cap 10 configuracion estructural sismorresistente

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CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE

10.1 INTRODUCCIÓN

Las reglas para el diseño sismorresistente se basan necesariamente en la experien-cia sobre lo ocurrido con edificaciones que han experimentado sismos severos. Por consiguiente es indispensable revisar previamente los criterios, generalmente aceptados, que guían este diseño así como las limitaciones de la práctica actual. Cualquier grupo de recomendaciones está limitado a servir de orientación general y pueden ser modificadas a base de las características específicas de cada edificación.

10.2 REGLAS DE BUENA PRÁCTICA

La Norma Peruana de Diseño Sismorresistente (1)1 en su Cap 3, Art 9 Concepción Estructural Sismorresistente dice lo siguiente:

“El comportamiento sísmico de las edificaciones mejora cuando se observan las siguientes condiciones: a) Simetría, tanto en la distribución de masas como en las rigideces. b) Peso mínimo, especialmente en los pisos altos. c) Selección y uso adecuado de los materiales de construcción. d) Resistencia adecuada.

1Los números entre paréntesis señalan las referencias listadas al final del texto principal

2 CAP 10 CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE

INGENIERÍA SISMORRESISTENTE

e) Continuidad en la estructura, tanto en planta como en elevación. f) Ductilidad. g) Deformación limitada. h) Inclusión de líneas sucesivas de resistencia. i) Consideración de las condiciones locales. j) Buena práctica constructiva e inspección estructural rigurosa.

Poco se puede agregar a estas condiciones que la experiencia ha confirmado como muy importantes en el buen comportamiento sismorresistente; así como también se ha observado que las fallas siempre están relacionadas con haberse alejado de alguna o de varias de ellas. Estas constituyen un excelente resumen de las reglas de buena práctica hoy en día.

En su artículo publicado posteriormente al sismo de Lima de 1940, posiblemen-te el más fuerte de este siglo según decir de muchos expertos, el Dr. Ricardo Valencia afirmaba (11): "Si bien desde un punto de vista técnico este fenómeno no ha aportado nuevas enseñanzas, ha servido: ... para recalcar el acierto de las recomendaciones que comúnmente se adoptan, en regiones sísmicas1 para contrarrestar el efecto de las sacudidas terrestres". Esta conclusión de hace más de 55 años continúa vigente y no hace sino confirmar el viejo adagio castellano: "Nadie experimenta en cabeza ajena". Es nuestra responsabilidad y de toda la comunidad técnica en esta área tratar de asimilar y difundir la lección.

10.3 PRINCIPIOS DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE

Los criterios de diseño sismorresistente que usualmente van desarrollados en las normas de diseño están orientados a seguir una filosofía de diseño. Esta define cual es el comportamiento deseado. La gran mayoría de normas del mundo (2,3) coincide en que los objetivos generales de la construcción sismorresistente deben seguir los siguientes principios:

1. Prevenir daños no estructurales para temblores o terremotos pequeños, que pueden ocurrir frecuentemente durante la vida útil (de servicio) de una es-tructura

2. Prevenir daños estructurales y hacer que los no estructurales sean mínimos, para terremotos moderados que pueden ocurrir de vez en cuando. (Usual-mente se señala expresamente que la estructura sufrirá varios de éstos)

3. Evitar el colapso o daños graves en terremotos intensos y larga duración que pueden ocurrir raras veces. (Usualmente uno durante la vida útil de la es-tructura).

1El subrayado es de este autor

SECC 10.4: PROBLEMAS ACTUALES DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE 3

Dr. JAVIER PIQUÉ DEL POZO

A base de la experiencia de los últimos años, en que se ha podido registrar con mayor extensión los movimientos sísmicos, se ha observado que tanto las acelera-ciones como las deformaciones que se pueden desarrollar durante un sismo severo, e incluso moderado, son muy altas. Además de las incertidumbres en la determina-ción de las solicitaciones y capacidades de la estructura. Lo anterior implica que la filosofía ideal del diseño debería intentar alcanzar todos los objetivos mencionados anteriormente proporcionando todas las necesidades de rigidez, resistencia y capacidad de disipación de energía que puedan obtenerse con la mínima inversión inicial y el menor sacrificio posible de las características arquitectónicas, compa-rando con un edificio diseñado únicamente para resistir cargas de gravedad.

