X CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS VALENCIA, 13-15 Septiembre, 2006

EL DISEÑO SISMO-RESISTENTE DE UNA UNIDAD MEDICA FAMILIAR, CON ADOBE

M. N. Suárez Sánchez (p), J. Lloveras Macià

Abstract

What it is exposed in this paper, is a seismic behavior analysis for the traditional adobe buildings. A characterization is made of the damages due to the operating forces in the different planes, and it concludes with the definition of the structural design requirements wich are necessary for the seismic resistance applied to an “Unidad Medica Familiar (UMF)” or Primary Attention Center project.

Adobe buildings, apparently lack elasticity. This makes them vulnerable in the corners because they don´t resist to the sharp efforts that operate in those unions. A non compact volume, an irregular plant shape and the lack of bracing are some of the main causes of the collapse, in addition to the inappropiate connection among the thickness, the height and the length of the walls.

In this solution, bamboo canes (reed) are used as a reinforcement into the walls to increase ductility and tensile strenght.

The project is in Huajuapan of Leon, Oax. on the coast of the Mexican Pacific Ocean. This zone is characterized to register earthquakes over 7 degrees in the Ritcher scale and it is located at the C seismic zone.

Key words: Adobe buildings, Seismic Resistance, Design

Resumen

Lo que se expone en este artículo, es un análisis del comportamiento ante los sismos de las edificaciones de adobe tradicionales y se hace una caracterización de los daños debidos a las fuerzas actuantes en los diferentes planos para concluir con la definición de los requerimientos de diseño necesarios para la sismorresistencia aplicados al proyecto de una Unidad Médica Familiar (UMF) o Centro de Atención Primaria.

El adobe, aparentemente carece de elasticidad. Esto lo hace vulnerable en las esquinas al no resistir a los esfuerzos cortantes que tienen lugar en esas uniones. Una forma irregular y poco compacta y la falta de arriostramiento son algunas de las principales causas del colapso, además de las relaciones inadecuadas entre el espesor, la altura y la longitud de los muros.

En esta solución, se propone el uso de cañas de bambú (carrizo) como refuerzo en los muros para aumentar su ductilidad y resistencia a la tracción.

El proyecto está localizado en Huajuapan de Leon, Oax. en la costa del Pacífico Mexicano. Esta zona se caracteriza por registrar sismos de más de 7 grados en la escala de Ritcher y se encuentra en la zona sísmica C.

Palabras clave: Construcciones de Adobe, Sismo-resistencia, Diseño

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1. Introducción

Este trabajo surge de la necesidad de diseñar y construir una Unidad Médica Familiar (UMF) con un material saludable, sostenible, económico, con cualidades bioclimáticas y que además tenga propiedades mecánicas sismorresistentes. En la región sur de México, en la costa del Pacífico se registran terremotos de intensidades que alcanzan los 7.4 º en la escala de Ritcher y son la causa de numerosas pérdidas humanas y materiales, sobre todo en zonas marginales.

El adobe es el material más asequible para los habitantes de estas zonas y ha sido usado en la construcción tradicional desde hace siglos; sin embargo, los principales elementos sismorresistentes de las construcciones de tierra, sus muros, tienen características negativas desde el punto de vista de la seguridad sísmica por carecer de elasticidad aparente.

Para el diseño sismorresistente de esta UMF, se observaron los efectos de los sismos en las viviendas de adobe de la región sur de México, Centroamérica y Perú. Se ha analizado el sistema constructivo tradicional y las propiedades mecánicas del material para identificar las causas de los principales daños y el colapso y diseñar con tecnología apropiada y apropiable.

2. Causas del Colapso por sismo

La ductilidad es la capacidad de una estructura de sufrir deformaciones sin romperse. Las contrucciones de adobe, de muros demasiado largos o delgados, ante un sismo de mediana intensidad se derrumban fácilmente, porque este material aparentemente, no posee esta propiedad.

Según el Dr. Grohmann, de la Universidad de Kassel en Alemania, el riesgo del colapso se puede establecer con la ecuación siguiente:

Calidad del comportamiento= Resistencia x Ductilidad (1)

De acuerdo con esta relación, donde la calidad del comportamiento seria un valor constante, una estructura debe tener por ejemplo, una gran resistencia y una baja ductilidad, o una resistencia baja y una alta ductilidad, o puede tener valores medianos en ambos. Todas estas soluciones posibles tienen probabilidades similares de resistir sismos de gran intensidad sin colapsar. Así, cuanto menor la resistencia, mayor es la ductilidad necesaria y cuanto menor la ductilidad, mayor la resistencia requerida.

