CRITERIOS GENERALES DE ESTRUCTURACIÓN Y DISEÑO Generalidades.

La mayoría de Códigos reconoce la complejidad del Diseño Sísmico de las edificaciones y define alcances u objetivos generales. En el caso de la Norma el criterio de Diseño Sismorresistente se expresa señalando que las edificaciones se comportan ante los sismos considerando:

• Resistir sismos leves sin daños.

• Resistir sismos moderados considerando la posibilidad de daños estructurales leves.

• Resistir sismos severos con la posibilidad de daños estructurales importantes con una posibilidad remota de ocurrencia del, colapso de la edificación.

El problema del diseño sismorresistente es único en muchos aspectos, un gran sismo produce fuerzas de inercia que son muy superiores a la carga mas severa que ha de soportar la estructura durante su vida útil, sin embargo solo existe una pequeña probabilidad de que esta carga ocurra, y mas aún en el caso que la duración de esta carga sea pequeña. Esta combinación de condiciones hace que el .diseño esté orientado a evitar el colapso frágil de una estructura, aún para el caso del sismo más fuerte. Pero aceptando la posibilidad de daños estructurales sobre la base de que es más económico reparar o reemplazar las estructuras dañadas por un gran sismo que construir todas las estructuras suficientemente fuertes para evitar daños. Este concepto de diseño presenta un reto al ingeniero estructural: como diseñar una estructura económica, que sea susceptible de dañarse en un gran terremoto. Pero cuyo colapso esté controlado de manera de evitar pérdidas de vidas humanas.

El cuidado tanto en el diseño y detallado como en la construcción, son fundamentales para obtener una estructura sismorresistente. Es frecuente en la práctica que la mayor parte del tiempo que se dedica al diseño estructural de un edificio se invierta en los procesos de análisis y dimensionamiento, y que se examinen solo con brevedad los aspectos de diseño conceptual y de estructuración. Desde el punto de vista de diseño sísmico esta costumbre es particularmente peligrosa, puesto que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte satisfactoriamente ante sismos.

Es evidente que la configuración estructural queda en buena parte definida por el proyecto arquitectónico. Es por ello que en esta etapa es esencial la comunicación entre el responsable del proyecto arquitectónico y el proyecto estructural. Constituye, por tanto, un factor importante para los proyectista conjugar las necesidades arquitectónicas y estructurales y lograr un proyecto que sea a la vez funcional, seguro, estéticamente atractivo, y económico.

Características Relevantes del Edificio para el Comportamiento Sísmico. a) Peso.

Reconociendo que las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa y en consecuencia, al peso del edificio, por lo que se debe procurar:

• Que la estructura sea lo mas ligera posible, una parte importante del peso de la construcción proviene de los revestimientos y de los elementos divisorios no estructurales. Es allí donde mas fácilmente se puede lograr reducciones.

• Es importante evitar masas excesivas en las partes altas del edificio. Así en el proyecto arquitectónico conviene ubicar en los pisos bajos las áreas donde se prevén mayores concentraciones de peso.

• Debe evitarse fuertes diferencias en los pesos de pisos sucesivos, porque generan variaciones bruscas en las fuerzas de inercia y en la forma de vibrar del edificio.

b) Forma del Edificio en Planta.

Algunos aspectos de la forma en planta del edificio propician una respuesta sísmica poco conveniente y deben evitarse. Entre estos aspectos:

• La asimetría de la planta tiende a provocar vibraciones torsionales del edifico. Aunque es factible eliminar o minimizar la vibración mediante una distribución de elementos resistentes que haga coincidir el baricentro de masas con el centro de torsión.

• Se debe evitar la presencia de alas muy alargadas. Esto tiende a producir que las alas vibren en direcciones diferentes, con lo que se produce fuertes concentraciones de solicitaciones en las esquinas interiores de la planta.

• Es recomendable que las plantas no sean muy alargadas. Mientras mayor es la longitud del edificio, mayor es la probabilidad que actúen sobre su base movimientos que difieran en un extremo y otro en planta pero el problema principal de las plantas muy largadas es que la flexibilidad del sistema de piso puede provocar vibraciones importantes, las que incrementan sustancialmente las solicitaciones en la parte central del edificio.

c) Forma del Edificio en Elevación.

La sencillez, regularidad y simetría son deseables también en la elevación de edificio para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en ciertos pisos o amplificaciones de la vibración en las partes superiores del edificio:

• Particularmente criticas son las reducciones bruscas en la parte superior del edificio, donde el cambio drástico de rigidez tiende a producir gran amplificaron de vibración en la punta.

• La esbeltez excesiva de la construcción puede provocar problemas de volteo, de inestabilidad (efecto P-Delta) y de transmisión de cargas elevadas a la cimentación y al subsuelo.