Bertero afirma (4): "La filosofía general está en total acuerdo con el concepto de diseño integral. Sin embargo, las metodologías de diseño, según los códigos actuales, no alcanzan a realizar las metas y objetivos de esta filosofía". Este es una afirmación crucial y alarmante que señala el derrotero de la evolución que habrá de experimentar la ingeniería sismorresistente en los años siguientes. Aunque el comentario del código de la SEAOC (3) establece que las estructuras diseñadas según sus especificaciones podrán alcanzar los objetivos generales de esta filosofía en realidad sus recomendaciones están orientadas a limitar el colapso y la pérdida de vidas y no a limitar el daño, mantener el edificio funcionando o facilitar su reparación. Esto se debe a que la práctica actual está basada en un único nivel del sismo de diseño general. Las especificaciones de los códigos

10.4 PROBLEMAS ACTUALES DE LA INGENIERÍA SISMORRESIS-TENTE

Para efectuar un diseño sismorresistente eficiente se necesita predecir, de manera confiable, el comportamiento dinámico del sistema completo constituido por: suelo, cimentación, superestructura y componentes y contenido no estructural. Según Bertero (4) los problemas que se encuentran en este trabajo se pueden resumir en tres:

1. Estimar con precisión el movimiento del suelo en la cimentación del edifi-cio: Terremoto de entrada

2. Estimar o calcular las deformaciones de la obra en particular en respuesta al movimiento que experimenta la cimentación, considerando simultáneamen-te todas las solicitaciones que actúan sobre ella: Solicitaciones o deman-das a la estructura.

3. Predicción de la respuesta en el límite seguro: Capacidad real asignada a la estructura

Considerando todas las incertidumbres involucradas en este proceso no llama la atención la tendencia natural a sobresimplificar el problema con las inevitables consecuencias de no poder garantizar una adecuada seguridad a pesar de los



grandes avances en todas las técnicas empleadas. De hecho para mejorar el diseño sismorresistente se necesita mejorar nuestro conocimiento de las respuestas a los tres interrogantes mencionados.

10.4.1 Sismo o terremoto de entrada para el diseño

¿Cuál debe ser el movimiento para el que la estructura debe ser diseñada?. El problema se reduce a la necesidad de saber contra que tenemos que diseñar la estructura. Definir el sismo o terremoto de entrada es uno de los retos que aún no han sido bien resueltos por la ingeniería sismorresistente. El terremoto de diseño depende de los criterios de diseño, es decir, del estado límite que controla el diseño (4).

El terremoto de diseño debería ser aquel movimiento del suelo, de todos los posibles que pudieran ocurrir en el sitio, que conduzca a una estructura a su respuesta crítica. En la práctica este concepto simple encuentra grandes dificulta-des, primero porque existen grandes incertidumbres en la estimación de la predicción de las principales características dinámicas de los movimientos del suelo que todavía no han ocurrido en el sitio y segundo porque la respuesta de la estructura varía según los estados límite que pueden controlar el diseño.

Las Normas especifican el sismo de diseño usando criterios de zonificación, aceleraciones pico esperadas en el sitio. Otros utilizan espectros de diseño basados en una aceleración máxima efectiva. Si bien esto es una mejora, en opinión de Bertero (4) aún quedan grandes incertidumbres en relación a todos estos paráme-tros. La prueba la facilitan los registros de aceleraciones y los espectros de respuesta de los sismos fuertes ocurridos en los últimos años que han alcanzado aceleraciones altísimas (0.8g a 1g) o amplificaciones espectrales enormes (4 a 5 en México) (4,13)

10.4.2 Predicción de la Respuesta de las edificaciones

Otro de los problemas actuales. ¿Cuál debe ser la exigencia real que ocasionarán el movimiento de la cimentación sobre los elementos estructurales? En este aspecto han habido avances notables en los métodos de análisis computarizados. Sin embargo persisten dificultades que provienen de predecir adecuadamente:

1. La carga sísmica crítica durante la vida útil (servicio) de la estructura, pro-blema relacionado con el anterior.

2. El estado del sistema como un todo cuando ocurre un movimiento del suelo crítico, es decir, considerar el conjunto suelo-cimiento-estructura y compo-nentes no estructurales; selección del modelo matemático apropiado para el análisis.



3. Las fuerzas internas, los esfuerzos y deformaciones a las que estará someti-do el modelo, el análisis.

4. La capacidad (u oferta) real de rigidez, resistencia, estabilidad, y capacidad para absorber y disipar energía (es decir comportamiento histerético realis-ta) del sistema total, el diseño

La capacidad real no depende sólo de la que le asignemos a cada elemento sino en última instancia de la interacción de la estructura con el suelo-cimentación en movimiento y los componentes no estructurales que usualmente no son considera-dos en los análisis ya que erróneamente se consideran favorables en la respuesta límite.

