Criterios para la estructuracin de edificios

Ing. Carlos Salcedo Chahud

Objetivos

Establecer recomendaciones generales para lograr estructuras eficientes en edificios ubicados en zonas

de alto riesgo ssmico.

ModeradorNotas de la presentacinEl objetivo principal de este captulo es entregar orientaciones para obtener edificios que estn estructurados en forma adecuada. El proceso de estructuracin involucra un proceso creativo que depende mucho de la experiencia del diseador. Por lo tanto, en este captulo se entregan recomendaciones generales de buena prctica, las que deben ser tomadas como una base para decidir a la hora de estructurar un edificio.

CONTENIDO

Criterios para la Estructuracin de Edificios

1. Introduccin2. Sistemas estructurales3. Configuracin4. Recomendaciones5. Normas tcnicas

ModeradorNotas de la presentacinEste captulo entrega recomendaciones generales para estructurar edificios, de modo de evitar comportamientos poco deseables en estas estructuras. El captulo comienza con definiciones de los conceptos principales asociados a la estructuracin. A continuacin, se presentan los distintos sistemas estructurales disponibles en la actualidad, seguido de criterios generales que permiten obtener estructuras sanas. Las diferentes condiciones de regularidad estructural se presentan luego, junto con los problemas asociados a la falta de esta. Disposiciones de buena prctica en la estructuracin de edificios en particular se discuten a continuacin.

ESTRUCTURACION

1. Introduccin

Etapa inicial del diseo, en la cual se define, con base en el proyecto arquitectnico, el sistema estructural, se pre-dimensionan los elementos que forman de este sistema y se busca la mejor configuracin.

ModeradorNotas de la presentacinLa estructuracin puede describirse en pocas palabras como el proceso de definir la forma de la estructura de una edificacin, en trminos de dimensiones, tipos de miembros estructurales y sistema de soporte de cargas.

1. Introduccin

Precauciones especiales: estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad suelos de baja capacidad de carga zonas de vientos fuertes (costas) zonas propensas a la corrosin sitios donde se tengan incertidumbres con relacin a las

acciones.

ESTRUCTURACION

ModeradorNotas de la presentacinSi bien siempre se debe ser cuidadoso en la estructuracin elegida, deben tomarse precauciones adicionales cuando hay circunstancias especiales con respecto a las solicitaciones o las condiciones locales, como los casos indicados aqu.

2. Sistemas estructurales

Prticos rgidos Muros de corte Combinacin de los sistemas anteriores Estructura de acero prticos arriostrados

TIPOS

ModeradorNotas de la presentacinLa gran mayora de las estructuras de edificios caen dentro de uno de los tipos aqu indicados.

2. Sistemas estructurales

Proyectar, siempre que sea posible, estructuras continuas en altura en dos direcciones ortogonales para otorgar continuidad y

redundancia a la estructura.

ModeradorNotas de la presentacinPara minimizar las discontinuidades en altura y la aparicin de pisos dbiles, se recomienda:Evitar concentraciones de masa en pisos determinados.Usar estructuraciones continuas en altura, como las mostradas en la figura, que eviten cambios bruscos de rigidez entre pisos.

2. Sistemas estructuralesSELECCIN DEL MATERIAL DE ACUERDO CON LA ALTURA DE UNA EDIFICACIN

BAJA MEDIA ALTA

Acero Acero AceroAlbaileria Concreto Concreto (tal vez de alta

resistencia)Concreto Estructura mixta de

acero y concreto

NOTAS: Altura baja: entre 1 y 5 nivelesAltura media: entre 5 y 20 nivelesEdificio alto: ms de 20 niveles

PREFERENCIA DEMATERIALES

ModeradorNotas de la presentacinEn esta lmina se entrega recomendaciones, considerando criterios universalmente aceptados, de los materiales ms adecuados para construir de acuerdo a la altura del edificio.

3. Configuracin

Se refiere tanto a la forma del edificio como al tamao, naturaleza y localizacin de los elementos resistentes y no estructurales dentro de l.