• Debe evitarse fuertes diferencias en los pesos de pisos sucesivos, porque generan variaciones bruscas en las fuerzas de inercia y en la forma de vibrar del edificio.

Criterios para lograr Estructuras Sismorresistentes de Concreto Armado.

Mientras más compleja es la estructura, mas difícil resulta predecir su comportamiento sísmico. Por esta razón, es aconsejable que la estructuración sea lo más simple y limpia posible, de manera que la idealización necesaria para su análisis sísmico se acerque lo más posible a la estructura real.

Los principales criterios básicos para lograr estructuras sismorresistentes son:

a) Simplicidad y Simetría.

Es necesario que la estructura sea simple y simétrica por la facilidad para idealizar los elementos estructurales con bastante aproximación a la estructura real y también para predecir el comportamiento sísmico de la estructura:

• Al hacer un modelo matemático para realizar el análisis estructural de un pórtico perfectamente definido y simple puede reflejar resultados aproximados a los valores reales. Sin embargo, cuando las estructuras son complejas se presentan dificultades en hacer el modelo efectuándose simplificaciones que no permiten asegurar la similitud del modelo y comportamiento real.

• La simetría de la estructura en dos direcciones es deseable porque a falta de simetría se producen efectos torsionales que son difíciles de evaluar y puede ser muy destructivo. • Las fuerzas de sismo se idealizan actuando en el centro de masa (CG), en cada piso,

pero cuando estas fuerzas son absorbidas por los elementos estructurales se consideran actuando en el centro de rigidez (CR), si no existen la coincidencia entre estos dos centros no solo se producen el movimiento trasnacional sino adicionalmente un giro en la planta estructural (torsión), lo cual incrementa los esfuerzos en el elemento pudiendo sobrepasar los esfuerzos resistentes.

b) Resistencia y Ductilidad

Las estructuras deben tener resistencia sísmica adecuada en todas las direcciones ó por lo menos en dos direcciones ortogonales de tal manera que se garantice la estabilidad tanto del elemento, como del todo. Las fuerzas sísmicas ó fuerzas de sismo se establecen para valores intermedios de la solicitación confiriendo a la estructura una resistencia inferior a la máxima necesaria. Debiendo complementarse el saldo otorgándole una adecuada ductilidad (capacidad de deformarse de las estructuras o elementos estructurales sin llegar al estado de falla o colapso).

Otro aspecto importante que debe ser tomado en cuenta en la concepción de estructuras aporticadas es la ubicación de rótulas plásticas. El diseño debe tender a que estas se produzcan en elementos que menos contribuyen a la estabilidad de la estructura. Por esta razón es conveniente que ellas se produzcan en las vigas para disipar mas tempranamente la energía sísmica, además al diseñar una estructura de concreto armado debe garantizarse que la falla se produzca por fluencia de acero y no por compresión del concreto.

c) Hiperestaticidad y Monolitismo.

Debe diseñarse estructuras que posean una disposición hiperestática para lograr mayor capacidad resistente con un comportamiento monolítico y si no lo fuera así, implicaría la falla de uno de los elementos o conexiones en la estabilidad de la estructura.

d) Uniformidad y Continuidad de la Estructura.

La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación con elementos que no cambien bruscamente de rigidez para evitar concentraciones de esfuerzos. Si se usan placas (muros de concreto armado), las reducciones deben ser paulatinas.

e) Rigidez Lateral.

Para que una estructura pueda resistir fuerzas horizontales sin tener deformaciones importantes será necesario proveer de elementos estructurales que aporten rigidez lateral en sus direcciones principales. Se ha comprobado un mejor comportamiento durante un sismo en estructuras rígidas que en estructuras flexibles.

Las estructuras flexibles tienen la ventaja de ser más fáciles de alcanzar la ductilidad deseada al menos analíticamente. Sus desventajas se presentan en el proceso de construcción debido a la congestión de las armaduras en los nudos, es posible que se introduzcan una distribución diferente de refuerzos y que las deformaciones laterales sean significativas siendo a menudo excesivos.

Las estructuras rígidas tienen la ventaja de no tener mayores problemas constructivos, pero poseen la desventaja de no alcanzar la ductilidad, elevadas y su análisis es más complicado.

Actualmente estos problemas resuelven con la inclusión de muros de corte en edificios aporticados a fin de tener una combinación de elementos rígidos y flexibles con ello se

consigue que el muro límite la flexibilidad del pórtico disminuyendo las deformaciones, en tanto que este último le confiere hiperestaticidad al muro y por lo tanto le otorga una mejor posibilidad de disipación de energía sísmica.

f) Losas que permitan considerar a la Estructura como una Unidad.