La primera solución posible consiste en construir una estructura con una resistencia tan alta que resista el sismo sin deformación plástica. De esta manera no es necesaria la ductilidad y por tanto no se requiere capacidad de deformación de la estructura. Esta solución es generalemente poco económica, debido a que exige grandes esfuerzos para la resistencia. Ejemplo de esto son las residencias de tapial con muros de mas de 60 cm de grosos que resistieron sismos durante siglos.

Considerando que los sismos de gran intensidad no son comunes, se pueden aceptar deformaciones plásticas de la estructura si no se produce un colapso. Frecuentemente se escoge una solución con una estructura de resistencia intermedia. Con ello, la intensidad de diseño causará solamente deformaciones plásticas moderadas y el requerimiento de ductilidad se mantiene relativamente bajo. Para sismos de mayor intensidad todavía quedan reservas plásticas suficientes que impiden el colapso, aunque con grandes deformaciones y daños. Para ello hay que cubrir los requerimientos de ductilidad con un dimensionamiento y diseño adecuados [1].

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Para conocer las causas del colapso de las construcciones de adobe, se hace necesario definir cuáles son los tipos de falla que se producen y en qué condiciones se presentan. Torrealva [2] los caracteriza de la siguiente manera:

1. Falla de los muros por volteo fuera del plano

2. Falla de los muros debida a fuerza horizontal en su propio plano o coplanar

3. Falla de las esquinas por combinación de fuerzas en ambos planos

La falla que se presenta primero y por lo tanto a menores niveles de intensidad sísmica es la falla por volteo fuera del plano. Cuando este tipo de falla se controla, se producen -a un mayor nivel de intensidad sísmica- las grietas debidas a la fuerza horizontal coplanar, las cuales dependiendo de la duración del sismo y de la esbeltez de los muros pueden causar el colapso total o parcial de los mismos [2].

“El comportamiento de una edificación de adobe, es sustancialmente afectado por el espesor de sus paredes. Los muros delgados, intermedios y gruesos son definidos en términos de su relación altura/espesor (he) de la siguiente manera:Muros gruesos: he < 6; Muros intermedios: 6 < he < 8; Muros delgados: he > 8. [3].

Las paredes delgadas de adobe pueden resultar inestables tan pronto como se forman fisuras a través de las paredes. Sin embargo una pared gruesa de adobe está lejos de perder estabilidad después que la primera fisura se desarrolla” [4].

2.1 Experiencias en laboratorios de ensayo

Sitbain, en 1982, [5], [6] realizó un modelo anti-sísmico de planta cuadrada con contrafuertes en las esquinas como refuerzo. En la prueba de simulación de un sismo, demostró que esta construcción sin encadenado superior no era estable aunque la construcción de la cubierta era muy ligera y estructuralmente aislada., tal y como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Modelos de la vivienda sísmica de Sibtain, después de impactos sísmicos simulados

En 1985, Yazdani, H. de la Universidad de Kassel, demostró en su tesis doctoral mediante un método simple para simular el impacto de un sismo, que la forma de la planta es muy importante para obtener estabilidad. En el experimento, se colocó un peso de 40 Kg. en un péndulo de 5,5 m. de longitud y se dejó oscilar y golpear dos modelos de viviendas anti-sísmicas: una de planta cuadrada y otra, de planta circular.

Los resultados obtenidos fueron que al cuarto golpe, los muros del modelo de planta cuadrada colapsaron, mientras que los del modelo circular, al sexto golpe solo mostraron el desplazamiento de una parte del muro. E incluso después del séptimo golpe, éste no colapsó. En las fotografías de las figuras 2 y 3 se muestran estos resultados.

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Figura 2: Módulo experimental de Planta cuadrada. Universidad de Kassel, Alemania

Figura 3: Módulo experimental de Planta circular. Universidad de Kassel, Alemania

En el año 2000, el Dr. Leroy Tolles llevó a cabo otros experimentos para determinar los errores de diseño de las construcciones tradicionales de adobe en California y pudo observar que por efecto de las fuerzas coplanares, aparecen grietas diagonales hacia abajo en las esquinas de los vanos de las ventanas; que si el área entre la puerta y la ventana es muy angosta, ésta se derrumba. Lo mismo sucede si los dinteles no penetran lo suficiente en la mampostería [7]. También aparecen grietas horizontales si no hay una traba entre los dinteles y la mampostería y que es necesario ejecutar una viga collar o solera y trabada con la sección superior del muro, para evitar que el muro se quiebre.

