Figura 4-25 se muestra una vista esquemática de la estructura y las cargas consideradas en el análisis, con desplazamientos aplicados en el plano de la estructura. En estos análisis se supone un asentamiento diferencial transmitido directamente al edificio, sin tener en cuenta la interacción suelo – estructura, lo cual es representado por el desplazamiento en la base de la columna. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando el software SeismoStruct (SeismoSoft, 2003). Figura 4-25: Marco de concreto reforzado y desplazamientos considerados para el análisis, así como las secciones consideradas (Tomada de Negulescu y Foerster, 2010).

Se realizan estudios paramétricos modificando varias características del modelo, para identificar los parámetros que gobiernan el comportamiento de la estructura y definir los más relevantes para predecir el daño estructural. Los parámetros evaluados son: el tipo de cimentación, la geometría de la sección transversal, el grado sección de refuerzo, la magnitud del desplazamiento (de 15 a 45 cm, incrementando en 10 cm) y los ángulos de inclinación del desplazamiento (desde 0°- desplazamiento horizontal hasta 150°, con incrementos de 15°). Para el refuerzo, en una sección el daño se produce cuando el esfuerzo a tracción es mayor que el valor límite de fluencia fy = 400MPa, y para el concreto cuando el valor absoluto del esfuerzo de compresión calculado es mayor que el valor límite fc = 21MPa. Concluyen que el desplazamiento es el parámetro clave, donde el ángulo de inclinación y magnitud de los desplazamientos puede ser utilizado para establecer la intensidad de los daños inducidos en la estructura para este tipo de escenario de deslizamientos.


Estos resultados obtenidos de los efectos de cada parámetro en términos de esfuerzos de fluencia y deformaciones, permiten construir algunas las curvas analíticas de fragilidad preliminares con respecto a la magnitud del desplazamiento del terreno diferencial. Los niveles de daños estructurales propuestos consideran los límites deformación local basados en los valores permisibles de deformación del materiales (concreto y acero), según lo propuesto por Bird et al. (2005), los estados limites de deformación considerados en este estudio se presentan en la Tabla 4-25. Tabla 4-25: Estados límite de deformaciones propuestos en este análisis, para el acero de refuerzo y concretos. (Adaptada de Negulescu y Foerster, 2010).

Estado Limite

Definición de daño

Deformaciones Límite Acero Concreto

LS1 Ligero 0.002 0.002 LS2 Moderado 0.015 0.004 LS3 Extensivo 0.04 >0.006 LS4 Completo 0.06 --

Se obtienen las curvas presentadas en la Figura 4-26, donde cada curva da la probabilidad condicional de excedencia de un estado límite o nivel de daño específico (LS1 para deformación de fluencia límite; LS2 de LS4 para los estados límite post-fluencia), en un rango de intensidad de movimiento del terreno (asentamientos diferenciales). Figura 4-26: Curvas de fragilidad obtenidas para el marco de concreto reforzado, considerando cuatro estados límite el daño: leve (LS1), moderada (LS2), extensa (LS3) y Completo (LS4). (Tomada de Negulescu y Foerster, 2010).

tabla 3-1: intensidad del deslizamiento, para (adaptado de

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