En análisis es necesario considerar la existencia de una losa rígida en su plano que permite la idealización de la estructura como una unidad donde las fuerzas horizontales aplicadas puedan distribuirse en las columnas y muros (placas), de acuerdo a su rigidez lateral manteniendo toda una misma deformación lateral para un determinado nivel, debiendo evitarse losas con grandes aberturas que debiliten la rigidez de las mismas. Las estructuras alargadas en planta tienen mayor posibilidad de sufrir diferentes movimientos sísmicos aplicados en sus extremos, situación que puede producir resultados indeseables. Una solución a este problema es independizar el edificio en dos o más secciones mediante juntas de separación sísmica debidamente detallada y construida para evitar el choque de dos edificios adyacentes. La misma solución es aplicable para separar en secciones de edificaciones en formas de T, U, ó L.

g) Elementos No Estructurales.

Otro aspecto que debe ser tomado en cuenta en una estructuración es la influencia de elementos no estructurales. Estos desempeñan un papel de amortiguamiento dinámico debido principalmente a que al producirse agrietamientos internos aumentan los rozamientos sobre todo los sismos violentos entonces estos elementos contribuyen a disipar energía sísmica aliviando a los elementos resultantes. Sin embargo presentan también algunos efectos negativos debido a que al tomar esfuerzos no previstos en el cálculo distorsionan la distribución supuestas de esfuerzos. Por esta razón deben ser convenientemente considerados en el diseño de estructuras flexibles.

En algunos casos la tabiquería puede presentar efectos nocivos por ejemplo formar columnas cortas (ventanas altas), entonces estos defectos deben corregirse mediante la independización de los tabiques. Si la estructura es rígida conformada por muros de concreto armado (placas o muros de corte), y pórticos es probable que la rigidez de los tabiques de ladrillo sea pequeña en comparación con la de los elementos de concreto armado, entonces se puede despreciar en el análisis los efectos de los tabiques de ladrillo. Si la estructura está conformada básicamente por sistemas de pórticos con abundancia tabaquería esta no podrá despreciarse en el análisis, pues su rigidez será apreciable, obteniéndose una rigidez del conjunto (pórtico tabiquería), muy diferente a la de los pórticos solamente. Por otra parte muchas estructuras de concreto armado se componen de elementos de albañilería que son sistemas de muros resistentes a las cargas de gravedad y cargas horizontales del sismo en las dos direcciones principales de la estructura. Si se compara la rigidez lateral de un muro de albañilería y un muro de pórtico de C°. A° formado por columnas y vigas de dimensiones normales, se encuentra que el muro tiene mayor rigidez, entonces este, viene a constituir como elemento principal de la estructura. El diseño deberá contemplar por tanto la participación real de ambos elementos, albañilería y pórticos armados. Si en una dirección se tiene abundantes muros y en la otra muy pocos, entonces se tendrá una resistencia adecuada en la primera e inadecuada en la segunda, por consiguiente; estos últimos fallaran debido a los esfuerzos actuantes han sobrepasado a los esfuerzos admisibles.

h) Sub estructura o Cimentación.

En el diseño de la cimentación deberán considerarse los siguientes factores: • Transmisión del corte basal de la estructura del suelo.

• Provisión para los elementos volcantes.

• Posibilidad de movimientos diferenciales de los elementos de la cimentación. • Licuefacción del subsuelo.

En el análisis estructural de la Sub Estructura, deberá considerarse la posibilidad de giro de la cimentación. Mientras menos estable sea el terreno de fundación o de cimentación es mayor la importancia del considerar la posibilidad de giro lo cual afecta a la determinación del periodo de vibración, el coeficiente sísmico, la distribución de fuerzas entre placas y pórticos, la distribución de la fuerza sísmica lo alto de la edificación en los distintos niveles y diseño de los diferentes elementos estructurales.

Requisitos Básicos de Estructuración.

En términos generales, podemos establecer los cuatro requisitos siguientes para el sistema estructural de edificios en zonas sísmicas:

• El edificio debe poseer una configuración de elementos estructurales que le confiera resistencia y rigidez a cargas laterales en cualquier dirección. Esto se logra generalmente, proporcionando sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales.

• La configuración de los elementos estructurales debe permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas sísmicas desde el punto en que estas se generan hasta el terreno. • Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las concentraciones de solicitaciones

y las vibraciones torsionales que puedan producirse por la distribución irregular de masas o rigideces en planta o elevación. Para tal fin conviene que la estructura sea lo más posible: sencilla, regular, simétrica continúa.

• Los sistemas estructurales deben disponer de redundancia y de capacidad de deformación inelástica que les permita disipar la energía introducida por sismos de excepcional intensidad, mediante elevado amortiguamiento inelástico y sin la presencia de fallas frágiles locales y globales.

