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PRINCIPIOS DE ESTRUCTURACIÓN
Prof. Orlando Ramírez Boscán
Mérida, febrero de 2013
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS
PROYECTOS ESTRUCTURALES
Criterios de Estructuración
No se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte satisfactoriamente ante sismos, por
mucho que se refinen los procedimientos de modelado, análisis y dimensionamiento.
La experiencia en varios sismos muestra que los edificios bien concebidos estructuralmente y bien
detallados han tenido un comportamiento adecuado, aunque no hayan sido objeto de cálculos elaborados,
y, en ocasiones, aunque no hayan satisfecho rigurosamente los reglamentos.
Ningún modelo de análisis estructural, por sofisticado que sea, puede hacer que una edificación con
configuración inadecuada se desempeñe bien durante un sismo.
Las edificaciones con formas sencillas se comportan mejor y de manera más confiable
Las estructuras sencillas son más fáciles de entender
Los modelos matemáticos usados para el análisis tienen hipótesis simplificadoras que pueden ser válidos para
estructuras sencillas
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
La configuración estructural queda en buena parte definida en el proyecto arquitectónico.
RESPONSABLE DEL PROYECTO
ARQUITECTÓNICO
RESPONSABLE DEL PROYECTO
ESTRUCTURAL INTERACCIÓN
Necesidades mínimas de:
• Rigidez
• Resistencia
• Regularidad
Consecuencias que tienen algunas decisiones arquitectónicas en el comportamiento estructural
Criterios de Estructuración
Es cierto que la mayoría de las recomendaciones de estructuración para zonas sísmicas tienden a lograr
edificaciones regulares y robustas limitando fuertemente la posibilidad de llegar a formas atrevidas y originales. Constituye, por tanto, un DESAFÍO para
los proyectistas conjugar las necesidades arquitectónicas y estructurales para lograr una
edificación funcional, estéticamente atractiva, segura y económica.
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO PARA
EL COMPORTAMIENTO SÍSMICO
a. Peso.
Las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa (F = ma) y, en consecuencia, al peso del edificio, por lo tanto, debe procurarse que éste sea lo más
liviano posible.
Una parte importante del peso de la construcción proviene de los revestimientos y de los elementos divisorios no estructurales. Es allí donde se pueden
lograr reducciones.
Criterios de Estructuración
Es importante evitar masas excesivas en las
partes altas del edificio, ya que las aceleraciones introducidas en el mismo
crecen con la altura.
Deben 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 de Estructuración
Hay que tratar que el peso del edificio esté
distribuido simétricamente en la
planta de cada piso. Una posición fuertemente asimétrica generaría
vibraciones torsionales.
Deben evitarse volados largos, así como vigas que tengan grandes luces porque la componente vertical sísmica induce fuerzas de inercia que se le agregan a las cargas de gravedad y que conviene reducir al
mínimo.
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración b. Forma del edificio en planta.
Algunos aspectos de la forma en planta del edificio propician una respuesta sísmica poco conveniente y
deben evitarse.
El aspecto principal es la asimetría en planta, que tiende a provocar vibraciones torsionales del edificio.
FORMAS ASIMÉTRICAS EN PLANTA
GEOMETRIA IRREGULAR
A/L > 0.15 – 0.20 A/L > 0.15 – 0.20
A/L > 0.15 – 0.20
A L
A
Criterios de Estructuración
IRREGULARIDAD TORSIONAL
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Distribución adecuada de elementos resistentes que haga coincidir el
centro de masa de la planta con el centro de torsión
Separación de la planta en cuerpos independientes y simétricos
mediante juntas de construcción
POSIBLES SOLUCIONES
Uso de elementos estructurales exteriores que unan las distintas
partes del edificio
Criterios de Estructuración Hay que evitar las alas muy alargadas en la planta del edificio, ya
que esto tiende a producir que las alas vibren en direcciones diferentes, con lo que se producen fuertes concentraciones de
esfuerzos en las esquinas interiores.
IRREGULARIDAD DE ESQUINA REENTRANTE
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
SOLUCIONES PARA PLANTAS CON ALAS
Criterios de Estructuración Se deben evitar edificios con plantas muy alargadas.
Mientras mayor es la longitud del edificio, mayor es la probabilidad de que actúen en su base movimientos sísmicos que difieran entre los extremos de la planta
Criterios de Estructuración
El problema principal de las plantas muy alargadas es que la flexibilidad del sistema de piso puede provocar vibraciones importantes en planta, las que incrementan sustancialmente las solicitaciones en la parte central
del edificio.
Criterios de Estructuración
Debe evitarse alguna de las siguientes situaciones:
Criterios de Estructuración
En caso de no ser posible, se debe adoptar alguno de estas soluciones:
Criterios de Estructuración
Debe evitarse las plantas con esquinas entrantes. El problema no es muy grave a menos que las alas sean muy largas, pero se debe buscar que la planta sea lo
más compacta posible, para evitar las concentraciones de esfuerzos en las esquinas entrantes.