Un ejemplo relacionado con una "estructura tradicional" por lo que tiene de antigua y que seguramente nunca fue sujeto de estas elucubraciones. La antigua catedral de Constantinopla, llamada de la Santa Sabiduría o Hagia Sofía.

Hagia Sofía (17,18) fue diseñada y construida bajo la dirección de Isidoro de Mileto (paisano de Tales) y Antemio de Tralles por ordenes del emperador bizantino Justiniano en sólo cinco años y 10 meses (532 al 537) . 10,000 hombres trabajaron en su construcción. Todavía en pie con toda su magnificencia y después de haber soportado innumerables sismos.1

Modernamente podemos tratar de explicar lo que las reglas de buena práctica nos demuestran. O sea una configuración simple, simétrica con elementos redundantes. Si bien esta obra no deja de ser un alarde de cobertura espectacular ,de ahí alguno de sus problemas, se ha comportado adecuadamente para sus 1466 años. Sin embargo observamos que los análisis dinámicos por elementos finitos que son los procedimientos más elaborados con los que contamos (elásticos todavía, por consiguiente imperfectos en toda su precisión) predicen frecuencias de vibración "parecidas" a las medidas instrumentalmente. Más aún, comparando las columnas 2 y 3 de la Tabla siguiente se observan diferencias entre las medicio-nes con vibración ambiental y las realizadas durante un temblor. Esto indica variaciones debidas al nivel de esfuerzo (nolinealidad, nada sorprendente pero muy difícil de estimar ). Las columnas 4 y 5 muestran los valores calculados (19) "ajustando" los valores del módulo de elasticidad de los distintos materiales constitutivos (albañilería de piedra en pilares y de ladrillo en las cúpulas) para reproducir los valores experimentales.

HAGIA SOFIA- Estambul, Constantinopla

1En el año 558 un terremoto provocó la caída de la mitad de la cupula central de 30m de diámetro. El hijo de Isidoro reconstruyó la cúpula, reforzando sus apoyos, y elevándola 7.5m más que antes.(18)



FRECUENCIAS EN HERTZ (Ciclos / segundo)

Modo Medida,

ambiental

Medida durante temblor

Calculada ambiental.

E.F.

Calculada durante

sismo. E. F.

Movimiento dominante



1 1.84 1.53 1.97 1.74 Traslación Este-Oeste

2 2.09 1.85 2.08 1.88 Traslación Norte-Sur

3 2.41 2.15 2.37 2.10 Rotación torsional

La conclusión es una: La predicción de la respuesta de estructuras ante sismos severos, y más aún aquella construcción tradicional compleja, es muy imprecisa por sofisticados que sean los métodos que se usen. Que se debe hacer: Aplicar las reglas de buena práctica que se reafirman en su validez cada vez que ocurre un terremoto destructivo.

10.4.3 Respuesta en el límite. Capacidad real

La metodología de diseño generalmente aplicada en la mayoría de países (1) considera un único nivel de terremoto de diseño. Es decir, se ignora la diferencia en los requerimiento que cada estado en los que ésta va a operar demanda. Los criterios de diseño para condiciones normales o de servicio no son las mismas que para las condiciones cuando se presenta el terremoto de diseño (ver por ejemplo (9)), que puede ser el mayor esperado en un lapso previsto en las mismas normas. La metodología actual, según normas, está basada en un terremoto de diseño de una única intensidad o nivel de aceleración.

En concordancia con la filosofía de diseño, toda estructura que es sometida a un terremoto intenso debería diseñarse para evitar el colapso más no para evitar sufrir daños estructurales. Este criterio no está adecuadamente representado en la metodología de diseño y constituye actualmente, en opinión de quién esto escribe, uno de los puntos más débiles de la ingeniería sismorresistente. El diseño en la condición límite del sismo de diseño no es verificado o calibrado contra las demandas o solicitaciones del sismo por lo que no hay ninguna garantía sobre la capacidad real de la estructura bajo estas condiciones.

Como dice Bertero (5): "Los códigos sísmicos modernos, que intentan reflejar grandes avances en conocimiento y entendimiento de una manera muy simple, no son transparentes sobre el nivel esperado de comportamiento o respuesta del sistema completo, suelo-cimentación-estructura-elementos noestructurales. El nivel esperado de comportamiento se ha convertido en una parte implícita, más que explícita de los códigos, a través de una serie de factores empíricos y requeri-mientos de armadura que esconden la verdadera naturaleza del problema del diseño sismorresistente: el comportamiento del edificio". El concepto es claro.

