Estudio de resistencia y vulnerabilidad sísmicas de viviendas de bajo costo estructuradas con ferrocemento

Resumen

Uno de los actuales retos sociales, no sólo de Colombia, si no de la comunidad mundial, es el bienestar y mejora de la condiciones de vida de todos los habitantes del planeta. Aunque suene ambicioso, esta tesis quiere contribuir a la mejora de las condiciones de vida de aquellas comunidades que se encuentran en el abandono y la pobreza absoluta. Colombia, país suramericano con una población de 42 millones de habitantes aproximadamente, presenta un alto déficit de vivienda económica en la mayor parte de su territorio. La construcción de casas de autoconstrucción e informales degrada aún más el problema social de la vivienda y no aporta soluciones apropiadas que dignifiquen la vida del ser humano. En la mayoría de las ocasiones, la vivienda informal de bajo costo carece de condiciones de calidad; ésta se suele construir en zonas marginales, sin acceso adecuado a los servicios básicos de agua y energía. Además, y no en pocos casos, su construcción se hace en zonas donde las amenazas naturales son considerables, en particular las que proceden de fenómenos sísmicos y geológicos. Este tipo de viviendas, también, en algunos casos se construyen sin considerar normativas sismo resistentes y sin especificaciones técnicas adecuadas, lo que las hace inseguras y de escasa confiabilidad. Todo ello repercute en un incremento del riesgo sísmico debido a la vulnerabilidad de estas precarias construcciones. No abundan estudios ni se realizan investigaciones que busquen soluciones idóneas, con materiales autóctonos de bajo costo, con tecnologías sostenibles, que doten a estos habitáculos de un buen desempeño estructural. En consecuencia, la creciente demanda de vivienda de bajo costo y la escasez de oferta en esta franja del mercado de la construcción promueven el crecimiento de ciudades con barrios de tugurios. Colombia es uno de los países de Hispanoamérica donde la pobreza, la densidad de población, la cercanía de entornos edificados a sistemas de fallas activas, las precariedad de las construcciones, frecuentemente situadas sobre altas pendientes y, en general, la aparición de barrios de tugurios, hacen evidente la necesidad de estudiar nuevos materiales que permitan construir viviendas resistentes, dignas, seguras, económicas y sostenibles. Esta investigación va en esa dirección pero hace un particular énfasis en la evaluación de su resistencia y vulnerabilidad sísmicas para cuantificar el riesgo al que están expuestos sus habitantes. Por consiguiente, esta investigación avanza en el camino de facilitar un acceso a una vivienda digna. Para ello efectúa una propuesta de vivienda de ferrocemento, unifamiliar y de bajo costo. Esta proposición es válida, no sólo para Colombia, sino también para otras regiones del mundo. La investigación ha sido diseñada y desarrollada en tres partes. En la primera, El material ferrocemento y la vivienda, se estudia la historia del material, su definición, su potencial en la prefabricación, sus aplicaciones en viviendas de bajo costo y, finalmente, se caracterizan sus propiedades mecánicas. En la segunda parte, Comportamiento sísmico del ferrocemento, se describen los materiales, los elementos y las estructuras que son utilizados para la construcción de las viviendas. Posteriormente, se lleva a cabo una campaña de ensayos para evaluar su comportamiento sísmico y estimar los parámetros estructurales de los paneles prefabricados. Además, se realiza una campaña de ensayos sobre paredes y módulos a escala real. Se analizan los resultados y se identifican las propiedades mecánicas de este tipo de viviendas. También se propone y se calibra un modelo matemático para simular el comportamiento histerético que exhiben este tipo de viviendas cuando soportan cargas cíclicas. Finalmente, en la tercera parte, Una aproximación a la evaluación de la vulnerabilidad sísmica, se hace un estudio de su fragilidad. Para ello se inspeccionaron 146 viviendas prefabricadas de pared delgada a base de cemento situadas en zonas donde la amenaza sísmica es entre intermedia y alta. Así se definió un modelo de vivienda tipo y se implementó una metodología probabilística que tiene en cuenta, de forma natural, las incertidumbres en la acción sísmica, en las características del material y en los parámetros estructurales de las viviendas. La simulación masiva del comportamiento dinámico no lineal de la vivienda tipo, ha permitido estimar curvas de fragilidad y matrices de probabilidad de daño. Un último capítulo de síntesis recoge las principales conclusiones y apunta futuras líneas de investigación. De acuerdo con los resultados de la presente investigación, las primeras grietas en las viviendas aparecen para una deriva aproximada del 0.12 %, mientras que el daño moderado, definido por fallos en la malla y el mortero, aparece para una deriva del 0.8%. Aproximadamente, estas derivas corresponden a cargas de 15 y de 37 kN, respectivamente. Para este tipo de edificaciones, la actual normativa sísmica colombiana, NSR-98, establece una deriva límite del 0.5 %. Teniendo en cuenta que el coste de reparación de una casa que ha sufrido un daño moderado es relativamente alto (40%) parece importante apuntar hacia dos posibles soluciones. La primera consistiría en disminuir la rigidez; la segunda establecería una deriva menor. En ambos casos, el daño esperado y, en consecuencia, el coste de reparación, disminuirían drásticamente. A nuestro parecer, la clave para incrementar la capacidad de deformación, sin daño, de este tipo de viviendas, está en flexibilizar las conexiones. El modo de fallo característico observado en las viviendas prefabricadas de ferrocemento consistió en la formación de un mecanismo de colapso con articulaciones plásticas alrededor de las zonas de conexión estructura-cimentación y cubierta-estructura, principalmente en las conexiones de cubierta, generando inestabilidad en la vivienda. Este trabajo ha permitido detectar también puntos críticos del diseño y construcción de este tipo de viviendas que es necesario estudiar y, creemos, son fácilmente mejorables. Nos referimos a los dispositivos y técnicas de conexión. Los resultados de la evaluación de la vulnerabilidad mostraron que la mayoría de las viviendas tienen una probabilidad de daño leve superior al 90%, mientras que la suma de las probabilidades de los estados de daño moderado y severo es inferior al 5%. El comportamiento sísmico de este tipo de viviendas es bueno. Con todo, y al mismo tiempo, es necesario precisar que estos resultados se refieren a la vivienda típica tal como ha sido definida y modelada en este estudio. A pesar de la idoneidad del ferrocemento, los defectos constructivos y el nulo mantenimiento observados en el trabajo de campo pueden generar una mayor vulnerabilidad de la prevista. El modelo de vivienda de bajo costo aquí propuesto constituye una alternativa válida, viable, resistente y segura, que debe contribuir a paliar la problemática de facilitar el acceso a una vivienda digna, asequible y sostenible en países en vías de desarrollo en general y en Colombia en particular.