Criterios de Estructuración
Plantas con Esquinas Entrantes
Irregularidad de Esquina Entrante
Criterios de Estructuración
Plantas con Esquinas Entrantes
Posibles Soluciones
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración Deben evitarse las discontinuidades del diafragma
Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.
Criterios de Estructuración
SISTEMAS ESTRUCTURALES NO
PARALELOS
Criterios de Estructuración
Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Missouri's South Central Correctional Center
Resistencia no balanceada
Daño localizado. Mecanismo de colapso en circunstancias extremas.
Esquinas Reentrantes
Daño local al diafragma y elementos unidos. Colapso en circunstancias
extremas.
Excentricidad del Diafragma y Entrantes
Daño estructural localizado.
Criterios de Estructuración
Sistemas Resistentes No Paralelos
Torsión e Inestabilidad. Daño localizado.
Desplazamientos Fuera del Plano. Muros Discontinuos.
Mecanismos de colapso en circunstancias extremas.
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración c. Forma del edificio en elevación
La sencillez, regularidad y simetría son deseables también en la elevación del edificio, para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en algunos pisos o amplificaciones de la vibración en las partes
superiores del edificio.
Criterios de Estructuración
POSIBLES SOLUCIONES
Criterios de Estructuración
La esbeltez excesiva de la construcción puede provocar problemas de volteo, de inestabilidad
(efecto P-∆) y de transmisión de cargas elevadas a la fundación y al subsuelo; además se vuelven
importantes los modos superiores de vibración.
Según la Norma Venezolana, si H/A > 4, la estructura es
irregular
Según el Reglamento de Construcciones del D.F. (México), si H/A > 2.5 la estructura se considera
irregular
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Apartamentos Pino Suarez. Ciudad de México. 1985
Criterios de Estructuración
PORTICOS MUROS
CAMBIOS BRUSCOS EN RIGIDECES Y/O RESISTENCIAS
Criterios de Estructuración
GRANDES MASAS
CONCENTRACIONES DE MASAS
Criterios de Estructuración
CAMBIOS BRUSCOS EN GEOMETRIA
A/L > 0.25 A/L > 0.15 A/L > 0.10
A A A
A A L L L
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Terremoto de Kobe, Japón, 1995
Criterios de Estructuración
MURO
ARRIOSTRAMIENTO
DISCONTINUIDADES
DISCONTINUIDADES VERTICALES
Criterios de Estructuración
ESTRUCTURACION DEL HOTEL MACUTO - SHERATON
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
PISO DEBIL
DISCONTINUIDADES EN CAPACIDAD
Criterios de Estructuración
Hospital Olive View. Terremoto de San Fernando,
1971
Hospital Olive View. Terremoto de San Fernando,
1971
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Tres Casos de Primer Piso Suave
Soluciones Conceptuales para el
Primer Piso Suave
Criterios de Estructuración
Irregularidad en Rigideces. Piso Suave
Mecanismo de colapso común. Muchos muertos y daño en eventos recientes.
Irregularidad de Peso y/o Masa
Mecanismo de colapso en circunstancias extremas.
Irregularidad Vertical en Geometría
Daño estructural localizado.
Criterios de Estructuración
Irregularidad Vertical en el Plano
Daño estructural localizado.
Discontinuidad en Capacidad. Piso Débil
Mecanismo de colaso en circunstancias extremas.
Criterios de Estructuración d. Separación entre edificios adyacentes
Es importante guardar una separación entre edificios adyacentes, que sea suficiente para evitar que los
distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo.
El daño puede ser particularmente grave si los pisos de los edificios adyacentes no coinciden en las mismas alturas, de manera que durante la vibración las losas de piso de un edificio pueden golpear a media altura
las columnas del otro.
Este requisito es más estricto para edificios fundados en suelo blando, donde la rotación de la base puede incrementar significativamente el desplazamiento en la
punta.
Criterios de Estructuración Norma Venezolana 1756-1:2001
Criterios de Estructuración Norma Mexicana
Criterios de Estructuración
GOLPETEO ENTRE EDIFICACIONES
EXISTENTES
Criterios de Estructuración
EFECTO DE GOLPETEO ENTRE ESTRUCTURAS ADYACENTES
EFECTO DE GOLPETEO ENTRE ESTRUCTURAS ADYACENTES
REQUISITOS BASICOS DE ESTRUCTURACIÓN
Criterios de Estructuración
1.El edificio debe poseer una configuración de elementos estructurales que le confiera resistencia y rigidez a cargas laterales en cualquier dirección. Se debe proporcionar sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales.