10.5 PLANIFICACIÓN SÍSMICA FUNDAMENTAL

El diseño sismorresistente comienza con la selección del material, la configuración, la definición del sistema estructural y la estructuración. Estas son decisiones que



afectan directamente el diseño sísmico final. Por lo tanto es fundamental una coordinación estrecha entre el arquitecto y el ingeniero estructural quienes deben cooperar, algo que lastimosamente no siempre se consigue por la secuencia lineal en la que se desarrolla un proyecto.

Cada material estructural se comporta según sus propias características resistencia, rigidez y degradación ante grandes deformaciones por lo tanto deben seleccionarse de acuerdo con la ubicación y condición en que se va a proyectar un edificio a fin de conseguir una construcción confiable y económica. Hay innume-rables ejemplos que ilustran que una configuración escogida en base a condiciones arquitectónicas únicamente ha sufrido daños por carecer de adecuada resistencia sísmica. Una vez que el edificio tenga una configuración sísmica desventajosa, no se podrá lograr una estructura segura, aún cuando el diseño estructural se haya realizado apropiadamente usando las técnicas más sofisticadas existentes. (Véase la sección anterior sobre las fuentes de incertidumbre en el diseño sismorresistente) Esto último también es cierto para la estructuración, o sea la distribución interna de los elementos resistentes.

Siempre habrá de tenerse presente durante esta etapa fundamental que: "El ingeniero estructural no puede lograr que una forma estructural pobre se comporte satisfactoriamente durante un terremoto" (6). El sismo siempre estará al acecho de cualquier debilidad de la estructura, consciente o no para el diseñador. De modo general las incertidumbres propias del diseño sismorresistente siempre podrán ser reducidas prestando especial atención a los detalles de refuerzo.

10.5.1 Forma o configuración de la estructura

Al inicio de esta primera parte se transcriben las recomendaciones contenidas en la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente (1) que son principios básicos -o reglas de buena práctica- respecto a las características que debe tener una estructura sismorresistente y que han mostrado su bondad a base de la experiencia. No siempre podrán ser aplicados al pie de la letra, pero habrán de tenerse siempre en cuenta.

A) Planta Con respecto a la planta las recomendaciones se pueden resumir en lo siguiente. La planta ha de ser:

a) simple b) compacta , no alargada c) simétrica d) de gran rigidez torsional

SEC 10.5: PLANIFICACIÓN SÍSMICA FUNDAMENTAL 9


Simple.- Desde el punto de vista de la resistencia sísmica es deseable una configuración sencilla como una forma cuadrada o circular. Los sismos han demostrado que las plantas mas sencillas tienen las mayores probabilidades de sobrevivir. Las razones más importantes son. Primero, que nos es mucho más sencillo entender la respuesta sísmica de una estructura sencilla que la de una complicada. Y segundo que nuestra habilidad para entender los detalles simples es mayor que para los más complejos. Las plantas caprichosas en forma de H, L, T, U o Y han mostrado que la zona de los extremos (las alas) son más vulnerables y a menudo colapsan.

Compacta.- Complementando la característica anterior. Una edificación de forma alargada está expuesta a fuerzas complejas provenientes de las diferencias de fase en el movimiento del terreno que actúan sobre sus extremos. La presencia de juntas es indispensable en estos casos para reducir la planta a un conjunto de formas menos extendidas y más simples.

Evitar:

B) Alas muy alargadas (vibran de forma diferente -> concentración de esfuerzos en las esquinas interiores)

Medidas: 1) Subdivisión del edificio en cuerpos independientes y cortos. 2) Rigidización en los extremos de las alas y refuerzo de las esquinas interiores.

1 2B Evitar:



Plantas muy alargadas (vibraciones importantes en planta, diferencia de movimien-to entre un extremo y otro)

Medidas:

1) Separación con juntas sísmicas

2) Distribución uniforme de elementos resistentes transversales y sistema de piso rígido en planta.

Efecto:Elevación Planta

1Evitar: B__ >4A

B

A

2

Movimiento diferente del suelo endistintos apoyos

a) Deformación de la planta del edificiob)

Simétrica.- La simetría es aconsejable por razones similares. Además la falta de simetría produce efectos de torsión que son sumamente perjudiciales y destructivos además de ser difíciles de estimar correctamente. La simetría debe existir en las dos direcciones principales de la edificación. En este aspecto debe señalarse que no basta una planta de forma simétrica sino la estructura también debe ser simétrica. Se debe tratar que el centro de rigideces esté lo más cerca posible del centro de las masas, ya que de lo contrario tendríamos un caso de la llamada falsa simetría. Una estructura será realmente simétrica cuando ambos coincidan.