DEFINICION

ModeradorNotas de la presentacinUn aspecto comn a estructuras de cualquier material, y que debe constituir el principio fundamental del proyecto estructural es el que se refiere a la forma general de las edificaciones, principalmente cuando se trata de edificios de mediana altura y altos. Las experiencias derivadas de los ltimos sismos fuertes ocurridos alrededor del mundo (Santiago de Chile, 1985; Ciudad de Mxico, 1985; Northridge, Cal., 1994; Kobe, Japn, 1995; Estambul, Turqua; Atenas, Grecia; Taiwn; Colima, Mxico; Irn; etc.) han recalcado el buen comportamiento de las edificaciones simtricas y regulares: en geometra (elevacin y planta), en distribucin de masas, en rigideces y en resistencia.

Irregularidad en planta

3. Configuracin

CONFIGURACIONEN PLANTA

ModeradorNotas de la presentacinFormas en planta como las mostradas tienen una rigidez y resistencia a la torsin muy limitada, por lo que cualquier excentricidad que genere torsin en planta puede desencadenar fallas por sobrecarga de los elementos estructurales debido a los esfuerzos adicionales asociados. Esta torsin puede ser causada por: tolerancias de construccin, las que generan excentricidades accidentales; falla prematura de un elemento, lo que desplaza el centro de rigidez; diferencia de posicin del centro de rigidez con respecto al centro de corte, como en el caso de las dos plantas de ms a la derecha; etc.Adicionalmente, se pueden generar concentraciones de esfuerzo en los puntos de interseccin de los elementos que conforman la planta.

3. ConfiguracinRECOMENDACIONES

Uso de juntas ssmicas para diseos estructuralescon configuracin de planta compleja

ModeradorNotas de la presentacinLos problemas asociados con una distribucin en planta inadecuada se pueden resolver dividiendo el edificio en componentes independientes y usando juntas de expansin o juntas ssmicas entre los distintos cuerpos resultantes.

Asimetra, debidoa disposicin de elementos resistentes

3. Configuracin

ASIMETRIA

ModeradorNotas de la presentacinOtra causa de torsin en planta es la excentricidad entre el centro de gravedad de la planta y el centro de rigidez originado por una disposicin asimtrica de los elementos resistentes en planta, como se muestra en la figura.

3. Configuracin

EFECTO DEEXCENTRICIDAD

Cuando existe excentricidad, los daos sepresentan en los elementos de los extremos

ModeradorNotas de la presentacinLa torsin generada por la excentricidad hace que los miembros estructurales ms alejados se vean sometidos a esfuerzos mayores, los cuales pueden causar la falla de estos miembros. La figura muestra un edificio cuyo centro de rigidez estaba desplazado hacia la caja de escaleras de la esquina posterior derecha, lo que caus que el muro en el lado ms cercano fallara al estar sometido a fuerzas cortantes ms grandes que para las que fue diseado.

3. ConfiguracinIRREGULARIDADEN ELEVACION

Irregularidad en altura:Cambio abrupto en la geometra

ModeradorNotas de la presentacinOtra fuente de problemas de comportamiento lo constituye la irregularidad en altura. La figura muestra casos de irregularidad en altura ocasionados por cambios en la geometra de la edificacin. Estas irregularidades pueden llevar a la concentracin de esfuerzos en pisos especficos, los que pueden fallar ocasionando el colapso parcial o total de la edificacin.

3. Configuracin

CONCENTRACIONDE MASAS

Irregularidad en altura:Cambio abrupto en la masa.

ModeradorNotas de la presentacinAs como la geometra puede variar, tambin pueden producirse concentracin de masas en algunos pisos, como efecto del uso de esos pisos. Un ejemplo es la utilizacin de pisos para almacenamiento en un edificio, o la ubicacin de grandes masas de agua en los pisos superiores, tales como estanques o piscinas.

3. Configuracin

CONCENTRACIONDE MASAS

Concentraciones de masa en altura aumentan la vulnerabilidad de las estructuras frente a sismos

ModeradorNotas de la presentacinLa figura muestra la falla de un edificio debido a concentraciones de masa. En particular se puede observar el colapso de uno de los estanques ubicados en el techo.

3. Configuracin

PROBLEMASDE RIGIDEZ

Irregularidad en altura:Cambio abrupto en la rigidez.

ModeradorNotas de la presentacinOtra posibilidad de irregularidad en altura la constituyen los cambios de rigidez entre pisos. La figura muestra tres casos ms o menos frecuentes: un primer nivel de doble altura, muy comn en hoteles, en la izquierda; un piso intermedio de mayor altura en el medio; y la transformacin de un muro lleno en dos muros de menor tamao con una abertura en el primer nivel, a la derecha.

