Edificios

CONFIGURACION DE EDIFICIOS.

La respuesta de una estructura ante un sismo es compleja ya que se mezclan varios factores, los cuales deben ser tomados en cuenta para diseñar una estructura resistente a sismos; la Configuración es uno de los aspectos que intervienen en dicha respuesta

Las primeras ideas del arquitecto sobre la configuración son trascendentales, ya que es una etapa donde se ponderan las alternativas y antes de discutirse los aspectos de ingeniería, se toman decisiones importantes para los análisis posteriores de la estructura

CONFIGURACION DE EDIFICIOS.

Probablemente algunos arquitectos encuentran que las recomendaciones sobre configuración disminuyen en cierta forma la amplitud de diseños atrevidos y originales, además limita la libertad del uso del espacio interno del edificio, pero por otra parte constituye un reto el conjugar necesidades arquitectónicas y estructurales que consigan un proyecto funcional, seguro y estéticamente atractivo.

Un diseño que evita esta conjugación, rompe con uno de los principios primordiales del diseño arquitectónico, el cual indica que las necesidades estéticas no son las únicas porque también están las funcionales, sociales y estructurales, además de reflejar o guiar el gusto de su época.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESPUESTA SÍSMICA DE UN EDIFICIO

CONFIGURACION ESTRUCTURAL

ESTRUCTURAS REGULARES: son las que no tienen discontinuidades significativas horizontales o verticales en su configuración resistente a cargas laterales.

ESTRUCTURAS IRREGULARES: se definen como aquellas estructuras que presentan una o mas de las caracteristicas indicadas en las tablas 4 o 5 de la norma E-030.

CONFIGURACION ESTRUCTURALTabla N° 5

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN PLANTA

Irregularidad Torsional

Se considerará sólo en edificios con diafragmas rígidos en los que el desplazamiento promedio de algún

entrepiso exceda del 50% del máximo permisible indicado en la Tabla N°8 del Artículo 15

En cualquiera de las direcciones de análisis, el desplazamiento relativo máximo entre dos pisos

consecutivos, en un extremo del edificio, es mayor que 1,3 veces el promedio de este desplazamiento

relativo máximo con el desplazamiento relativo que simultáneamente se obtiene en el extremo opuesto.

Esquinas Entrantes

La configuración en planta y el sistema resistente de la estructura, tienen esquinas entrantes, cuyas

dimensiones en ambas direcciones, son mayores que el 20 % de la correspondiente dimensión total en

planta.

Discontinuidad del Diafragma

Diafragma con discontinuidades abruptas o variaciones en rigidez, incluyendo áreas abiertas mayores a

50% del área bruta del diafragma.

Se recomienda evitar las masas que sean innecesarias porque se traducen en fuerzas innecesarias. Además las masas ubicadas en las partes altas de un edificio no son favorables porque la aceleración crece con la altura, de manera que es conveniente ubicar en los pisos bajos las áreas donde se proveen mayores concentraciones de pesos (tales como archivos, gimnasios, bibliotecas entre otros).

También se debe impedir las fuertes diferencias de los pesos en pisos sucesivos y tratar que el peso del edificio esté distribuido simétricamente en la planta de cada piso, una posición asimétrica generar un mayor momento torsor.

Falsa simetría: Edificios que poseen una configuración en apariencia sencilla, regular y simétrica pero debido a la distribución de la estructura o la masa es asimétrica

RECOMENDACIONES

Favorecer la simetría en ambas direcciones para disminuir los efectos torsionales.

Evitar la presencia de alas muy alargadas que tienden a producir que las alas vibren en direcciones diferentes por la dificultad para responder como una unidad.

La simetría en planta indica que el centro de masa y el centro de rigidez estén localizados en el mismo punto, ello logra disminuir los efectos indeseados de la torsión.

Longitud de planta: Existen dos formas de resolver estos problemas. La primera se basa en considerar los esfuerzos producidos por los movimientos diferenciales durante el diseño y la segunda en permitir los movimientos al incluir juntas.

Falsa simetría: Ubicación simétrica de los elementos resistentes, si por aspectos de planeación no es posible, se debe agregar algunos elementos resistentes en una parte del edificio que equilibren la distribución de la rigidez de forma que disminuya la excentricidad en planta.

ELEVACIÓNLas reducciones bruscas de un nivel a otro, tiende a amplificar la vibración en la parte superior y son particularmente críticas. El comportamiento de un edificio ante un sismo es similar a una viga en volado, donde el aumento de la altura implica un cambio en el período de la estructura que incide en el nivel de la respuesta y magnitud de las fuerzas.