Evitar:

A) Asimetría de la planta (vibraciones torsionales)

Medidas: 1) Distribuir los elementos resistentes de manera que el centro de masas coincida con el centro de rigideces. 2) Subdivisión del edificio en cuerpos independientes y regulares mediante juntas sísmicas. 3) Colocación de elementos estructurales que liguen las diferentes partes del edificio de tal manera que lo vuelvan más simétrico.



A 1 2 3

CM=CR

Junta sísmica

Viga deunión

Rigidez torsional.- Esta característica es complementaria de la anterior. Cuando se tiene una gran rigidez torsional, las deformaciones debidas a las asimetrías serán menores que cuando la rigidez es baja. Más aún cuando éstas son amplificadas por el movimiento sísmico al presentarse comportamiento inelástico.

B) Elevación Uniformidad y Continuidad.- Estas son características fundamentales. En la siguiente sección se resumen algunas recomendaciones para conseguir un buen comportamiento.

Proporción o esbeltez.- Las características de simplicidad y compacidad son también aplicables a la forma de la elevación de la estructura. Formas complejas con variaciones caprichosas a lo alto constituyen una fuente de riesgo por la misma razón de la planta compleja ya mencionadas. Asimismo una forma muy alargada o esbelta presenta complicaciones de análisis que aún con los métodos modernos de análisis dinámico (24) no se garantiza una estimación cabal de su respuesta, menos aún en el rango inelástico. Los efectos del volteo en edificios muy alto son evidentemente muy importantes y originan fuerzas muy altas en las columnas como en la cimentación pueden ser difíciles de manejar. Algunos edificios en México y Kobe fallaron por volteo de sus estructuras al desprenderse de la cimentación (5,14).



10.5.2 Uniformidad en resistencia y rigidez

Una estructura tendrá mejores perspectivas de sobrevivir un sismo severo si:(4)

a) Los elementos portantes están distribuidos uniformemente. a)



b) Todas las columnas y muros son continuos y sin entrantes o salientes desde la cimentación hasta el techo.

c) Todas las vigas están alineadas. d) Columnas y vigas están alineadas. e) Columnas y vigas de concreto son del mismo ancho.

f) Ningún elemento principal cambia de sección bruscamente.



g) La estructura sea tan continua (redundante) y monolítica como sea posible.

Por lo general es difícil modificar las consideraciones arquitectónicas para acomodar estas necesidades de la estructura sismorresistente por las restricciones que éstas imponen en la arquitectura ; pero se debe insistir en que cuanto más alejados estemos de ellas más vulnerable será la estructura.

La necesidad más apremiante es la continuidad vertical de los elementos, principalmente muros o columnas. Es indeseable y sumamente peligroso, como ha sido probado innumerables veces en edificios colapsados, apoyar muros sobre columnas o columnas sobre vigas.

Cambios bruscos en la rigidez lateral del edificio son también muy peligrosas. El análisis no predice bien las necesidades de capacidad de los elementos y naturalmente son ubicaciones de concentración de esfuerzos que finalmente



conducen a colapsos parciales. La falla de entrepisos por la presencia de columnas sigue siendo muy común a pesar de ser un problema largamente identificado.

Mantener dimensiones similares en los elementos de concreto armado facilita el detallado del refuerzo. Factor decisivo en el comportamiento límite -condiciones extremas que se presentan ante un sismo severo y de larga duración- de cualquier estructura sismorresistente.

Como la capacidad de la estructura para resistir un sismo severo depende grandemente de su capacidad de disipación de energía por comportamiento inelástico, construir uniones monolíticas y darle continuidad a la estructura es indispensable para poder enfrentar esta situación. En los sismos de México (1985), Armenia (1988) muchos colapsos se originaron en estructuras prefabricadas con conexiones inadecuadas (5).

10.5.3 Redundancia

La redundancia de los sistemas estructurales es muy deseable en caso de estructu-ras sometidas a sismos ya que esta condición facilita "varias líneas de defensa" (1) de la estructura. Una falla local no induce al colapso en la totalidad del edificio si cuenta con adecuada ductilidad

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Rigidez, resistencia y ductilidad

La rigidez, o sea la capacidad para limitar las deformaciones bajo cargas, siempre ha sido un criterio de diseño. En el caso de cargas sísmicas la rigidez ha cobrado mayor importancia en los últimos años como consecuencia de la observación de los daños producidos por los sismos de los últimos 10 años a las estructuras flexibles y muy deformables.

