La Vulnerabilidad Estructural y el Proyecto Arquitectónico:Cómo diseñar y construir

edificaciones con un adecuado comportamiento sismo-resistente

Segundo Encuentro Urbano ArquitectónicoChimbote 2011

Chimbote: 40 años después del TerremotoEscuela de Arquitectura

Universidad César Vallejo, Chimbote

Expositor: Ing. Oscar Fernández Cruz Ingeniero Civil Pontificia Universidad Católica del Perú Docente Universitario con cátedras ofrecidas en: Pontificia

Universidad Católica, Universidad Ricardo Palma, Universidad San Cristóbal de Huamanga y Universidad Peruana de Integración Global.

Docente del “Curso de Actualización de Conocimientos para obtener el Título de Ingeniero Civil”. PUCP.

Docente del “Diplomado para Residentes de Obra”, SENCICO.

Miembro del American Concrete Institute (ACI). Capítulo Peruano.

Miembro del Instituto de Construcción y Gerencia (ICG).Miembro de la Comisión Calificadora de Proyectos en la

especialidad de Estructuras (CODEMU) del CD Lima CIP.

Miembro del Centro de Peritaje del CD Lima CIPDirector Gerente de CIEPSAT (Consultoría enIngeniería Estructural: Proyectos, Supervisiones y Asesoría Técnica), habiendo realizado el diseño de las estructuras de edificios de hasta veintiún pisos y cuatro sótanos.Consultor independiente en estructuras con servicios a ASB Contratistas Generales EIRL, BINDA Ingenieros SAC, Inversiones ARISO SAC, Constructora e Inmobiliaria CDR SAC, entre otros.

www.ciepsat.com

El Proyecto Arquitectónicoy

El Proyecto de Estructuras

Diseño Arquitectónicoy

Diseño Estructural El hombre ha querido siempre cerrar un espacio

dando forma a ciertos materiales.

La construcción se concibió inicialmente conforme a ciertos postulados estéticos.

La estructura es y ha sido siempre un componente esencial de la arquitectura.

¿En qué momento y por qué se dividieron los caminos?1. Evolución de la ciencia físico – matemática

2. Aparición de materiales nuevos: el acero, el concreto armado.

Torre Chrysler, New York, 1930

Torres Petronas

Kuala Lampur, Malasia

Hotel Burj- el Arab-Dubai

Banco de China- Pei

Principio Fundamental:

Un buen diseño arquitectónico debe tomar en cuenta la estructura resistente desde sus inicios.

No se puede creer que es posible hacer el proyecto de un edificio y después “meterle dentro” la estructura. Esto equivaldría a creer que un ser humano se forma sin huesos y, una vez nacido, podemos meterle dentro el esqueleto.

Proceso de Diseño Estructural

1. Estructuración

2. Análisis

Modelación

Determinación de las solicitaciones de diseño

Determinación de las acciones de diseño sobre el modelo → Momentos flectores, fuerzas cortantes, desplazamientos.

3. Dimensionamiento

Preguntas consecuentes

1. ¿Es posible facilitar al arquitecto la comprensión y adquisición de los conocimientos estructurales necesarios para poder resolver problemas técnicos y de construcción?

2. ¿Es posible tal cosa sin un estudio exhaustivo de la matemática superior y la física?

En otras palabras:

¿Es posible que una persona razonablemente inteligente, sin un estudio profundo de las ciencias físicas y matemáticas, comprenda los fundamentos del comportamiento estructural?

¡Sí….!Las respuestas a las preguntas que anteceden son afirmativas si se establece una clara distinción entre la comprensión de los conceptos estructurales básicos y el conocimiento cabal del análisis estructural.

Estructuración: Es la conjetura inicial educada (supuestos de diseño) que proviene de la experiencia y la intuición más que de cálculos científicos.

Análisis estructural: Es la verificación matemática de la resistencia de los materiales a cargas dadas

Alcances y metas

Es razonable entender que lo los arquitectos necesitan conocer es ESTRUCTURACIÓN, ya que no resulta lógico pretender que todos los arquitectos aprendan a CALCULAR.