La sencillez, regularidad y simetría que se busca en planta también es importante en la elevación del edificio, para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en ciertos pisos o amplificaciones de la vibración en las partes superiores del edificio.

PROPORCIÓN: Este aspecto puede ser más importante que el tamaño o altura, ya que mientras más esbelto es el edificio mayor es el efecto de voltearse ante un sismo, la contribución de los modos superiores es importante y el edificio puede hacerse inestable por el efecto P-Δ.

VARIACIÓN EN LA RIGIDEZ: El origen de este problema por lo general reside en consideraciones arquitectónicas realizadas sobre terrenos en colinas, relleno de porciones con material no estructural pero rigidizante para crear una faja de ventanas altas, elevación de una porción del edificio sobre el nivel del terreno mediante elementos altos, en tanto que otras áreas se apoyan sobre columnas más cortas, o bien, rigidización de algunas columnas con una mezzanina o desván, mientras otras se dejan de doble altura sin rigidizarlas. Estas configuraciones generan una columna corta que es más rígida y bajo cargas laterales, atraerá fuerzas que pueden estar desproporcionadas con su resistencia.

ESCALONAMIENTO:

a.Como primera estrategia es utilizar cambios de sección en un escalonamiento normal o invertido pequeños. b.Las soluciones para la configuración escalonada son similares a las de su contraparte en planta con esquinas entrantes. c.El primer tipo de solución consiste en una separación sísmica en planta.d. Se debe evitar la discontinuidad vertical de las columnas, un acartelamiento suave evita totalmente el problema del cambio de sección.e.Por último, en áreas de alto riesgo sísmico se deben evitar las configuraciones escalonadas invertidas.

UNIFORMIDAD Y DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA ESTRUCTURAL

La influencia del sistema estructural en la respuesta sísmica es indiscutible ya que suministra la resistencia y rigidez necesaria para evitar daños no estructurales durante sismos moderados, así como garantiza la integridad del edificio. Por lo tanto, es importante que el arquitecto proponga un sistema adecuado para lo cual debe considerar la simplicidad y simetría, igualmente es conviene tomar en cuenta aspectos tales como: cambios de secciones, redundancia, densidad en planta, diafragma rígido, columna fuerte – viga débil, interacción pórtico – muro.

REDUNDANCIA

La redundancia se refiere a la existencia de abundantes líneas resistentes continuas y monolíticas, proporciona un alto grado de hiperestaticidad que cumple con el requisito básico para la supervivencia de la edificación, ya que posee múltiples mecanismos de defensa que garantizan la redistribución de esfuerzos una vez que algunos miembros hayan fallado. En cada una de las direcciones principales de la edificación y salvo que se trate de edificios de dos o tres plantas, es conveniente disponer líneas de resistencia.

DIAFRAGMAS RÍGIDOS

Los diafragmas de las edificaciones deben ser rígidos en su plano para igualar las deformaciones de los elementos verticales y evitar concentraciones de esfuerzos indeseables en las zonas de unión. Las normas permiten diafragmas flexibles pero se hace difícil estimar la respuesta dinámica de edificaciones con diafragmas flexibles. La utilización de diafragmas rígidos simplifica notablemente el proceso de análisis ya que permite el uso de modelos matemáticos sencillos.

INTERACCIÓN PÓRTICO – MURO

Las configuraciones con alta rigidez torsional con respecto a su rigidez traslacional, poseen mejor comportamiento durante sismos, por lo cual los muros deben colocarse en la periferia de la edificación, dando así un uso más eficiente. Lo anterior implica una combinación de muro y pórtico, donde los puntos de unión entre estos deben tener un tratamiento especial porque pueden producir áreas débiles de posible falla. Los muros que poseen grandes aberturas reducen la capacidad del muro y transforman el muro en un pórtico, el tamaño de las aberturas pueden hacer del muro un pórtico que presentaría el problema de columna débil-viga fuerte.

SEPARACIÓN

DEFINICIÓN

La relación del contorno del proyecto es importante en cuanto a la ubicación del edificio dentro del terreno, es trascendental guardar una separación que sea suficiente con respecto a edificios adyacentes, para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo.

ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES

DEFINICIÓN

Los efectos de los elementos no estructurales son menospreciados en un análisis ordinario de estructuras y a menudo son la causa de los daños y la falla. La experiencia ha demostrado que la presencia de elementos noestructurales puede cambiar el comportamiento dinámico de una estructura, ya que las fuerzas sísmicas son atraídas por las áreas de mayor rigidez y si estas no están diseñadas para resistir las fuerzas, posiblemente fallen teniendo efectos desfavorables en la edificación.