Ya en 1940,el Dr. Ricardo Valencia mencionaba en el artículo citado anterior-mente (11): "Otro requisito de una buena construcción es su rigidez. En el caso de edificios asísmicos, las opiniones están divididas, pues algunos preconizan la



adopción de estructuras perfectamente rígidas, mientras que otros creen que se aminora el costo dando flexibilidad a uno o dos de los pisos inferiores........ Cualquiera que sea la solución adoptada, es necesario que las secciones de los elementos puedan soportar los esfuerzos engendrados, ya sea por la perfecta rigidez, o por las deflexiones importantes que puedan presentarse en los elementos flexibles " Claramente tenemos los requisitos de rigidez y de capacidad de ductilidad, concepto que no se encontraba difundido aún, pero que se vislumbra de esta afirmación del visionario ingeniero Valencia.

Una edificación flexible experimentará daños más severos cuando incursione en el rango inelástico -como se espera según los criterios de diseño vigentes (ver Secc. 1)- que una estructura rígida. El daño acumulado conduce a mecanismos inestables que por lo general terminan en el colapso. (4,12,13,14). Esto se ha hecho evidente cuando el sismo es de larga duración. Al respecto Bertero afirma (4): “... No cabe duda que en estructuras para las que T≥ 0.5 s, diseñadas según el código de México, D.F. (donde Cs era menor o igual que 0.06), se produjeron severas oscilaciones que indujeron a muchos ciclos de plastificación alternada que no sólo causaron el deterioro significativo de su rigidez (alargando así sus periodos), sino que también pudieron haber causado el deterioro significativo de sus resistencias máximas a cortante, flexión, torsión y adherencia (anclajes), en particular el caso de pórticos de concreto armado con sólo losas nervadas o losas planas como sistemas de entrepiso. ... el terremoto de México de 1985 es, quizás, el primero en el que los movimientos del suelo registrados y las correspondientes respuestas de los edificios han mostrado la posibilidad de que las estructuras diseñadas, según el código, puedan sufrir un número significativo de ciclos de plastificación alternada con exigencia de altos factores de ductilidad, considerablemente mayores que los que se consideraban posibles antes de este terremoto. Un gran número de edificios en Ciudad de México falló debido a esta larga duración del movimiento fuerte”

De ahí que haya toda una corriente de expertos que aconsejan limitar severamente las deformaciones de la estructura o sea exigiendo mayor rigidez. Este no es un criterio desconocido para los ingenieros que diseñan edificios altos en zonas de viento, donde la rigidez es el parámetro que controla el dimensionamiento de los elementos (15), pero cada vez se hace más aceptable entre los diseñadores de zonas sísmicas.

Además debe recordarse que el comportamiento de estructuras aporticadas es muy sensible al detallado del refuerzo de sus elementos y uniones y también a la calidad de la construcción. Cualquier error en el armado o construcción de una de sus uniones puede conducir a una falla catastrófica.(4)

Resistencia.- La estructura debe tener la resistencia adecuada para resistir las acciones sísmicas al nivel del sismo de diseño. Normalmente esta es una condición que si se satisface. Sin embargo asociada a ésta debe ir el necesario detallado del



refuerzo para permitir desarrollar la ductilidad que se supone se requerirá de la estructura cuando sus elementos incursionen en el rango inelástico.

AceptableAceptable

∆u ∆u

Fig .- Pórticos y muro con pórtico

Ductilidad.- La ductilidad es una característica esencial en el buen comportamien-to sismorresistente de cualquier estructura. La necesidad de contar con ella parte de la metodología de diseño usada en la actualidad que confía en la disipación de energía por acción inelástica para resistir adecuadamente un terremoto severo. Un sistema es dúctil cuando es capaz de experimentar deformaciones substanciales bajo carga constante, sin sufrir daños excesivos o pérdida de resistencia bajo ciclos repetidos de carga y descarga (8). Esta característica es indispensable en edificios de resistencia moderada si es que se quiere asegurar su supervivencia . "Por esta razón es la propiedad singular más importante, buscada por el diseñador de edificaciones ubicadas en regiones de significativa actividad sísmica" (9).