La meta es que todos arquitectos manejen criterios, que permitan estructurar un proyecto desde su concepción para obtener mejores resultados que los que se consiguen al tratar de acomodar una estructura a un diseño ya acabado

“El Diseño Estructural es el arte de usar materiales que en realidad NO conocemos, para formar estructuras que en realidad NOpodemos analizar, de manera que resistan cargas que en realidad NO podemos evaluar… y hacer todo esto de modo que el público no se dé cuenta de nuestra IGNORANCIA”

(Dr. Roberto Melli Piralla)

Aspectos a considerar

• En una realidad sísmica como la del Perú, el proyecto arquitectónico no puede evitar considerar el aspecto sismo-resistente.

• Filosofía del diseño sismo-resistente.– Sismos leves

– Sismos moderados

– Sismos severos

“Los sismos NO matan a la gente. Los edificios pueden matar a la gente si no se diseñan para soportar sismos”. (Dr. Javier Piqué)

Consideraciones básicas del Diseño Estructural:

La forma estructural influye decisivamente en el comportamiento sísmico.

El diseño estructural no es un cálculo matemático exacto (interesan más el comportamiento y los modos de falla)

Las fuerzas de sismo deben tratarse con la misma importancia que las de gravedad (Fuerzas muy grandes con pequeña probabilidad de ocurrencia y durante tiempos muy cortos).

Se trata principalmente de evitar el colapso frágil de la estructura.

Antes y después del sismo de México 28/07/1957 (M =7.7)

Restaurant La Réserve, antes y después del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960

Hotel Saada, antes y después del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960

Palacio Nacional de Haití, antes y después del sismo 12/01/2010 (M = 7.0)

Edificio “Alto Río”, antes del sismo

Edificio “Alto Río”. Av. Padre Hurtado 776, Concepción, Chile. Sismo Chile, 27/02/2010(M = 8.8)

Edificio “Alto Río”, después del sismo

Sismo Chimbote (31/05/1970)

Sismo Chimbote (1970)

Licuefacción del suelo en Chimbote (1970)

Yungay, antes y después del aluvión (1970)

Requisitos para el buen Desempeño Estructural:

1. Resistencia(La estructura debe ser capaz de soportar el sistema de cargas verticales y horizontales, estáticas y dinámicas, que actúen sobre ella)

2. Rigidez(Los desplazamientos horizontales deben ser pequeños)

3. Ductilidad(Para que en determinadas zonas pueda tener un comportamiento inelástico, lo que significa fisuración, sin perder su resistencia ni que se produzca una falla frágil)(Se trata de buscar un comportamiento elástico durante sismos leves e inelástico durante sismos severos)

Acerca de la RESISTENCIA:

Debe existir resistencia sísmica por lo menos en dos direcciones perpendiculares.

Deben existir líneas sucesivas de resistencia (Ventaja del sistema dual Pórticos-Muros de Corte)

Sistema estructural con dos direcciones perpendiculares de resistencia sísmica

Necesidad de disponer de líneas sucesivas de resistencia

“Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para otra finalidad o función, que lleva, como consecuencia esencial, que la construcción mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo.

La resistencia es una condición fundamental, pero no es la finalidad única. Ni siquiera es la finalidad primaria”

Eduardo Torroja

Acerca de la RIGIDEZ

Para que la estructura sea rígida: El proyecto arquitectónico debe permitir proporcionar elementos que resistan fuerzas horizontales, sin deformaciones importantes → Muros de Corte (Placas de Concreto Armado o Albañilería Confinada, que limiten los desplazamientos laterales)

Antiguamente se consideraba el criterio de diseñar estructuras flexibles sobre suelo rígido, y estructuras rígidas sobre suelo flexible (para alejar sus frecuencias de vibración). Hoy esto se considera

obsoleto y se exige siempre RIGIDEZ.

• La deformación total ante cargas laterales depende básicamente de la rigidez. A menor rigidez, mayor deformación; y a mayor deformación, mayor probabilidad de daños.

Edificación con pórticos en una sola dirección

Edificaciones con insuficiente rigidez lateral en la dirección transversal

Colegio en Huaraz (Sismo 31/05/1970)

3. Acerca de la DUCTILIDAD:

Las estructuras deben ser capaces de ingresar a una etapa plástica, sin perder su resistencia y sin llegar a la falla.