Criterios de Estructuración
2. La configuración de los elementos estructurales debe permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas sísmicas desde el punto en que éstas se generan (donde haya una masa que produzca fuerzas de inercia) hasta el terreno.
3. Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las concentraciones de esfuerzos y las vibraciones torsionales que puedan producirse por la distribución irregular de masas o rigideces en planta o en elevación. Conviene que la estructura sea:
a) sencilla
b) regular
c) simétrica
d) continua
Criterios de Estructuración
4.Los sistemas estructurales deben disponer de redundancia y de capacidad de deformación inelástica que les permitan disipar la energía introducida por sismos de excepcional intensidad, mediante elevado amortiguamiento inelástico y sin la presencia de fallas frágiles, locales y globales.
REDUNDANCIA ESTATICA
REDUNDANCIA SISMICA
Criterios de Estructuración
SISTEMAS ESTRUCTURALES BASICOS
a. Pórtico Tridimensional
Formado por columnas y vigas en dos direcciones, conectadas entre si para permitir la transmisión de
momentos flectores y proporcionar rigidez lateral a la estructura.
Criterios de Estructuración b. Pórtico rigidizado
Con diagonales de arriostramiento, con núcleos rígidos o muros de relleno.
En estas estructuras la interacción entre los dos sistemas básicos produce una distribución de las fuerzas
laterales que es compleja y variable con el número de pisos, pero que da lugar a incrementos sustanciales de
rigidez y resistencia.
Criterios de Estructuración b. Pórtico rigidizado
Criterios de Estructuración
c. Estructura tipo cajón
De paredes o muros de carga, está formada por paneles verticales y horizontales conectados para proporcionar continuidad.
Criterios de Estructuración Optimización de la Configuración Estructural
Comportamiento Sísmico “Optimo”
Criterios de Estructuración
Atributos de la Estructura
Ruta Continúa de Carga: Carga uniforme de los elementos estructurales, sin concentración de esfuerzos.
Relación Altura/Base baja: Minimiza la tendencia al volteo.
Alturas de Entrepiso iguales: Iguala las rigideces de las columnas o muros. No existe concentración de esfuerzos.
Planta Simétrica: Minimiza la torsión.
Igual Resistencia en Ambos Ejes: Elimina la excentricidad entre los centros de masa y resistencia y proporciona resistencia balanceada en todas las direcciones, minimizando la torsión.
Resistencia Vertical Idéntica: No existen concentraciones de rigidez o debilidades.
Luces Cortas: Bajo esfuerzo unitario en miembros. Múltiples columnas proporcionan redundancia. Las cargas se pueden redistribuir si algunas columnas fallan.
Criterios de Estructuración
Atributos de la Estructura
Elementos Sismorresistentes en el Perímetro: Máxima Resistencia Torsional.
Ausencia de Voladizos: Reduce la vulnerabilidad ante aceleraciones verticales.
Sin Aberturas en Diafragmas (Entrepisos y Techo): Asegura la transferencia directa de las fuerzas laterales a los elementos resistentes.
Criterios de Estructuración REQUISITOS ESPECÍFICOS DE ESTRUCTURACIÓN
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
Muros en 1 sola dirección Losa con vigas en una sola dirección
Criterios de Estructuración
SOLUCIONES:
Colocar muros o arriostramientos en la dirección
transversal
Colocar muros en dos direcciones
Criterios de Estructuración
La planta debe estructurarse lo más simétrica posible, para tratar de evitar grandes excentricidades que
produzca vibración torsional del edificio.
Criterios de Estructuración
Viña del Mar, Chile. 1985
Criterios de Estructuración FALSA SIMETRÍA EN PLANTA
Criterios de Estructuración FALSA SIMETRÍA EN PLANTA
Criterios de Estructuración FALSA SIMETRÍA EN PLANTA
Criterios de Estructuración FALSA SIMETRÍA EN PLANTA
Posibles Soluciones
Criterios de Estructuración
Las plantas deben poseer una alta rigidez torsional para hacer frente a posibles torsiones accidentales. Por ello es
preferible que los elementos más rígidos se encuentren ubicados en su periferia y no en la parte central
PREFERIBLE
Criterios de Estructuración
Debe evitarse que se presenten excentricidades no sólo cuando la estructura responde en su rango
lineal, sino también cuando alguno de sus elementos responden no linealmente.
Criterios de Estructuración Se debe mantener la continuidad del sistema
estructural en elevación
Criterios de Estructuración
Los elementos no estructurales deben tener una distribución uniforme en elevación para no crear pisos blandos.
EVITAR PLANTAS BAJAS LIBRES
MECANISMO DE COLAPSO
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Se deben evitar discontinuidades de los elementos estructurales tanto en planta como en elevación para evitar altas concentraciones de esfuerzos de corte y
torsión.