Sistemas Estructurales.

De estos principios básicos derivan diversas recomendaciones específicas sobre estructuración pero los sistemas estructurales con los que se cuenta para proporcionar la resistencia a cargas laterales de los edificios son:

a) Marco Tridimensional:

Es el que esta formado por columnas y vigas en dos direcciones, conectadas entre si de manera de permitir la transmisión de momentos flexionantes y proporcionar rigidez lateral a la estructura. Desde el punto de vista sísmico su principal ventaja es la ductilidad y capacidad de disipación de energía que se pueden lograr con este sistema, cuando se siguen los requisitos fijados para tal efecto para cada material estructurales mecanismo que se pretende propiciar mediante dichos requisitos es el llamado de “viga débil-columna fuerte”, dado que el comportamiento ante cargas laterales de un marco esta regido por las deformaciones de flexión de sus vigas y columnas, el sistema presenta una resistencia y rigidez a cargas laterales relativamente bajas, a menos que las secciones transversales de estos elementos sean extraordinariamente robustas. Los edificios a base de marcos resultan en general considerablemente flexibles y en ellos se vuelve crítico el problema de mantener los desplazamientos laterales dentro de los límites prescritos por las normas. La alta flexibilidad de los edificios a base de marcos da lugar a que su periodo fundamental resulte en general largo.

b) Marco Rigidizado:

Con diagonal de contraviento, con núcleos rígidos o con muros de relleno. En estas estructuras la interacción entre los dos sistemas básicos produce una distribución de las cargas laterales que es compleja y variable con el número de pisos, pero que da lugar a incrementos sustanciales de rigidez y resistencia con respecto a la estructura a base de marcos. Mediante una atinada distribución de elementos rigidizantes es posible mantener las ventajas de la estructura a base de marcos en lo relativo a la libertad de uso del espacio y la ductilidad, a la vez que se obtiene una estructura con mucha mayor rigidez y resistencia ante cargas laterales. Por la extrema diferencia en rigidez que existe entre las zonas

rigidizadas y el resto de la estructura, las fuerzas laterales se concentran en dicha zona y así se transmiten a áreas concentradas de la cimentación. Pueden producirse, además, solicitaciones excesivas en los elementos que conectan al resto de la estructura con las zonas rigidizadas.

c) Estructura Tipo Cajón:

De paredes de carga esta formado por paneles verticales y horizontales conectados para proporcionar continuidad. Este sistema da lugar a edificios con gran rigidez y resistencia a cargas laterales.

Las proporciones de los muros son en general tales, que domina la falla por cortante sobre la flexión y por tanto no se pueden esperar buenas características de disipación de energía en campo elástico.

Requisitos Específicos de Estructuración.

• El primer requisito básico es que el edificio debe poseer un sistema estructural que le proporcione rigidez y resistencia en dos direcciones ortogonales, para ser capaz de soportar los efectos sísmicos en cualquier dirección.

• Para que una estructura sea considerada regular no debe tener discontinuidades significativas horizontales o verticales en su configuración resistente a las cargas laterales, la relación entre la excentricidad y la dimensión de la planta no debe exceder de 0.1.

• Además de la simetría es conveniente que la estructuración posea una elevada rigidez torsional para hacer frente a posibles torsiones accidentales. Por ello es preferible que los elementos más rígidos se encuentren colocados en la periferia.

• Finalmente con respecto al problema de la vibración torsional, debe evitarse que se presenten excentricidades no solo en cuando la estructura responde en un intervalo lineal, sino también cuando alguno de sus elementos responde no linealmente.

• El siguiente aspecto que hay que cuidar es la continuidad en elevación del sistema estructural. Los cambios bruscos de rigidez y resistencia con la altura llevan a diversos problemas.

Criterios de Calificación.

a) Según el Ing. Héctor Gallegos Vargas. • Forma:

• Conformación Estructural:

b) Según los Ing. Enrique Bazán y Roberto Meli. • Forma en planta:

i. Formas asimétricas en planta que son indeseables por tender a producir vibración

torsional.

ii. Planos con alas muy largas.

iii. Limites recomendables para los lados de la planta de un edificio.

• Forma en elevación

i. Dimensiones de las plantas en pisos superiores.

ii. Limitación a la esbeltez del edificio

c) Según la Norma de Diseño Sismorresistente E-030 • Configuración estructural

Las estructuras deben ser clasificadas como regulares o irregulares con el fin de determinar el procedimiento adecuado de análisis y los valores apropiados del factor de reducción de fuerza sísmica.

i. Estructuras Regulares. Son las que no tienen discontinuidades significativas

horizontales o verticales en su configuración resistente a cargas laterales.

ii. Estructuras Irregulares. Se definen como estructuras irregulares aquellas que

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA