Típicas situaciones de retrofit y soluciones
Derrumbe de edificios bajos con aperturas al nivel de planta baja
Esta modalidad de colapso se conoce como colapso del piso débil (en inglés: soft story collapse). En muchos edificios el nivel al terreno tiene funciones diferentes respecto a los niveles superiores. Las estructuras residenciales no elevadas pueden estar construidas sobre un estacionamiento que puede tener grandes portones de uno o más lados. Los hoteles pueden tener pisos elevados en el terreno que permiten la existencia de una gran entrada principal o de salones de baile. Los edificios de oficinas pueden tener negocios o depósitos al nivel de la calle, que frecuentemente tienen enormes ventanales para exponer la mercancía.
El diseño antisísmico tradicional considera que los pisos bajos de un edificio son más fuertes que los superiores y donde esto no se verifica, la estructura no responderá a las oscilaciones del terremoto en el modo esperado, y probablemente el primer piso colapsará bajo el peso de los pisos superiores. Con métodos de proyecto modernos, es posible calcular el comportamiento de un piso "débil" y remediar estructuralmente a sus potenciales fallas. En 1994 en Los Ángeles, colapsos de este tipo en un gran complejo de apartamientos causaron muchas muertes en el terremoto de Northridge de 1994.
Uniones viga-columna
Las juntas de conexión entre las vigas y las columnas son una debilidad estructural común, que debe ser afrontada por el retrofitting. Antes de la introducción de códigos modernos antisísmicos en los años 1970, las juntas entre viga y columna, normalmente, no habían sido estudiadas dinámicamente o proyectadas sino para resistir cargas estáticas no oscilantes. Algunas pruebas de laboratorio han confirmado la vulnerabilidad sísmica de estas conexiones, que hoy se pueden definir "pobremente" proyectadas.[12][13][14][15] Una falla de las conexiones entre vigas y columnas puede típicamente conllevar al colapso catastrófico de un edificio basado sobre armazón, como ha sido observado frecuentemente en recientes terremotos[16][17].
Se han propuesto varias soluciones de reforzamiento para las juntas entre columnas y vigas de hormigón armado, que han sido probadas en los últimos 20 años. Filosóficamente, varias estrategias de retrofit antisísmico antes discutidas pueden ser aplicadas para los juntos de concreto reforzados. El encamisado con acero o con hormigón ha sido una técnica de retrofit muy usada hasta la llegada de material compuesto como el polímero reforzado con fibra de carbono. Materiales compuestos como la FRP de carbono y la FRP con aramida (mezcla de Kevlar y Twaron")) han sido probados extensivamente para ser usados en el retrofit sísmico con un cierto grado de éxito.[18][19][20] Una técnica novedosa incluye el uso de una debilitación selectiva de la viga y el añadido de post-tensado externo a la junta[21] de manera de obtener un abisagreo flexural ("flexural hinging") en la viga, cosa más desiderable en términos de proyecto antisísmico.
Por ejemplo, una amplia cantidad de fallos en las soldaduras de las juntas viga-columna de edificios de acero de altura baja a mediana durante el terremoto de Northridge del 1994, han mostrado las deficiencias estructurales de estas conexiones soldadas 'de diseño moderno' posteriores al 1970, muy rígidas y que se oponen al momento de fuerza.[22] Un proyecto de investigación de la SAC [4] ha documentado, testado y finalmente recomendado algunas soluciones de retrofit para estos juntos de acero soldado que resisten al momento de las fuerzas. Para estos juntos soldados han sido desarrolladas soluciones como: a) aumento de la fuerza de la soldadura, y b) añadido de un gancho de acero ("steel haunch") o de rebordes conformantes a forma de hueso para perro ("dog-bone shape flange").[23].
Derrumbe de las estructuras portantes dentro del diafragma del piso
En Estados Unidos se utilizan frecuentemente pisos de madera construidos como cajones sostenidos por vigas (beams) relativamente estrechas y profundas, de madera de buena calidad, cubiertas con económicas y ligeras placas de madera (contrachapado) en diagonal, para formar una económica plataforma para el piso que será recubierta con la superficie final del piso (alfombras, baldosas, linóleo, parqué, vigas de madera fina, vinilo). En muchas estructuras estas están todas alineadas en la misma dirección. Para prevenir que estas estrechas vigas se doblen de un lado, se utilizan bloqueadores en cada extremo, y para darle adicional resistencia, se pueden colocar abrazaderas diagonales de madera o de entre las vigas e uno o más puntos de su largo. En el borde externo típicamente se usa una sola profundidad de bloqueo y se coloca un armazón perimetral de vigas, de manera que forma un cajón a estrecho contacto con la pared (de madera o de ladrillos).