Criterios de Estructuración
Existen casos en que la diferencia de altura de columnas produce diferencias drásticas de rigidez entre ellas, por lo que las fuerzas que absorben las
más cortas son muy superiores.
Criterios de Estructuración
Particularmente indeseables son las situaciones que dan lugar a las llamadas “columnas cortas”, en que los
efectos de las fuerzas cortantes dominan a los de flexión y se propicia una falla de tipo frágil.
COLUMNA CORTA
FALLA POR CORTE
Criterios de Estructuración
EDIFICIO PALACE CORVIN. TERREMOTO DE CARACAS, 1967.
SEMISÓTANOS
ESTRUCTURAS CON NIVELES
ESTRUCTURAS EN PENDIENTE
Criterios de Estructuración No es conveniente que la configuración estructural presente
vigas con relaciones luz/altura muy distintas, en que las fuerzas se concentran en los tramos con las vigas más cortas.
Por otra parte, conviene evitar que la relación luz/altura de las vigas sea pequeña (menor que 4) para que no prevalezcan los
efectos de cortante sobre los de flexión.
Criterios de Estructuración VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES
1. Pórticos Rígidos
Su principal ventaja es la gran ductilidad y capacidad de
disipación de energía que se pueden lograr con este
sistema, cuando se siguen los requisitos fijados para tal
efecto (ND3).
Dichos requisitos, además de procurar la mayor ductilidad posible de cada elemento estructural, tienden a que se proporcionen a
éstos, resistencias relativas tales que se desarrollen mecanismos de falla que involucren el mayor número posible de articulaciones
plásticas en aquellas secciones en que se disponga de mas ductilidad.
El mecanismo de falla que se pretende propiciar con esos requisitos es el de viga débil – columna fuerte.
Criterios de Estructuración
MECANISMOS DE DEFORMACIÓN INELASTICA DE VIGA DEBIL – COLUMNA
FUERTE
Criterios de Estructuración
Estructura de Estacionamiento. Los Ángeles. Terremoto de Wittier-Narrows, 1987
Criterios de Estructuración
Los edificios a bases de pórticos resultan en general muy flexibles y en ellos se vuelve critico el problema de mantener los desplazamientos laterales dentro de
los límites prescritos por las normas.
La alta flexibilidad de los edificios a base de pórticos da lugar a que su período fundamental resulte en general largo. Esto es favorable cuando el edificio
está ubicado en terreno firme, pero llega a ser desfavorable cuando el edificio se encuentra en
terreno blando.
El campo de aplicación de edificios de pórticos rígidos se limita a edificios de baja y mediana altura, a
menos que se recurra a pórticos especiales, particularmente robustos.
Criterios de Estructuración 2. Sistemas de muros estructurales
El arreglo tridimensional de muros de carga, da lugar a edificios con
gran rigidez y resistencia a carga
laterales.
Las proporciones de los muros son en general tales, que domina la falla por cortante sobre la de flexión, y
por lo tanto no se pueden esperar buenas características de disipación de energía en el rango
inelástico.
Criterios de Estructuración
3. Pórticos rigidizados
Constituyen uno de los sistemas más eficientes para soportar fuerzas sísmicas. Se pueden mantener las ventajas de la estructura a base de pórticos, obteniéndose una estructura con mucha mayor rigidez y resistencia ante
cargas laterales
Por la extremada diferencia en rigidez que existe entre las zonas rigidizadas y el resto de la estructura, las
fuerzas laterales se concentran en esas zonas y así se transmiten a áreas concentradas de la fundación.
Criterios de Estructuración En estos sistemas se debe evitar concentrar la rigidez en un pequeño número de elementos, y procurar distribuir de
manera uniforme en la planta de la estructura el mayor número posible de elementos rígidos.
Criterios de Estructuración
4. OTROS SISTEMAS
Separar las funciones de resistir cargas verticales por medio de dos sistemas estructurales independientes.
DESVENTAJAS:
Alto momento de volteo en la base del núcleo con la
consecuente transmisión de fuerzas muy elevadas a la
fundación
Criterios de Estructuración Aprovechar las fachadas para rigidizar el edificio.
DESVENTAJA
Cuidar que las relaciones luz/altura de vigas y
columnas no sean tan pequeñas para evitar la
falla por corte.
TUBO QUE PROPORCIONA ALTA
RESISTENCIA Y RIGIDEZ A CARGAS
LATERALES
Criterios de Estructuración
DESVENTAJA:
No es posible usualmente cumplir con el criterio columna fuerte – viga débil, ya que la resistencia en flexocompresión
de las columnas resulta crítica en el modo de falla.
TUBO QUE PROPORCIONA ALTA
RESISTENCIA Y RIGIDEZ A CARGAS
LATERALES
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Criterios de Estructuración
Edificio Nunotani. Tokio, Japón.
El sismo como una metáfora