Discontinuidad en elementos y flujo de fuerzas

3. Configuracin

DISCONTINUIDADES

ModeradorNotas de la presentacinProblemas similares ocurren por interrupcin de miembros estructurales, cuya carga debe ser transferida a otros elementos, generando puntos de concentracin de esfuerzos y sobrecarga en aquellos elementos que no se descontinan.

Piso dbil

3. Configuracin

PISOSDEBILES

ModeradorNotas de la presentacinLas irregularidades en altura pueden generar la formacin de pisos dbiles. Estos pisos dbiles poseen una menor rigidez y resistencia y, por tanto, el dao y la deformacin se concentran en ellos, generando la falla o incluso colapsos parciales o totales de estructuras.

Antes Despus

La discontinuidad de elementos verticales aumenta la vulnerabilidad de las estructuras frente a sismos

3. ConfiguracinDISCONTINUIDADES

ModeradorNotas de la presentacinLa figura muestra los efectos de una discontinuidad donde el muro de los pisos superiores desaparece para convertirse en pilares mucho menos rgidos y resistentes. Esto lleva al colapso de estos pilares, los que arrastran el muro al perder este sus puntos de apoyo.

Piso dbil producto de la discontinuidad de muros en el primer piso

3. ConfiguracinPISOS

DEBILES

ModeradorNotas de la presentacinLa figura muestra la falla debido a la formacin de un piso dbil en el primer piso del edificio, debido a la discontinuidad de muros en este piso.

La interaccin entre elementos estructurales y no estructurales, puede causar daos de consideracin

3. ConfiguracinINTERACCION

ModeradorNotas de la presentacinUno de los problemas asociados a aspectos constructivos tiene que ver con la interaccin entre elementos estructurales y no estructurales. Esta interaccin puede originar fallas en ambos tipos de elementos.

Daos producidos por la interaccin de elementosestructurales y no estructurales

3. ConfiguracinINTERACCION

ModeradorNotas de la presentacinLa figura muestra el vaciamiento de tabiquera de ladrillos debido a la interaccin de esta con las columnas y vigas de la estructura. Si bien esta falla no causa la falla de la estructura, puede provocar daos considerables al contenido de los edificios y representar un peligro para la integridad fsica de las personas en su interior.

Interaccin de muros de albailera con marco de concreto generando fallas por columnas corta

3. Configuracin

INTERACCION

ModeradorNotas de la presentacinTambin puede ocurrir que la interaccin entre elementos estructurales y no estructurales resulte en la falla de los primeros. La figura muestra una falla por columna corta que ocurre debido a que el muro de albailera de altura parcial restringe la deformacin de la columna de hormign. Esto hace que se generen momentos ms grandes que los esperados en el segmento libre de la columna, adems de una mayor predominancia del efecto del cortante, lo que genera la falla prematura de la columna.

3. Configuracin

Las columnas cortas pueden y deben ser evitadas.

COLUMNACORTA

ModeradorNotas de la presentacinLa figura muestra el caso de una falla por columna corta.

Interaccin entre elementosestructurales y no estructurales

3. Configuracin

INTERACCIONRECOMENDACIONES

ModeradorNotas de la presentacinLa figura ilustra en los pisos inferiores la condicin en que elementos estructurales y no estructurales estn unidos y pueden interactuar, mientras en el piso superior se muestra una posible solucin para desacoplar los tabiques de albailera de la estructura usando juntas de dilatacin. Los topes en el borde superior del tabique evitan que este se cimbre fuera del plano como un voladizo, disminuyendo los momentos flectores a que est sometido.

Zona de choque entre edificios y formas de prevenirlo

3. Configuracin

GOLPETEORECOMENDACIONES

Refuerzo de pisos crticos

ModeradorNotas de la presentacinLa figura (a) muestra una situacin similar a la de los edificios en la lmina anterior. Para prevenir el problema de choque entre edificios vecinos existen dos soluciones posibles:1. Proveer una separacin adecuada entre edificios que considere los desplazamientos mximos que puede tener cada estructura. Esto slo es posible si se trata de nuevas construcciones.2. Rigidizar los edificios en los niveles crticos para disminuir los desplazamientos en esos pisos. Esto debe hacerse con mucho cuidado, ya que se debe evitar crear una irregularidad en altura.

