estructuracion de edificaciones

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



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


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 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.


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


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 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


IRREGULARIDAD TORSIONAL



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


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


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.


Debe evitarse alguna de las siguientes situaciones:


En caso de no ser posible, se debe adoptar alguno de estas soluciones:


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.


Plantas con Esquinas Entrantes

Irregularidad de Esquina Entrante


Plantas con Esquinas Entrantes

Posibles Soluciones

Criterios de Estructuración Deben evitarse las discontinuidades del diafragma

Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.


SISTEMAS ESTRUCTURALES NO

PARALELOS


Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.

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.


Sistemas Resistentes No Paralelos

Torsión e Inestabilidad. Daño localizado.

Desplazamientos Fuera del Plano. Muros Discontinuos.

Mecanismos de colapso en circunstancias extremas.


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.


POSIBLES SOLUCIONES


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


Apartamentos Pino Suarez. Ciudad de México. 1985


PORTICOS MUROS

CAMBIOS BRUSCOS EN RIGIDECES Y/O RESISTENCIAS


GRANDES MASAS

CONCENTRACIONES DE MASAS


CAMBIOS BRUSCOS EN GEOMETRIA

A/L > 0.25 A/L > 0.15 A/L > 0.10

A A A

A A L L L


Terremoto de Kobe, Japón, 1995


MURO

ARRIOSTRAMIENTO

DISCONTINUIDADES

DISCONTINUIDADES VERTICALES

ESTRUCTURACION DEL HOTEL MACUTO - SHERATON



PISO DEBIL

DISCONTINUIDADES EN CAPACIDAD


Hospital Olive View. Terremoto de San Fernando,

1971


Tres Casos de Primer Piso Suave

Soluciones Conceptuales para el

Primer Piso Suave


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



Irregularidad Vertical en el Plano


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

GOLPETEO ENTRE EDIFICACIONES

EXISTENTES

EFECTO DE GOLPETEO ENTRE ESTRUCTURAS ADYACENTES

REQUISITOS BASICOS 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.


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


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


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


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”


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.


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


SOLUCIONES:

Colocar muros o arriostramientos en la dirección

transversal

Colocar muros en dos direcciones


La planta debe estructurarse lo más simétrica posible, para tratar de evitar grandes excentricidades que

produzca vibración torsional del edificio.


Viña del Mar, Chile. 1985

Criterios de Estructuración FALSA SIMETRÍA EN PLANTA

Criterios de Estructuración FALSA SIMETRÍA EN PLANTA

Posibles Soluciones


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


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


Los elementos no estructurales deben tener una distribución uniforme en elevación para no crear pisos blandos.

EVITAR PLANTAS BAJAS LIBRES

MECANISMO DE COLAPSO


Se deben evitar discontinuidades de los elementos estructurales tanto en planta como en elevación para evitar altas concentraciones de esfuerzos de corte y

torsión.


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.


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

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.


MECANISMOS DE DEFORMACIÓN INELASTICA DE VIGA DEBIL – COLUMNA

FUERTE


Estructura de Estacionamiento. Los Ángeles. Terremoto de Wittier-Narrows, 1987


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.


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.


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


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

Edificio Nunotani. Tokio, Japón.

El sismo como una metáfora

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