Se debe prevenir la formación de rótulas plásticas en elementos que afecten menos la estabilidad de la estructura (antes en vigas que en columnas).

Deben existir conexiones entre elementos, que permitan desarrollar la ductilidad.

Deben existir adecuadas longitudes de anclaje

Considerar que la falla por corte es frágil y causa pérdida repentina de resistencia sin suficiente disipación de energía.

Comportamiento súper dúctil en columnas de

edificio

Sismo NorthridgeLos Angeles, U.S.A.17/01/94 (M = 6.7)

Edificio de estacionamientosCal State Campus

03 pisos, Prefabricado

Columnas sin confinamiento de estribos. Sismo Sur 06/06/2001 (M = 6.9)

Mecanismo columna débil vs. viga fuerte

(Caso de vigas más resistentes que las columnas, las rótulas plásticas se forman en las columnas antes que en las vigas, originándose mecanismos de falla)

Generación de rótula plástica en viga

Rótulas plásticas en columnas

Edificaciones colapsadas por formación de rótulas plásticas en columnas

Falla de conexión en nudos

Falla de anclaje en nudo

Edificios de muros de ductilidad limitada

Vulnerabilidad Sísmica

Es el nivel o grado de daño que la edificación está expuesta a sufrir, cuando se encuentra sometida a la acción de un sismo.

Es inversamente proporcional a la capacidad sísmica con la que se encuentra construida.

Es variable con el transcurrir del tiempo.

Por consiguiente, la vulnerabilidad estructural se refiere a la susceptibilidad que la estructura presenta frente a posibles daños en aquellas partes que la mantienen en equilibrio estable ante un sismo severo.

Reflexiones…

• Esto significa que el aspecto estructural debe ser considerado durante la etapa de diseño y construcción, cuando se trata de un nuevo edificio, o durante una etapa de reparación, remodelación o mantenimiento, cuando se trata de un edificio ya construido.

• Por otra parte, en la planificación de un edificio nuevo, es necesario tener en cuenta que una de las mayores causas de daños en edificaciones han sido los esquemas arquitectónico-estructurales nocivos. Puede decirse de manera general que el alejamiento de formas y esquemas estructurales simples es castigado fuertemente por los sismos.

• De cualquier forma, dada la naturaleza probabilística de los sismos, así como la posibilidad de que se exceda el nivel de diseño, es aconsejable evitar el planteamiento de configuraciones riesgosas, independientemente del grado de sofisticación que sea posible lograr en el análisis de cada caso.

Vulnerabilidad relacionada con la configuración arquitectónica

1.0 Configuración en planta1.1 Incumplimiento de la hipótesis de diafragma rígido1.2 Longitud1.3 Torsión en planta1.4 Concentración de esfuerzos debido a plantas complejas

2.0 Configuración en elevación.2.1 Escalonamiento2.2 Proporcionalidad2.3 Concentración de masas2.4 Discontinuidad de elementos verticales2.5 Problema de “Piso Blando”

3.0 Interacción de estructura principal con elementos no estructurales.

3.1 Compromiso de elementos no estructurales.

3.2 Problema de “Columna Corta”

4.0 Impacto con edificaciones vecinas

1.1 Hipótesis de diafragma rígido

Casos donde no hay comportamiento de diafragma rígido:

- Flexibilidad del material del diafragma.- Relación de aspecto (largo/ancho del diafragma)- Aberturas en el diafragma

Limitaciones recomendadas por Bazán y Meli a las

aberturas del diafragma

Colapso de edificio FourSeasons (06 pisos)

Sismo Anchorage, Alaska, 1964

1.2 Longitud

Sismo México 1985

Posibles soluciones para plantas muy alargadas o con aberturas importantes:

1.3 Torsión en planta

Se produce por la excentricidad existente entre el centro de masa y el centro de rigidez.

Casos frecuentes:

Posición de elementos rígidos de manera asimétrica con respecto al centroide del piso.

Colocación de grandes masas en forma asimétrica con respecto a la rigidez.