Si la colocación de los bloques, de los clavos o tornillos es inadecuada, las vigas (que tienen una forma alta y estrecha) las fuerzas de movimiento de la estructura portante pueden voltearlas de lado, con la parte débil hacia arriba. En esta posición la lámina superior del piso cae sobre la parte del techo perdiendo su fuerza original y la estructura puede colapsar totalmente. Como parte de un retrofit la colocación de bloques entre las vigas puede ser duplicada, especialmente en las partes más externas del edificio. Puede ser apropiado añadir clavos adicionales entre el radier del muro perimetral erigido sobre el diafragma del pico, aunque esto requerirá exponer la placa radier retirando el relleno interno o la parte de los lados.
Deslice de los cimientos y daño del tipo cripple wall
Estructuras residenciales de uno o dos pisos construidas con armazón de madera sobre un perímetro o cimientos de rocas se encuentran relativamente seguras en un terremoto, per en muchas estructuras construidas antes del 1950 la placa radier ("sill plate") que se encuentra entre los cimientos de concreto y el diafragma del piso (cimientos del perímetro) o unos espesos cimientos de roca ("studwall") puede no haber sido atornillada en modo suficiente. Adicionalmente, los tornillos o las estructuras de conexión entre la madera y la roca (que no hayan sido substancialmente protegidas de la corrosión) pueden haberse corroído hasta un punto de debilidad. Un sacudón lateral puede hacer deslizar el edificio enteramente fuera de los cimientos o de las rocas macizas.
Frecuentemente estos edificios, especialmente construidos sobre de un declive moderado, están erigidos sobre una plataforma conectada a cimientos perimetrales gracias a muros bajos resistentes llamados ("cripple wall" o pin-up). Esta misma estructura puede fallar en sus conexiones a sí misma en los ángulos, llevando a que el edificio se mueva diagonalmente y colapsando las bajas paredes.
Presencia de muchos palos de soporte en pozos poco profundos
Algunas estructuras viejas de bajo costo se elevan sobre pilotes de concreto que son clavados en pozos poco profundos, un método frecuentemente usado para añadir balcones, terrazas o plataformas a edificios pre-existentes. Esto se hace frecuentemente en lugares donde los terrenos se inundan o eran palustres, especialmente en condiciones tropicales, porque deja un espacio seco y ventilado bajo la casa (aparte de que impide que suban a la casa animales), y en el extremo opuesto, en condiciones sub-polares o de montaña donde se forma el permafrost (barro congelado) porque impide que el calor del edificio pueda desestabilizar el terreno subyacente. Durante un terremoto, los pilones pueden doblarse o caerse, volteando el edificio hacia el suelo. Este problema puede ser evitado usando huecos que son escavados hasta la profundidad donde se construyen pilones reforzados, que después son asegurados a la placa del piso en los ángulos del edificio. Otra técnica es la de añadir vigas y soportes diagonales suficientes, que abracen las columnas, o la de colocar secciones de pared de concreto armado entre los pilones (comenzando desde una cierta profundidad).
Explosión de las columnas de hormigón armado
Las columnas de hormigón armado típicamente contienen grandes cabillas de refuerzo verticales de acero corrugado muy espeso que es la contracción de "reinforcing bars") colocadas en anillo, rodeadas por otras de menor diámetro. Después de haber analizado muchos de los daños causados por los terremotos, se ha entendido que la debilidad no estaba en las barras verticales, sino en la resistencia inadecuada de los conectores horizontales ("cercos") y en su escasa cantidad. Una vez que se rompe la integridad de los conectores horizontales, el armado vertical se puede doblar hacia el exterior, colocando en tensión a la columna central de concreto. Entonces el concreto simplemente se raja hasta partirse en pequeños pedazos, que no se mantienen adheridos por el armado que los rodea. En las construcciones nuevas se coloca una mayor cantidad de barras de enlace, que además son más gruesas.