2.2 Refuerzos internos para la estabilización de los muros

En 1971, se hicieron ensayos para demostrar que la caña o carrizo, que crece abundantemente en los países tropicales puede utilizarse para la estructura de edificaciones anti-sísmicas, por su ligereza, elevada ductilidad y resistencia a la ruptura [8], [9]. En 1973, el Instituto de Normalización de la Vivienda en Perú (ININVI) desarrolló un sistema de refuerzo interno para muros en los que hay dos tipos de adobes: unos tenían ranuras de 5 cm. de diámetro en los extremos y otros eran mitades de adobes con una sola ranura para obtener la traba. Por estas ranuras atravesaban varillas de caña. Como puede verse en la figura 4, en este sistema se reforzaban los muros mediante contrafuertes integrados en los muros y en las esquinas.

Figura 4. Refuerzos verticales y horizontales en muros de adobe. Fuente ININVI 1973

En 1980, los resultados de un programa de investigación conjunta México-Perú mostraron aspectos destacables en cuanto a los factores que influyen en la resistencia del material. Concluyeron que la resistencia del suelo, la adherencia entre mortero y bloque y el control en el secado de los bloques para evitar la fisuración también eran condiciones necesarias. [4].

Se estableció también que la mejora en la calidad de la mampostería es significativa en el comportamiento de las construcciones ante los sismos leves, pero ante sismos moderados y severos se hace indispensable la presencia de un refuerzo interno para evitar el colapso. Esto fue demostrado en 1985 mediante ensayos de simulación que se llevaron a cabo en el

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US AID (Agencia Internacion para el Desarrollo) y en el Centro Internacional de Investigación para el desarrollo (CIID) en Canadá.

Estos ensayos de simulación sísmica fueron realizados en módulos de un piso a escala natural y corroboraron que la existencia de un refuerzo de caña vertical del tipo “caña brava” o carrizo cada 45 a 60 cm., mejora la ductilidad del adobe. Estas cañas son ancladas en el sobrecimiento y pasan por el interior del muro construido con amarre americano, como se muestra en la figura 5.

El refuerzo horizontal, hecho de carrizo partido a lo largo y colocado cada 4 hiladas es amarrado mediante cinta rafia o bien, con alambre recocido tanto entre sí, como en las esquinas, como a la caña vertical, produciendo así una malla interior. Al llegar a la altura deseada del muro, la caña se anclará a la viga solera o collar que cerrará perimetralmente la construcción.

Figura 5. Ductilidad en muros reforzados con malla de caña. Fuente PUCP 2003

En la figura 6 se observa como la ductilidad de los muros reforzados con caña mejora y supera de 4 a 5 veces la capacidad de deformación de los muros sin reforzar, llegando a permitir una variación de hasta 30 mm. antes de quebrarse.

Figura 6. Colocación de la malla de caña en un muro de adobe. Fuente PUCP 2003

Este sistema de refuerzo ha sido demostrado en los experimentos realizados en la PUCP (Pontificia Universidad Católica de Chile) [10] y en el CIIDIR (Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional) de Oaxaca, Mexico.

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3. Caracterización de la vivienda tradicional de Tierra

Para desarrollar el diseño de la Unidad Médica Familiar que se expone en este trabajo, se caracterizaron las construcciones tradicionales de adobe de una planta de la zona del sur de México, Centroamérica y parte de Sudamérica tal y como se muestra en la Tabla 1:

Conjunto Estructural Materiales Características

Cimentación Mampostería de Piedra y concreto ciclópeo

h= 0.80 m.

Muros: Espesor Altura

Longitud máxima ó Longitud máxima

Adobes e= 0.40 m h>8e l>12e l>2h

Techos Vigas de madera de sección o Rollizos (Troncos de Ocote). Listones de Madera o Carrizo

(Cañas de Bambú) Tejas de Barro

Muy Pesados, generalmente a 2 aguas. Sección de

las vigas: 0,30 x 0,15 m

Tabla 1. Características de la Construcción Tradicional de Adobe

Se observó también que la mayoría de las construcciones compartían algunas características en el diseño, tales como:

1. Ausencia de una viga collar o solera

2. Dinteles con poca penetración en la mampostería

3. Distancia muy corta entre vanos y esquinas

4. El ancho entre las aberturas y las esquinas demasiado angosto

5. Ausencia de un sobrecimiento

6. Aberturas demasiado anchas

7. Los muros, demasiado largos y esbeltos y sin elementos de estabilización

8. Una baja calidad del mortero que incluye juntas horizontales demasiado gruesas y falta de relleno en las juntas verticales

9. Techos muy pesados

10. Arriostramiento débil en la parte superior de los muros. Ver Figura 7

Figura 7. Diseño tradicional de las construcciones de adobe

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A continuación, se analizaron las fuerzas sísmicas actuantes sobre cada plano de la edificación y sus efectos. Para identificarlos adecuadamente, se condensan en la siguiente tabla donde se muestran también estos efectos en edificaciones dañadas en diferentes sismos de México, Perú, Colombia y Centroamérica.