Torsión ocasionada por muros

de corte excéntricos

Torsión en planta en edificio de esquina

Efecto de torsión en planta, causado por tanque elevado

Cuando existe excentricidad, los daños se presentan en los elementos ubicados en los extremos

Falla de columna esquinera por

efecto de la torsión en planta

Daño en columna perimetral por vibración

torsional

Sismo Armenia, Colombia 25/01/1999

(M= 6.2)

Sismo México 19/09/1985 (M = 8.1)

1.4 Concentración de esfuerzos debido a plantas complejas

Edificio Hospital de Caldas (Colombia)

Fenómeno de “aleteo”

Central de Telecomunicaciones. México

1985

Anchorage, Alaska 1964

Posibles soluciones para edificios con alas muy largas:

(Plantas con esquinas entrantes)

En general, tratar de evitar las plantas con esquinas entrantes, ya que en dichos vértices se producen concentraciones de esfuerzos, por lo que deben evitarse, procurando que la planta del edificio sea lo más compacta posible.

2.0 Configuración en elevación

2.1 Escalonamiento

2.2 Concentración de masa

2.3 Discontinuidad de elementos verticales

2.4 Problema de “Piso Blando”

2.1 Escalonamiento(Irregularidad en elevación)

Efecto de “latigazo” en vivienda con irregularidad vertical en planta(Sismo Pisco 15/08/07)

Daños causados por sismo debido al cambio de rigidez de la estructura

Posibles soluciones a la reducción en

elevación

ProporcionalidadEdificio de albañilería demasiado esbelto (H/B > 4) →Efecto

de compresión en talones de muro

2.2 Concentración de masa

2.3 Discontinuidad de elementos verticales

Edificio informal de siete pisos, que originalmente

fuera de tres

• Los casos más usuales de interrupción de elementos verticales, que ocurren generalmente por razones espaciales, formales o estéticas, son los siguientes:

i. Interrupción de las columnas.

ii. Interrupción de muros estructurales muros de corte o placas).

iii. Interrupción de muros divisorios, concebidos erróneamente como no estructurales, alineados con pórticos.

Efecto de concentración de

esfuerzos

Colapso por discontinuidad de elementos estructurales verticales

Problema de transición de columna(Origina articulación en el nudo → Los momentos de la columna superior no se pueden transmitir a la inferior)

Falla en apoyo de columna sin continuidad vertical

Daños en edificación con discontinuidad estructural vertical (Pisco 2007)

Discontinuidad de columna en obra

Falla en columna sin continuidad

Graves deficiencias de

autoconstrucción

2.4 Problemade

“Piso Blando”

(Las deformaciones por desplazamientos laterales se concentran en un solo piso y pueden exceder la capacidad de deformación de dicho piso)

Edificio “Don Tristán”, Maipú, Santiago,

Sismo Chile 27/02/2010

Sismo Popayán, Colombia(31/03/1983)

Sismo El Salvador 10/10/1986 (M = 7.5)

Sismo Managua, Nicaragua 23/12/1972

(M = 6.2)

Hospital Olive ViewSismo San Fernando, California, E.E.U.U.

09/02/1971 (M = 6.6)

(Izq.sup. e inf.)Sismo México

19/09/1985 (M = 8.2)

(Abajo)Sismo Erzinkan, Turquía,

1992

Colapso de pisos blandos intermedios

(Sismo de Kobe, 1995)

Conclusión:

Muchas veces, las exigencias y caprichos de los dueños de los proyectos y la gran imaginación de los encargados del diseño arquitectónico, parecen carecer de los aspectos principales y criterios de diseño sismo-resistente, y no parecen estar conscientes del peligro que sus atrevidos diseños pueden representar en zonas sísmicamente activas.

3.0 Problema de “Columna Corta”

Sismo Nazca 1996A pesar de tener tecnoport separando 2 cm, las columnas de los tabiques de los colegios sufrieron daño porque la deformación era mayor.