Los niveles de ductilidad permitidos dependerán del criterio de diseño escogido sobre control de daño. Esa variable dependerá del tipo de edificación y de su comportamiento esperado. Para algunas estructuras puede ser inaceptable un nivel muy alto de deformaciones, por lo que el nivel de la ductilidad de diseño será menor que para otra en que si se acepta un mayor nivel de daño. (9)



∆u ∆u

deseable aceptable Fig .- Pórtico dúctil

10.5.4 Materiales

El material con el que se fabrique la estructura es un factor importante que influye en la determinación de la forma Muchas veces el material se escoge por costum-bre o disponibilidad o por razones económicas. Independientemente de si se pueda decidir o no sobre el material, lo cierto es que los criterios que se mencionan seguidamente están presentes e influyen en el comportamiento sísmico. (4,1)

Puramente en términos de resistencia sísmica los mejores materiales tienen las siguientes características:

1. Ductilidad alta o deformabilidad 2. Relación de alta resistencia/peso 3. Baja degradación 4. Homogeneidad 5. Ortotropía 6. Facilidad de construir conexiones muy resistentes 7. Costo razonable

Cuando más grande la estructura las propiedades mencionadas se vuelven más importantes.

La mayoría de los sistemas prefabricados no son adecuados para resistencia sísmica por la dificultad en conseguir una estructura monolítica, continua y dúctil debido a las conexiones con que se fabrica.

Dowrick (6) presenta la siguiente tabla para el caso de edificaciones, que sin embargo puede no ser aplicable a todas las realizadas, pero no obstante constituye una referencia relativa. Algunos de los materiales citados no son usados en el Perú.



ALTURA DEL EDIFICIO

Alta Mediana Baja

Mejor Acero Acero Madera

Concreto vaceado en sitio



Buen concreto prefabricado * 1

Acero

Concreto pretensa-do *

Concreto pretensado

Buena albañilería reforzada

Buena albañilería reforzada

Concreto prefabrica-do

MA

TE

RIA

L E

STR

UC

TU

RA

L E

N O

R-

DE

N D

E P

RE

FER

EN

CIA

Peor Albañilería sin reforzar

Tradicionalmente se ha preferido el acero sobre el concreto para edificios de gran altura, sin embargo consideraciones de limitación de deformaciones y vibraciones así como amortiguamiento y evidencia reciente (Kobe) sobre fallas no dúctiles en estructuras de acero, ha vuelto al concreto (de alta resistencia) un material revalorizado para esta función (12)

10.5.5 Resistencia límite mínima o modo de falla

Uno de los criterios de diseño vigentes recomienda que en edificios las vigas deban ser proporcionadas y reforzadas de manera que su fluencia -en caso de sismo severo- ocurra antes que la de las columnas. La razones para esto son:(7)

1. La falla de las columnas representa el colapso de todo el edificio 2. En una estructura con columnas débiles, la deformación plástica se concen-

tra en cierto entrepiso y por consiguiente requiere un factor de ductilidad re-lativamente grande, usualmente difícil de conseguir.

3. Tanto en la falla por corte como en la de flexión, la resistencia de las co-lumnas se degrada con más rapidez que en las vigas, debido a la presencia de la carga axial.

1No usado por muchos ingenieros estructurales para sismos



Mecanísmo de falla de un entrepiso de un marco por columna débil

Mecanísmo de falla de un entrepiso de un marco por columna fuerte viga débil

No deseable deseable

Ya que el comportamiento inelástico es aceptado y deseado, la tendencia modernas en el diseño sismorresistente se concentran en orientar el proceso de formación de rótulas plásticas desde la etapa del diseño. De manera explícita esto está estableci-do únicamente en el Código Sísmico de Nueva Zelandia (2).

En la Norma Japonesa se requiere un análisis en condiciones límites de la resistencia de cada piso comparándola con la necesaria para una fuerza lateral igual al peso del piso, es decir de una vez la gravedad. Esto de por sí no es garantía de éxito sino va acompañado de un detallado cuidadoso orientado a garantizar el comportamiento dúctil de los materiales. Precisamente una de las lecciones más importantes del último sismo en la ciudad de Kobe ha mostrado que aquellos edificios diseñados con la última Norma Japonesa (1980) prácticamente no han tenido colapsos por la mejora en el estribado de los elementos comparando con los requisitos de normas anteriores que no han garantizado un comportamiento dúctil.

Metodologias como el diseño por capacidad usado en Nueva Zelandia (9) y el diseño límite como presenta Akiyama (25) o el llamado diseñi integral, o diseño por desempeño o performance, que está siendo implementado por la SEAOC como parte de su inciativa 2000 se irán difundiendo y aceptando con mayor vigor en el futuro cercano.