CARACTERIZACIÓN DE LOS DAÑOS POR SISMOS

Acción Efecto Esquema Testimonio

Colapso de tímpanos

Grietas verticales en donde se apoyan las vigas

Grieta por flexión fuera del plano

Grieta horizontal por flexión fuera del plano a media altura del muro.

Desprendimiento vertical en las esquinas por flexión fuera del plano

Grieta Horizontal en la base del muro

Fuerza sísmica perpendicular al plano

Volteo por longitud

excesiva sin

arriostramiento

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Grieta Escalonada

Fuerza cortante coplanar

Grietas diagonales por fuerza cortante en el plano del muro.

Combinación de Fuerzas Cortantes en Ambos planos y efecto de la carga vertical

Grieta y Desplome en la esquina

Daños por influencia del Techo

Desplome por fallo de las columnas portantes

Desplome por fallo en la base de las columnas

Tabla 2. Caracterización de los daños por sismos

4. El Diseño de una Unidad Médica Familiar

Llamada también unidad ambulatoria, es un elemento satélite de soporte a la tradicional institución hospitalaria, la cual no está conectada a un hospital. Ofrece servicios para la prevención y atención médica primaria de tipo directo y ambulatorio e incluso de urgencias.

Para la solución funcional se dividieron las zonas del programa arquitectónico típico de este equipamiento, en módulos independientes, dadas la bondad del clima y la posibilidad de construirlos por etapas. Estas zonas son: Recepción, Visita y Atencion Primaria y Recuperación.

De la investigación sobre las causas de colapso en cuanto a la relación entre las fuerzas actuantes y el diseño tradicional con adobe, se concluye que las construcciones actuales no resisten a los sismos debido a errores de diseño en los siguientes puntos:

• La Esbeltez de sus muros: Relación Altura/Espesor (h/e); La longitud de los mismos entre arriostres verticales: L, y la falta de refuerzo para aumentar la elasticidad del adobe.La falta de una viga collar que una los muros entre si en la parte superior y sirva de anclaje para la techumbre. Las dimensiones inadecuadas de las aberturas en los muros y la distancia excesiva desde las esquinas a las aberturas

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Para la sismorresistencia, se prestó atención a la altura -limitándose ésta a una sola planta- y al grosor de los muros, ya que el comportamiento y la posibilidad de supervivencia ante los sismos varía sustancialmente según sea la relación de esbeltez (h/e) de los mismos. De los resultados de los ensayos antes descritos, se ha podido concluir básicamente que el diseño sismorresistente con adobe debe considerar:

• Una forma estable, compacta y regular; el arriostramiento de los muros en la parte superior; el anclaje suficiente entre los dinteles y la mampostería; relaciones adecuadas entre espesor/longitud/altura y refuerzo interior con elementos que aumenten la ductilidad de los muros de adobe.

Por los requerimientos de diseño del proyecto y las necesidades de circulación propias de un equipamiento de este tipo, se llegó a una solución en planta circular en una configuración modular, hecha con adobes de dos tamaños (0.30 y 0.15 m). Los techos centrales, cupulares, armados con caña y revocados con mortero de barro por ambos lados. Los techos planos, armados con viguetas de madera, una capa de cañas, aplicando encima una capa de compresión hecha con mortero de barro. Como impermeabilizante natural se propuso una mezcla de barro adicionado con aceite de linaza.

Estructuralmente se aplicaron los siguientes criterios:

Estructura Materiales Características

Cimentación Mampostería de Piedra y concreto ciclópeo

h= 0,40 m

Sobrecimiento Ladrillo de barro cocido y mortero cemento, cal, arena

h=0,20 m

Muros: Espesor Altura

Longitud máxima ó Longitud máxima

Adobes e= 0,30 m h<=8e l<=12e l<=2h

Techos Planos Techos aligerados Estructura de viguetas de madera de pino, a cada 0,45 m, que soportan un

tendido de carrizos o cañas de bambú. Se termina con un mortero

de barro y una capa impermeabilizante de barro

adicionado de aceite de linaza

Viguetas Sección:0,10 x 0,05 m

Cúpulas Técnica de bajareque (entramado de caña revocado con barro)