Solución al problema de columna corta en centros educativos: independización de tabiques y uso de

columnas estructurales más rígidas

4.0 Impacto con edificaciones

vecinas

Casos de presencia y ausencia de junta

Choque de edificios, Sismo México 1985

Sismo Tokachi-Oki, Japón, 1968

Sismo Pisco15/08/2007

Vulnerabilidad relacionada con el procedimiento constructivo

1.0 Uso de materiales competentes

2.0 Compatibilidad entre arquitectura, estructuras e instalaciones.

3.0 Buena praxis constructiva

Sin comentarios…

Edificios de losas sin vigas

Edificio de losas planas sin vigas: Hospital Juárez

Sismo México 1985 (punzonamiento de las

losas)

1.0 Uso de materiales competentes

Existen materiales que, debido a su propia naturaleza, tienen una pobre competencia ante cargas dinámicas.

El nivel de la resistencia y la calidad de los materiales determinan en buena parte el desempeño de la edificación durante su vida útil.

Concreto armado

Albañilería reforzada (confinada o armada)

Acero

Madera

Albañilería de tierra cruda: Adobe (izquierda) y Tapial

(abajo)

Colapso de viviendas de adobe

Estructuras con elementos sismo-

resistentes de madera

Edificaciones de pórticos flexibles y muros de ladrillo pandereta

Ladrillo tubular, con excesivo porcentaje de perforaciones

Defectos de fabricación en ladrillos artesanales

Ladrillo KK industrial con % huecos > 30 %

Eflorescencia moderada y severa en unidades de

albañilería

2.0 Compatibilidad entre arquitectura, estructuras e instalaciones.

Los elementos arquitectónicos

deben respetar las juntas sísmicas

Juntas de llenado

Junta de construcción que se transformó en rótula plástica

Ductos y cajas para instalaciones

eléctricas. (Del muro de

concreto no quedó nada)

Tubería en medio de núcleo confinado de placa

Tubería que atraviesa viga en zona inadecuada

Tubería en sección crítica de volado

Tubos para instalaciones sanitarias. (¿Y el

muro portante de ladrillo?)

3.0 Vulnerabilidad por mala praxis constructiva

• En este acápite nos referimos a diversos aspectos, tales como:

Curado del concreto, juntas de construcción, recubrimiento del refuerzo, empalmes y traslapes, habilitación de estribos, paso correcto de ductos, procedimientos constructivos correctos en albañilería, etc

Importancia de una adecuada praxis constructiva

Importancia de un buen curado

Juntas de construcción

Juntas de control en muros portantes de albañilería confinada

Caso 1: Ladrillos de arcilla y Si-Ca ; Caso 2: Ladrillos de concreto

Juntas de llenado

Empalme en zona adecuada para refuerzo de columnas

Máxima separación permisible entre columnas de confinamiento

Regado de unidades de arcilla, previo al

asentamiento

Retemplado del mortero

Rayado para asentado de la primera hilada

Falla por cizalle y solución: crear llaves de corte con el

mortero

Refuerzo horizontal continuo, anclado en las columnas de confinamiento

Errores frecuentes en la praxis constructiva

Código de Hammurabi (Babilonia, 1760 A.C.):

“Si un constructor ha edificado una casa para otra persona y la construcción no ha resultado sólida y la casa que se construyó se cae, causando la muerte de su propietario, ese constructor debe ser ejecutado. Si causa la muerte del hijo del propietario, deberá ejecutarse al hijo del constructor”.

Falta de vibrado en el concreto de la columna

Exceso de cuantía en refuerzo de columna (1% ≤ρ≤ 6 %)

Empalme en zona inadecuada de

columna

Insuficiente recubrimiento en refuerzo de viga

Insuficiente recubrimiento en refuerzo de columna

.

Falta de recubrimientos

Cangrejeras y falta de recubrimiento

Cangrejera en una vigueta de aligerado

Estribos abiertos

Estribos deficientes(Mala habilitación del

fierro)

Falla en unión de vigas fuera del plomo de la columna

Columnas con alto grado de oxidación

Cangrejeras en columna(f´c = ??)