Una forma simple de retrofit es la de rodear la columna con una espesa banda o "camisa" de láminas de acero que son fundidas y soldadas hasta que forman un único cilindro. Ulteriormente el espacio entre la camisa y la columna será rellenado con concreto, en un proceso que en inglés de denomina "grouting". Cuando el suelo o las condiciones de la estructura necesitan de esta modificación adicional, ulteriores pilares pueden ser aplicados cerca de la base de la columna y plataformas de concreto que unen los pilares al pilón serán fabricadas en el nivel del suelo o bajo este. En el ejemplo mostrado no todas las columnas necesitaban ser modificadas para ganar una resistencia sísmica suficiente para resistir las condiciones esperadas. (Esta localidad se encuentra a como una milla de la falla de Hayward.).
Explosión de murallones de hormigón armado reforzados
Los murallones de concreto se usan frecuentemente en la transición entre los rellenos de autopistas elevadas y los puentes o estructuras que pasan encima de otras vías (evitando su interrupción). El murallón de cemento masivo se usa para retener el terreno y hacer que no sea necesario colocar pilones de sostén para el puente de la autopista, permitiendo así un cruce más corto y que la estructura supraelevada se apoye directamente a los cimientos en una parte del terreno que no ha sido disturbada por haber sido elevada. Si estos murallones son inadecuados pueden derrumbarse por el estrés causado por el movimiento ondulatorio de la tierra inducido por un terremoto.
Una forma de reforzamiento antisísmico es la de perforar numerosos agujeros en la superficie del murallón, y de asegurar con adhesivo epoxi cortas secciones de cabillas de acero en forma de L a la superficie de cada agujero. Se cubre la pared de cemento con otras vigas de "rebar" vertical y horizontal, formando un armazón, se coloca un encofrado de madera, y se vierte una capa adicional de concreto. A esta modificación se le pueden añadir otros escalones de tierra y otras paredes de cemento con cimientos en trincheras excavadas, además de contrafuertes y otras estructuras de soporte para retener el tramo "aéreo" de la carretera entre muros adyacentes.
Resinas para las paredes de ladrillos y refuerzos en fibra de vidrio
Las estructuras construidas con ladrillos pueden ser reforzadas con capas de fibra de vidrio y con resinas (como epoxy o poliéster). En los pisos más bajos pueden ser aplicadas sobre toda la superficie expuesta, mientras que en los pisos más altos pueden ser confinadas a estrechas áreas alrededor de ventanas y aperturas de puertas. Forrando las paredes de ladrillos con estas capas se añade resistencia a la tensión y al movimiento, que nos rinde una pared más resistente a que se doble de un lado, o que se mueva formando ondas que hacen estallar la pared en la típica forma de X. La eficiente protección de un entero edificio de ladrillos requiere de un análisis computarizado extensivo y de la consecuente ingeniería. Por ejemplo algunas ventanas y puertas de la planta baja podrían necesitar de ser cerradas con muros de ladrillos, hasta podría ser necesario colocar contrafuertes, y por lo opuesto, habría que aligerar los pisos superiores, ampliando verticalmente las ventanas (volviéndolas puertas-ventanas). En un edificio de ladrillos no es fácil determinar los puntos a tratar, y muchas veces se vuelve necesario demoler partes que forman una "L" y que tienen un comportamiento resonante diferente al resto del edificio.
Muchas veces, el colocar un espeso marco de acero a puertas y ventanas aumenta su resistencia, impidiendo que la pared estalle por el punto débil constituido por la apertura. El arco de medio punto y ventanas redondas pueden ser una solución que refuerza la planta baja del edificio.
Por lo contrario, si las paredes de ladrillos no son portantes, y la estructura se sostiene sobre columnas de cemento armado, se puede proceder a colocar aisladores de metal o de goma entre las columnas y la base del primer piso. En tal caso las paredes del primer piso pueden ser eliminadas, colocando vetrinas o paredes muy delgadas de ladrillo no espeso. En tal caso puede ser necesario colocar los ascensores y las escaleras en una estructura externa al edificio, con una conexión flexible con el edificio.