Refuerzos Verticales

Adobes y cañas de Bambú Arriostres Verticales l= 1/3 h

Refuerzos Horizontales

Barro y Cañas de Bambú Vigas Solera para fijar los techos a los muros

Vanos, Aberturas y otras

consideraciones

Las aberturas < = 1/3 del largo del muro. La distancia

entre el arriostre o muro transversal y la abertura en el muro, será de 3 a 5 veces el espesor del mismo (0,90 a

1,50, si e=0,30 m)

Tabla 3. Criterios para el diseño sismorresistente

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En las figuras siguientes se muestran los módulos de Recepción- el más pequeño- y el de Visita y Atención Primaria. Nótese la distribución funcional en planta circular y la colocación de arriostres verticales extendiéndose hacia fuera del espacio para integrarse con el pergolado que rodea la edificación. Este recurso arquitectónico ha sido concebido como una solución climática y económica también, porque por las dimensiones comerciales estándar de las viguetas, fue posible aprovecharlas además, como soporte para un toldo vegetal.

Figura 8. Plantas Arquitectónicas de los módulos de Recepción y Visita. Plantas de Azotea. Fuente:la autora

Figura 9. Sección Isométrica del Módulo de Recepción. Fuente: la autora

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Figura 10. Vistas Isométricas de los módulos de Recepción y de Visita y Atención Primaria. Fuente: La autora

CONCLUSIONES

Las construcciones de adobe, cuando se refuerzan con elementos que aumenten su resistencia a la flexión como las cañas de bambú o carrizos, pueden resistir sismos de notable intensidad sin llegar al colapso inmediatamente. Canalizar las cargas que se generan por las fuerzas sismicas laterales mediante la colocación de arriostres verticales y horizontales es un elemento clave para la sismo-resistencia de la edificación, y vigilar otros aspectos, como la calidad del barro, el tiempo y condiciones de secado de los adobes y la verticalidad de los muros.

Aplicando estos criterios al diseño sismorresistente de una Unidad Médica Familiar para ser construida en una comunidad rural, afectada por sismos de hasta 7,4 º en la escala de Ritcher, se consigue una solución adecuada y resitente a los sismos, con tecnología apropiada y apropiable, entendiéndose ésta como aquella que es posible adoptar por un grupo humano por estar cercana a su ideosincracia y raíces culturales.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Grohmann, M., 1998, “Introducción al Diseño sismorresistente”, en Laboratorio Experimental, Univ. De Kassel, Alemania, en Viviendas Sismorresistentes, Kassel, Alemania.

[2] Torrealva, D. 2003 “Titulo 1: Caracterización de daños en construcciones de adobe, Serie cuadernos de adobe”. Pontifica Universidad Católica del Perú, Departamento de Ingeniería Sección Ingeniería Civil. Lima, Perú

[3] SENCICO, “Norma Peruana de Diseño Sismo-resistente E-080”, MTC, 2000, Lima, Perú

[4] Gutiérrez, L., Manco, T., Loaiza, C., Blondet, M., 2003 “Características Sísmicas de las Construcciones de Tierra en Perú: Contribución a la Enciclopedia mundial de las construcciones de vivienda”, XIV Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Iquitos

[5] Minke, G., 2001, “Manual de Construcción para viviendas antisísmicas de Tierra”, Forschungslabor für Experimentelles Bauen, Universidad de Kassel, Alemania

[6] Sibtain, S.N., 1982, “To build a village”, Parramata, N.S.W., Australia

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[7] Ginell, W.S., Tolles, E. L. 2000, “Seismic Stabilization of Historic Adobe Structures”. Journal of the American Institute of Conservation JAIC, Volume 39, Number 1, 2000, Article 12

[8] Echazu Peralta, J.F., 1977, “Estudio del suelo-cemento y de la Caña en Guayaquil-Parte 1.” Tesis de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Guayaquil, Colombia.

[9] Moromi, I, 1971, “Estudio de Vigas de Suelo-Cemento Reforzadas con Caña de Guayaquil y de Modelos de Muros de Adobe sometidos a Cargas Perpendiculares a su Plano”. Tesis de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Guayaquil, Colombia.

[10] Bariola, J., Blondet, M., Torrealva, D., Vargas, J. 1986, “Dynamic Behavior Of Adobe Dwellings”, VI Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Cajamarca, Perú.

DATOS DE CONTACTO

María de las Nieves Suárez Sánchez

Doctoranda del Programa de Doctorado: Proyectos de Innovación Tecnológica en la Ingeniería de Producto y Proceso, Departamento de Proyectos de Ingeniería,

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Barcelona, ETSEIB

Universidad Politécnica de Cataluña

Ave. Diagonal No. 647, Planta 10

08028, Barcelona, España

Tel. 934 010 706

e-mail: Maria.Nieves.Suarez@upc.edu

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