El choque entre edificios vecinos compromete su estabilidad

3. ConfiguracinGOLPETEO

ModeradorNotas de la presentacinOtro comportamiento indeseable tiene que ver con el choque entre edificios vecinos. La figura muestra el colapso de los pisos superiores del edificio de la izquierda debido al impacto de este con el edificio a su lado.

3. Configuracin

Una adecuada separacin entre edificios, evita el choque y el colapso.

GOLPETEORECOMENDACIONES

ModeradorNotas de la presentacinLa foto muestra el caso de una adecuada separacin entre edificios. Ambos edificios han mantenido su integridad estructural despus del evento.

4. Recomendaciones

Poco peso. Sencillez, simetra y regularidad en planta. Plantas poco alargadas. Uniformidad en la distribucin de resistencia, rigidez y

ductilidad en elevacin. Hiperestaticidad y lneas escalonadas de defensa

estructural.

RECOMENDACIONESGENERALES

ModeradorNotas de la presentacinAnteriormente entregamos recomendaciones para estructuracin en general. Aqu se entregan recomendaciones aplicables en particular a la estructuracin de edificios.Poco peso: en general, menor peso significa menores fuerzas inerciales, por lo que una estructura ms liviana ser menos solicitada ante terremotos. Sin embargo, si el menor peso se logra usando miembros estructurales ms pequeos, se pueden producir problemas de excesiva deformacin a nivel de servicio ante cargas de viento y sismos frecuentes.Sencillez, simetra y regularidad en planta: la idea es evitar excentricidades en planta, para evitar la torsin y sus indeseables efectos.Plantas poco alargadas: a mayor largo o ancho la magnitud de la posible excentricidad accidental aumenta y la rigidez torsional de la planta disminuye, por lo que un edificio con plantas alargadas es ms vulnerable a la torsin.Uniformidad en altura: la uniformidad est relacionada con la forma de la solicitacin lateral. Esta recomendacin apunta a evitar la formacin de pisos dbiles en un edificio.Hiperestaticidad y lneas escalonadas de defensa estructural: proveen mayor seguridad de la estructura ante fallas de algunos de sus miembros estructurales.

4. Recomendaciones

Formacin de articulaciones plsticas en miembros horizontales antes que en los verticales para sismos excepcionales.

Propiedades dinmicas de la estructura adecuadas al terreno.

RECOMENDACIONESGENERALES

ModeradorNotas de la presentacinFormacin de articulaciones plsticas en miembros horizontales antes que en los verticales para sismos excepcionales: es lo que se conoce comnmente como criterio de viga dbil-columna fuerte. La formacin de articulaciones plsticas en miembros verticales (columnas) puede llevar a la formacin de pisos dbiles.Propiedades dinmicas de la estructura adecuadas al terreno: si las frecuencias de vibracin del edificio son muy cercanas a las del suelo, se puede producir resonancia con efectos catastrficos para la estructura.

5. Normas tcnicas

Filosofa y Principios del diseo sismorresistente La filosofa del diseo sismorresistente consiste en: a. Evitar prdidas de vidas b. Asegurar la continuidad de los servicios bsicos c. Minimizar los daos a la propiedad. Se reconoce que dar proteccin completa frente a todos los sismos no es tcnica ni

econmicamente factible para la mayora de las estructuras. En concordancia con tal filosofa se establecen en esta Norma los siguientes principios para el diseo:

a. La estructura no debera colapsar, ni causar daos graves a las personas debido a movimientos ssmicos severos que puedan ocurrir en el sitio.

b. La estructura debera soportar movimientos ssmicos moderados, que puedan ocurrir en el sitio durante su vida de servicio, experimentando posibles daos dentro de lmites aceptables.

RESPONSABILIDAD

ModeradorNotas de la presentacinAsociado con estos dos objetivos principales, la responsabilidad principal del diseador es:Evitar poner en riesgo a los ocupantes del edificio durante un sismo severo. Esto significa:Evitar daos severos a elementos estructurales y no estructurales cuya falla pudiera afectar a las personas en el edificio.Disear las instalaciones vitales para que inmediatamente despus de un sismo severo estn en pleno funcionamiento para poder atender la emergencia.

Nmero de diapositiva 1ObjetivosCriterios para la Estructuracin de Edificios1. IntroduccinIntroduccin2. Sistemas estructurales2. Sistemas estructurales2. Sistemas estructurales3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin3. Configuracin4. Recomendaciones4. Recomendaciones5. Normas tcnicas