10.6 SISTEMAS ESTRUCTURALES

Básicamente se encuentran tres tipos de comportamiento para resistir las cargas laterales que origina un sismo y que corresponden a los siguientes sistemas estructurales:

a) Sistemas aporticados b) Sistemas de muros, solos o acoplados c) Sistemas mixtos, duales o híbridos.



Los anteriores son conjuntos de elementos ubicados en un plano vertical evidentemente. Sin embargo asociados a éstos se complementan con los entrepisos que constituyen elementos horizontales que se comportan como diafragmas. Es decir elementos muy rígidos en el plano horizontal que permiten el trabajo conjunto de los sistemas verticales y cuya importantísima función será mantener la unidad de la estructura permitiendo las sucesión de las líneas de defensa del sistema También hay otros sistemas que incluyen otros tipos de elementos rigidizadores como pórticos rellenos, en el caso de concreto o pórticos arriostrados más común-mente en el caso de acero. La desventaja de las riostras diagonales es que presentan limitada ductilidad(8)

Sobre esta base es posible diseñar el o los sistemas resistentes de una estructura como una combinación de pórticos , muros, o combinación de ellos. Estos son también los sistemas que se usan actualmente, con algunas variantes especiales para edificios altos (15).

10.7 DEFECTOS DE ESTRUCTURACIÓN. LECCIONES NO APRENDI-DAS

La estructuración puede resultar en un problema de configuración cuando las cargas se distribuyen irregularmente entre los elementos resistentes. En ese caso habrá concentraciones en zonas imprevistas y probables demandas no satisfechas de resistencia o ductilidad.

Las fallas más comunes observadas en sismos pasados se deben en su mayor parte a irregularidades en la forma (distribución de las masas) o en los sistemas resisten-tes (distribución de rigideces), ya sea en planta, en elevación.

Según Morales (10) los problemas de configuración pueden clasificarse en tres tipos:

1. Discontinuidades verticales: piso blando, reducciones en planta, tabiquería 2. Irregularidades en planta: esquinas entrantes, resistencia desbalanceada



3. Mecanismos de falla imprevistos: viga fuerte-columna débil en sistemas aporticados.

10.8 PERSPECTIVAS FUTURAS

Los problemas planteados por Bertero en la Secc. 2 obtendrán soluciones a largo plazo. Sin embargo actualmente dos son las vertientes donde se viene trabajando para mejorar la seguridad sísmica de las construcciones:

1. Reducción de la energía sísmica trasmitida a la estructura 2. Diseño en condiciones límites

En el primer caso se han hecho notables progresos en el desarrollo de Aislado-res y Amortiguadores sísmicos cuya finalidad es limitar la fuerza que se trasmite al edificio. Los primeros tienen un rango de aplicación limitado a edificios de baja altura, por el peso de la edificación que pueden resistir. Los segundos pueden ser colocados en estructuras de cualquier tamaño aunque su funcionamiento demanda sistemas sofisticados.

El diseño límite y el diseño por capacidad (selección de un mecanismo de falla deseable) son, en opinión del autor, los caminos naturales que habrá que tomar si se mantiene la filosofía actual de diseño vigente en el mundo de evitar el colapso de edificaciones ante sismos severos. Las normas serán las encargadas de incorporar las modificaciones que reglamenten la aplicación de estas metodologías.

10.9 CONCLUSIONES

La experiencia conduce a insistir en las recomendaciones más simples. Desde este punto de vista, se pueden resumir las siguientes conclusiones:

1) Se debe recordar las condiciones que gobiernan un buen comportamiento sismorresistente y hacer los mayores esfuerzos para forzar su aplicación. • Simetría • Simplicidad y Uniformidad • Redundancia• Rigidez adecuada: limitación de deformación • Ductilidad con Mecanismo Estable

2) Evitar las irregularidades pronunciadas 3) Definir varios estados límite para el diseño 4) Identificar el sismo de diseño para cada estado 5) Verificar la capacidad última o límite y asegurar un mecanismo estable en

esas condiciones

REFERENCIAS 23


6) Detallar los refuerzos de manera muy cuidadosa 7) Supervisar la calidad de la construcción y la aplicación de las normas vigen-

tes.

Referencias 1. Reglamento Nacional de Construcciones. 2003. "Norma Técnica de

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Reconocimiento.- El Ing. Víctor Rojas del Centro de Cómputo del CISMID colaboró en la preparación de este trabajo. El Ing. Mario Vélez y el Arq. José Sato facilitaron información del sismo de Kobe.

cap 10 configuracion estructural sismorresistente

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