Deterioro por exposición a la brisa

marina

Falta de protección temporal en las armaduras. → Futuro problema de corrosión

Uso de albañilería no

reforzada

Errores en la extensión del mortero y fluidez del

mortero

Colapso de edificación de albañilería con ausencia de solera

Procedimiento incorrecto: vaciado de la solera en dos etapas

Procedimiento correcto: vaciado simultáneo de aligerado y solera

Consecuencias de secuencia constructiva inadecuada

(Sismo Pisco 15/08/2007)

Secuencia correcta en la construcción de la

Albañilería Confinada

Trituración del sobrecimiento durante los sismos (por no haber iniciado el vaciado desde el borde del cimiento)

Correcto →↑

Incorrecto

Aplastamiento en muro de albañilería por apoyo directo de viga

Falla en muro de albañilería por punzonamiento de descanso de escalera

Falla de dintel peraltado discontinuo

Comportamiento sísmico de muros no confinados

Daño por falta de reforzamiento en

aberturas

Daño por falta de separación en

ventanas y puertas

(Observar desprendimiento de reparaciones ejecutadas por daños de sismos anteriores)

Grieta en zona de unión de alféizar, por falta de independización

Aislamiento adecuado de alféizares (albañilería armada y confinada)

Conexión dentada (insuficiente) y arriostrada (correcta) en tabiques en aleros

Falla de tabique no arriostrado

Trituración de celdas vacías en muro armado parcialmente relleno

Estructuras inestables

Cimentación de concreto ciclópeo, inadecuada para albañilería armada

Platea de cimentación para muros armados

Antiejemplos

Antiejemplo Nº 01:Hotel Ambassador, Pisco. Sismo 15/08/2007

Caso de Hotel Ambassador(Sismo Pisco 15/08/07)

1) Baja calidad de los ladrillos, que dio lugar a una baja resistencia al corte de los muros.

2) Baja densidad de muros en la dirección corta, donde sólo habían dos muros perimetrales.

3) Mala distribución en planta de los muros, donde el muro longitudinal no aporta resistencia a fuerza cortante en la dirección corta, sino más bien genera torsión.

4) Piso blando, por existencia de cocheras.Este tipo de estructura debe evitarse.

Antiejemplo Nº 02:Hotel Embassy. Sismo Pisco 15/08/2007 (M = 7.9)

Detallado NO dúctil de estructuras de Concreto Armado

- Refuerzo insuficiente

-Falta de continuidad en el refuerzo

-Confinamiento insuficiente

Antiejemplo Nº 3: Sismo Pisco 15/08/2007

Entrepiso blando generado por proyecto (?) con deficiencia estructural

Ejemplos de Proyectoscon una adecuada Estructuración

Sismo-resistente

Edificio Residencial Alcanfores

• Sótano y once pisos

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y Percy Vivas Vélez

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Calle Alcanfores Nº 730 (Esq. Calles Alcanfores y San Martín) Miraflores.

• Área : 6159.04 m2

Edificio Residencial Óvalo Pardo

• Tres sótanos y dieciséis pisos

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y Percy Vivas Vélez

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Óvalo Pardo, (Av. Pardo Nº 1085) Esq. Av. José Pardo, M. Napanga y A. León, Miraflores

• Área : 10297.40 m2

Edificio Residencial Pardo II

• Cuatro sótanos y veintiún pisos

• Arquitectura : Edwin Colonia Villarreal y Carlos Romero Luna

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Av. Pardo Nº 1001 (Esquina Av. Pardo y Calle Ramón Zavala) Miraflores.

• Área : 8331.91 m2

Edificio Residencial Balta

• Tres sótanos y diecisiete pisos

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz, Carlos Romero Luna y Percy Vivas V.

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Malecón Balta 780, Miraflores.

• Área : 8622.85 m2

Edificio Residencial Alexander

• Dieciocho pisos (muros de concreto armado)

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y PercyVivas Vélez

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Av. Alberto Alexander 2263-2267, Lince.

• Área : 6858.21 m2

Edificio Casa Club Pardo

• Cuatro sótanos y dos torres de veintiún y quince pisos.

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y PercyVivas Vélez

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Av. José Pardo 931-935, Miraflores.

• Área construida: 15663.60 m2

Muchas gracias por su atención

Ing. Oscar Fernández Cruz

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