Levantamiento
Donde la humedad o en el punto de contacto con suelos aluvionales, por ejemplo en estructuras "tipo playa" que se encuentran immediatamente encima de material firme (como rocas), las ondas sísmicas que viajan en la parte de arena o de fango poco sólido pueden ser amplificadas, exactamente como pasa con las olas de agua que llegan a un playa empinada. En estas condiciones empinadas, han sido medidos picos de aceleración vertical") que llegan a ser superiores de más del doble respecto a la fuerza de gravedad. Si un edificio no está bien asegurado a cimientos que a su vez estén sólidamente conectados a la roca (perforándola) es posible que el edificio sea arrojado, con sus cimientos o separado de sus cimientos, lanzado en el aire, normalmente con graves daños que ocurren cuando aterriza o cuando golpea con sus mismos cimientos (que siendo puntos fuertes tienden a romper el suelo). En edificios bien afincados al terreno, estructuras anexas, como pequeñas torres, pisos superiores añadidos, techos y los porches pueden desprenderse de la estructura primaria.
Una buena práctica de construcción en las estructuras modernas, que puedan ser declaradas resistentes a los terremotos dicta que deben existir buenas conexiones verticales entre cada componente del edificio (a menos que se trate de un punto "sacrificable", para resguardar la estructura de ulteriores daños), desde un terreno no movido o ingenierizado (por ejemplo tierra suelta o arena reforzada con muchos pilones, come en la torre Burj Al Arab en una isla artificial de los Emiratos Árabes Unidos) hasta los cimientos, pasando por el radier") (en inglés sill plate), después por las columnas portantes, las platabandas hasta llegar a la estructura del techo.
Sobre los cimientos y el radier las conexiones se hacen típicamente con una jaula de acero o con láminas onduladas de acero, clavadas a elementos de madera, usando clavos especiales de alta resistencia,.
Consolidación del terreno
Uno del los retrofits más difíciles es el requerido para prevenir daños debidos al derrumbe o a la liquefacción del terreno. Los derrumbes pueden verificarse cerca de un declive, de un barranco (como en un deslizamiento de tierra), y hasta en un área llana debido a la licuefacción del suelo compuesto de arena o fango saturados de agua. Generalmente, deben ser clavados profundos pilones en el terreno inestable (típicamente fango o arena) hasta encontrar la roca o tratar de estabilizar el barranco.
Otro sistema, muy costoso, en zonas llanas (aluviones de ríos) es construir una vasta y profunda plataforma "flotante" subterránea de cimiento con espesas paredes de cemento armado, que puede tener espacios internos y pisos que pueden servir como depósitos, estacionamientos subterráneos, túnel de desagüe y/o para la viabilidad o refugio antiaéreo, que puede unir varios edificios y añadirse al aislamiento sísmico en los puntos de contactos con los edificios externos. Un ejemplo de esto es el centro abitativo, comercial y cinematográfico "Leonardo" que se encuentra cerca dell'Aeropuerto de Roma-Fiumicino.
Puede no valer la pena aplicar el retrofit a edificios que se encuentran sobre precedentes áreas de derrumbes, por ser económicamente oneroso en manera excesiva, porque muy frecuentemente no es práctico (o es simplemente imposible) estabilizar un derrumbe que puede ser muy vasto y profundo. La posibilidad de que se verifique un derrumbe o la licuefacción del terreno puede depender de factores climáticos, dado que el terreno puede ser más estable al inicio de la estación húmeda respecto al inicio de la estación seca. Este tipo de situaciones con "dos estaciones" se observa en el clima mediterráneo, que también existe en California.
En algunos casos, la mejor cosa que se puede hacer es de reducir la cantidad de agua que entra al terreno, por ejemplo proveniente de altitudes más elevadas en una colina o en la ladera de una montaña, capturando el agua de superficie y de la falda más superficial y desviándola a través de canales o de tubos, y de extraer el agua que se infiltre pasando la barrera directamente y gracias a pozos sub-superficiales insertando tubos horizontales perforados. Existen numerosas localidades en California donde se han construido grandes urbanizaciones sobre zonas de corrimiento de tierra arcaicas, que no se han movido en tiempos históricos, pero que (si llegan a estar saturadas de agua y contemporaneamente son sacudidas por un terremoto) tienen una alta probabilidad de moverse en masa, llevándose enteras secciones de un sector suburbano a nuevas posiciones. Aunque la más modernas entre las estructuras abitacionales (bien atadas a cimientos de concreto monolítico reforzados con cables de post-tensionamiento) pueden sobrevivir estos desplazamientos en la mayor parte intactos, el edificio no se encontrará más en su lugar apropriado (podría haberse acercado a un barranco "Barranco (geografía)") o estar en un terreno que ahora cubre una autopista).