Los revestimientos deben estar bien conectados a las paredes o separarlos de las paredes con conectores que eviten la separación de las paredes. Las ventanas se deben separar de la deformación de los pórticos, exceptocuando el cristal sea irrompible (si el desplazamiento horizontal del pórtico es pequeño se puede proteger el vidrio con una masilla suave). Las puertas son elementos importantes durante un evento sísmico, por lo que deben diseñarse para que sigan siendo funcionales después de ocurrido el evento, bien sea mediante análisis dinámico o colocando elementos que no se vean afectados por la deriva lateral.

RECOMENDACIÓN FINAL

Se observa que las formas complejas, carencia de simetría, distribución al azar de los elementos verticales, falta de continuidad de los elementos horizontales por las aberturas o techos en varios niveles, volúmenes agregados que requieren vinculación, luces grandes y detalles no estructurales son los problemas más comunes en el diseño sísmico. Para lograr una configuración adecuada se debe considerar el tiempo, costo y programación para el análisis sísmico, conjuntamente hay que reconocer el hecho que algunos estilos han sido desarrollados en zonas de bajo riesgo sísmico por lo que en regiones de mucha actividad sísmica no son apropiados.

CONFIGURACION DE EDIFICIOS. La importancia de la configuración en la respuesta sísmica ha sido señalada por diversos autores (Arnold, Grases, Dowrick, ATC) ya que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte satisfactoriamente ante sismos, por mucho que se refinen los procedimientos de análisis y dimensionamiento, “si en un principio se tiene una configuración deficiente, todo lo que el ingeniero puede hacer es poner un parche” (Arnold y Reitherman, 1991, p. 17). Así, las observaciones realizadas en varios sismos sobre diferentes países, muestra que los edificios bien concebidos Estructuralmente y bien detallados han tenido un comportamiento adecuado, aunque no hayan sido objeto de cálculos elaborados y no haber satisfecho rigurosamente los reglamentos.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESPUESTA SÍSMICA DE UN EDIFICIO

INFLUENCIA DE LA CONFIGURACIÓN

El termino configuración estructural se refiere tanto a la forma global del edificio como al tamaño, naturaleza y ubicación de los elementos estructurales y componentes no estructurales dentro de el.

LOS ASPECTO QUE INFLUYEN EN LA CONFIGURACIÓN SON:

CONFIGURACION ESTRUCTURALTabla N° 4

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Irregularidades de Rigidez – Piso blando

En cada dirección la suma de las áreas de las secciones transversales de los elementos verticales

resistentes al corte en un entrepiso, columnas y muros, es menor que 85 % de la correspondiente suma

para el entrepiso superior, o es menor que 90 % del promedio para los 3 pisos superiores. No es

aplicable en sótanos. Para pisos de altura diferente multiplicar los valores anteriores por (h i/hd) donde hd

es altura diferente de piso y hi es la altura típica de piso.

Irregularidad de Masa

Se considera que existe irregularidad de masa, cuando la masa de un piso es mayor que el 150% de la

masa de un piso adyacente. No es aplicable en azoteas

Irregularidad Geométrica Vertical

La dimensión en planta de la estructura resistente a cargas laterales es mayor que 130% de la

correspondiente dimensión en un piso adyacente. No es aplicable en azoteas ni en sótanos.

Discontinuidad en los Sistemas Resistentes.

Des alineamiento de elementos verticales, tanto por un cambio de orientación, como por un

desplazamiento de magnitud mayor que la dimensión del elemento.

CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO PARA EL COMPORTAMIENTO

SÍSMICO

PESOEl tamaño del edificio indica también el peso del mismo por ello debe procurarse un edificio lo más ligero posible, incluyendo el peso de los revestimientos y elementos divisorios que inducen en la respuesta, fuerzas ajustadas a su peso. Cualquier cambio en el tamaño del edificio afecta su comportamiento y las alternativas en la solución estructural.

DISTRIBUCIÓN IRREGULAR DE PEOS EN EL EDIFICIO

Muros Perimetrales: Los muros laterales y/o traseros están sobre los límites de la construcción por lo que no tiene aberturas, mientras la fachada frontal con ventanas hacia la calle es abierta; por lo que el techo tiende a torcerse, generando problemas sobre el edificio.

Esquina: Plantas con formas en L, T, U, H, +, o una combinación de estas. Durante un movimiento sísmico cada ala tiene un movimiento diferente y la esquina

interior o entrante que es la unión entre las dos alas adyacentes es la parte que más daño va a presentar.

Muros perimetrales: El objetivo de cualquier solución para este problema consiste en reducir la posibilidad de torsión. Se pueden emplear alternativamente cuatro estrategias; pórticos con resistencia y rigidez

aproximadamente iguales para todo el perímetro. Aumentar la rigidez de las fachadas abiertas mediante muros dentro o cerca de la parte abierta. Aceptar la posibilidad de tener torsión y diseñar la estructura para resistirla.