Cables y tubos de servicios públicos: riesgos
Los tubos de gas natural y de propano que van a las estructuras frequentemente crean peligros durante y después de un terremoto. Si un edificio se mueve de sus cimientos o cae a causa del colapso de sus muros, los tubos dúctiles de hierro que transporta el gas al interior de las estructura pueden romperse, típicamente en la localización de los juntos soldados. El gas puede continuar a llegar de las líneas a alta presión y continuar a fluir en cantidades substanciales; entonces este enorme volumen de gas combustible puede se encendido por una fuente externa encendedora de la llama como una llama-piloto de un calentador de agua o como un arco eléctrico que esté mandando chispas, como por ejemplo una línea eléctrica rota.
Existen dos métodos principales para cortar automáticamente el flujo de gas después de un terremoto, que se instalan en el lado a baja presión del regulador, y habitualmente corriente abajo del medidor del gas.
Parece que la configuración más segura es la que prevé de utilizar cada uno de estos dispositivos en serie.
Túneles
A menos que el túnel penetre una falla que pueda deslizarse (cortando el túnel en dos secciones), el mayor peligro para los túneles es un derrumbe o avalancha que pueda bloquear una entrada. Una protección adicional alrededor de los ingresos (en túneles importantes) puede ser aplicada para desviar cualquier material en caída. También se puede estabilizar la ladera sobre el túnel puede ser estabilizada de alguna manera. Donde se estima que puedan caer solo rocas de pequeño y de medio tamaño, se puede cubrir la entera ladera con una red de espeso alambre de acero, clavada a la ladera con barras de metal. Este procedimiento es también una modificación común en lugares donde las autopistas cortan montes o colinas y donde se verifican las condiciones apropiadas que lo rinden necesario y posible.
Galerías de metro submarinas
La seguridad de cualquier tipo de metropolitana submarina depende altamente de las condiciones del suelo a través del cual el túnel fue construido, sobre los materiales y refuerzos usados, de la máxima intensidad del terremoto que se puede prever y de otros factores, algunos de los cuales pueden ser desconocidos para la ciencia actual.
Una metropolitana particularmente interesante bajo el punto de vista estructural, sísmico, económico y político es la BART (Bay Area Rapid Transit). Este metro fue construido en el fondo de la bahía de San Francisco, a través de un proceso innovativo. Envés de empujar un escudo de acero rotante a través del lodo de la bahía, el túnel fue prefabricado en secciones construidas en tierra. Cada sección (rectangular) consiste de dos túneles de sección circular, un túnel central de acceso de sección rectangular, y de un escudo oval externo que cubre los tres túneles internos. El espacio entre los tubos de los túneles fue rellenado con concreto. El fondo de la bahía fue excavado y recubierto con un lecho plano de rocas molidas preparadas para recibir la secciones de la metropolitana. Las secciones fueron llevadas flotando sobre la superficie, hasta su lugar de instalación y hundidas, después unidas con conexiones soldadas con las secciones colocadas previamente. Sobre el prefabricado se depositó un relleno para cubrirlo y mantenerlo firme. Una vez completado de San Francisco a Oakland, se colocaron los carriles y los componentes eléctricos. Se preveía que la respuesta al sismo por parte de la metropolitana durante un terremoto de categoría mayor podía ser comparada a la de un haz de espaguetis cocidos en un plato hondo de gelatina. Para evitar el estrés excesivo a la estructura de la metropolitana debido a los movimientos diferentes en cada extremo, se instaló un sistema de juntos corredizos en la parte terminal en San Francisco "San Francisco (California)") bajo el edificio histórico Ferry Building.
Los ingenieros del consorcio de construcción PBTB (Parsons Brinckerhoff-Tudor-Bechtel) usaron los mejores cálculos del movimiento del terreno disponibles en la época, que actualmente se consideran insuficientes gracias a los modernos métodos de análisis computacional y a los conocimientos geotécnicos. Inesperados asentamientos verticales del túnel han reducido la cantidad de deslizamiento que puede ser absorbido por el túnel sin que se abran boquetes y se inunde la estructura. Estos factores han dado lugar a que ahora el junto de deslizamiento en San Francisco es demasiado corto para asegurar la supervivencia de la metropolitana, especialmente bajo la presión del terreno de relleno, que es necesario para evitar que la secciones de la metropolitana vayan a "flotar", saliendo del fondo y quedando descubiertas y apoyadas en modo irregular sobre el fondo, que puede llevar a la ruptura de la estructura.