Esquina: La solución al problema de esquina tiene dos enfoques; dividir estructuralmente el edificio en formas más sencillas o unir con más fuerza la unión de los edificios mediante colectores en la intersección, muros estructurales o usar esquinas entrantes achaflanadas en vez de ángulos rectos, que reduzcan el problema del cambio de sección.

ESCALONAMIENTO: Consiste en una o más reducciones abruptas en el tamaño del piso de un nivel con respecto al siguiente. También en hacer el edificio más grande a medida que se eleva, lo que se conoce como escalonamiento invertido.

RECOMENDACIONES

PROPORCIÓN: Para evitar los problemas de proporción se sugiere limitar la relación altura/anchura a 3 ó 4

VARIACIÓN EN LA RIGIDEZ:

Si no se puede evitar la situación planteada, una solución consiste en igualar las rigideces de las columnas aumentando las dimensiones de los elementos menos rígidos.

CAMBIOS DE SECCIONES

Los cambios bruscos de sección en los miembros son un tipo de problema de variación de rigidez que se debe evitar. De igual forma los muros y/o columnas que no siguen una misma línea, no son recomendables por lo que estas líneas de resistencia deben ser continuas.

DENSIDAD EN PLANTA

La densidad de la estructura en planta a nivel del terreno, se define como el área total de todos los elementos estructurales verticales (columnas, muros, diagonales) dividida entre el área bruta del piso.

En un edificio contemporáneo típico, este porcentaje se reduce al mínimo valor en pórticos. Por ejemplo, en un edificio típico de 10 a 20 pisos, con pórticos de concreto o acero resistentes a momentos, las columnas ocuparán el 1% o menos del área de su planta y los diseños en que se usa una combinación de pórticos-muros de cortante alcanzarán típicamente una densidad de estructuras en planta a nivel del suelo de cerca del 2%. Incluso para un edificio de oficinas.

COLUMNA FUERTE – VIGA DÉBIL

En sistemas apórticados es un requisito fundamental para el buen comportamiento de la estructura, que la disipación de energía se inicie en los elementos horizontales, por lo que se debe anteponer los diseños decolumnas fuertes y vigas débiles. En fachadas se puede usar elementos no estructurales que se adapten a los requerimientos arquitectónicos, o bien admitir el diseño columna fuerte viga débil en la fachada.

Este problema se puede solucionar de tres formas. El primer tipo de solución es separar el pórtico del muro para evitar una falla por flexión en la unión de la viga sobre el muro. La segunda solución consiste en unir el pórtico y el muro con la fundación de manera más firme, para reducir grandes desplazamientos entre los dos tipos de sistemas estructurales, esta solución puede ser adecuada para muros y pórticos bajos, pero no resolverá los problemas creados por muros altos y esbeltos. Para estos la solución consiste en conectarlos con una vigasuperior de transferencia de alta capacidad.

PROBLEMA

El daño puede ser particularmente grave cuando los pisos de los cuerpos adyacentes no coinciden en las mismas alturas de manera que durante la vibración las losas de piso de un edificio pueden golpear a media alturalas columnas del otro. Este choque se denomina golpeteo y esta relacionado con las juntas de separación y la rigidez. El estudio del golpeteo entre edificios se relaciona con la localización del edificio en relación con otrasestructuras.RECOMENDACIÓN

Una regla práctica para las estructuras relativamente rígidas indica que las separaciones serán de 2,5 cm más 1,25 cm por cada 3 m de altura en exceso de 6 m. Otra alternativa es separar 3,2 cm de separación paraedificios de hasta 4,88 m, y 1,9 cm más por cada 4,88 m de altura adicionales. Aunque lo más conveniente es determinar el desplazamiento de cada uno de los edificios y dar una separación que contemple el caso cuando las dos partes están lo más cerca.

RECOMENDACIÓN

Para evitar los efectos no deseados de los elementos no estructurales, se debe evitar una disposición irregular en planta y elevación de la tabiquería y diseñarla para que resista la distorsión estructural. Para ello existen dos enfoques. El primero consiste en integrarla a la estructura y el segundo en separarla de forma adecuada de los pórticos.

Cuando la presencia de tabiques imponga cambios en la luz libre de las columnas y no sea posible separar los tabiques, se recomienda verificar que la columna, en toda su extensión, esté en capacidad de resistir lasfuerzas que se puedan inducir en la misma. La columna, producto de la parte libre de tabiquería se comporta como una de menor longitud y por tanto mayor rigidez.

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