COLUMNAS

El concreto y los terremotos

Algunos aspectos que contribuyen de manera importante en el desempeño estructural

de las edificaciones ante acciones sísmicas son los cambios bruscos de rigidez,

resistencia y masa, la redundancia estructural, así como el material y el despiece de las

armaduras al interior de los elementos estructurales.

En cuanto a los cambios bruscos de

rigidez, resistencia y masa, podemos decir, en primera instancia, que los edificios que van teniendo secciones

de columnas más pequeñas –conforme va adquiriendo una mayor elevación el edificio– pueden generar un

efecto de amplificación de los movimientos que en algunos casos hacen colapsar los pisos superiores. En

este caso, debido al cambio de rigidez, los pisos superiores se comportan como un oscilador resonante; es

decir, como un edificio sobre otro edificio que lo excita mucho más de lo que lo haría el movimiento aislado en

la base. Este fenómeno se ha visto normalmente en edificios que cuentan con tanques o masas elevadas;

durante movimientos fuertes, estos elementos salen despedidos y caen hasta la calle o sobre otro edificio

como resultado de la acción de estos fuertes movimientos amplificados que además dañan al propio edificio.

El componente vertical de los sismos genera un incremento apre-ciable en las cargas verticales que deben

soportar los elementos es-tructurales. Cuando se incrementa la carga axial en los elementos por-tantes, la

rigidez de los elementos sufre una reducción proporcional a la sobrecarga impuesta. El fenómeno descrito se

llama no linealidad geométrica y su problema mayor radica en que debilita progresi-vamente la edificación por

medio de la reducción de los parámetros de rigidez. Desafortunadamente este tipo de consideraciones po-cas

veces son tomadas en cuenta por los ingenieros calculistas al momento del diseño, por lo que resulta

complicado reconocer la participación de este fenómeno en el colapso de muchas estructuras. Lo que sí se

reconoce actualmente son edificaciones extraordinariamente cargadas, destinadas a un uso diferente al

inicialmente considerado en el proceso de diseño estructural.

Redundancia estructural

Un edificio alto que tenga un pequeño número de ejes de columnas puede ser muy redundante y, sin

embargo, conformar una estructuración inconveniente. La redundancia debe entenderse en este caso como la

conformada por un razonable número de columnas o muros (o cualquier otro elemento ligado directamente a

la cimentación) en cada eje. Lo más recomendable sería que el número mínimo fuera igual o mayor que tres

elementos por eje. De manera intuitiva se puede apreciar que un edificio con tres ejes de columnas puede

mantenerse en pie más fácilmente que uno con sólo dos ejes, a pesar de que un sismo intenso le haya

producido graves daños estructurales. Es una simple cuestión de equilibrio, que resulta más facil sobre tres o

más apoyos que sobre dos (Ver Foto 1).

Muros de concreto

Otro aspecto que interviene en la integralidad del diseño estructural, desde el punto de vista de la es-

tructuración, guarda una relación directa con el sistema de cimentación y su incidencia en la absorción y

disipación de la energía que impone un sismo. Los edificios altos con enormes muros de concreto se

construyen en ciudades sobre suelos bastante blandos que pueden no garantizar la estabilidad global al

volteo debido a la ausencia de la suficiente capacidad de fricción negativa de los pilotes, que no llevan

refuerzo en toda su longitud de desarrollo.

Los muros estructurales deben

ensamblarse apropiadamente con los elementos horizontales, de lo contrario se presenta la situación de muy

baja eficiencia, en la cual el muro tiende a funcionar independiente y a concentrar sobre sí mismo de manera

inapropiada, las cargas inerciales horizontales. Si esto se origina en una condición explícita de diseño, porque

no queda alternativa, el diseñador debe atacar el problema de cimentación plenamente consciente de la

situación a la cual ha llegado; sin embargo, si se presenta el funcionamiento semi independiente del muro de

manera inconsciente por una mala estructuración, toda la concepción del ingeniero estructural puede resultar

falseada y como consecuencia, se puede llegar a una edificación peligrosa en su estabilidad global y a

menudo poco funcional.

Columna corta

Es común que debido a la presencia de muros de ladrillo de relleno parcial entre las columnas que cubren

verticalmente el espacio desde el piso hasta el umbral de una ventana se genere el efecto no deseado

conocido como “Columnas cortas”. Éstas han producido en muchos casos daños severos e incluso colapsos.

Dicho efecto provoca que falle la columna en forma frágil al ser sometida a esfuerzos cortantes excesivos que

generados por estar impedida su deformación hasta la altura de los ladrillos (Ver Foto 2).

La columna corta es uno de los defectos de estructuración encontrado con mayor frecuencia en las áreas de

gran destrucción después de un sismo intenso. Resulta preocupante que en los edificios escolares para la

educación de la niñez y la juventud, las columnas cortas abundan por las necesidades de iluminación y

ventilación. Todo se origina por desorganización existente acerca de quién lleva la responsabilidad del diseño

de los elementos no estructurales dado que una persona diseña la estructura sin muros y otra decide donde

van los muros. Asimismo, las entidades de planeación que aprueban licencias de construcción, sólo observan

que cumplan la distorsión de entrepiso, ya que las columnas cortas no están taxativamente prohibidas. Si la

responsabilidad de distribución de los muros recae sobre el diseñador estructural, es casi seguro que en

nuevas construcciones se reducirá el problema de las columnas cortas. La recomendación que se deriva de

las consideraciones expuestas es que las columnas cortas deben evitarse en toda construcción.

Materiales, despiece y armadura

El mal vibrado del concreto por falta de

control cuando se funden las secciones en las obras, así como las malas condiciones de colocación que en

muchas ocasiones generan secciones de concreto con oquedades u hormigueros que hacen reducir el área

neta de las columnas o vigas, son un fuerte pro-blema actual. Las cimbras en mal estado que generan

secciones de geometría defectuosa y que no corresponden a las planteadas en los diseños originales, con

espesores de recubrimiento exagerados, hacen trizas el buen comportamiento de cualquier sección diseñada

con otras dimensiones (Ver Foto 3).

Por otro lado, el acero de refuerzo debe colocarse de manera generosa, sobre todo en lo que concierne a

estribos, ganchos o flejes. Estos son los que confinan el concreto y garantizan la integridad, para que en los

muchos ciclos de carga y descarga el concreto no se muela, destroce y fracture, convirtiédose en piedras que

se escapan progresivamente y hacen deshacer la sección portante. Cabe decir que entre mayor número de

estribos y entre más cercanos se coloquen entre sí, mayor integridad se brindará a la estructura a partir de

sus nudos que se pueden denominar los elementos claves de mantener. No obstante, el número de estribos

debe llegar a un límite práctico que permita el fluir correcto del concreto fresco a través de los pequeños

huecos, y la sección quede sin oquedades u hormigueros, o que no se requiera de concretos muy fluidos que

exigen agregados pequeños y aditivos especiales con el consecuente incremento del precio del material (Ver

Foto 4).

El acero no debe colocarse de más, si

acaso llegará a sobrar ya que los principios de diseño se basan en fallas balanceadas que equilibran las

fuerzas resistentes del concreto en compresión con las del acero en tensión. De esta manera, colocar más

acero en una sección con insuficiente concreto que lo soporte conlleva perder dinero. Es aquí donde el criterio

de los ingenieros diseñadores debe hacer uso máximo del concepto de eficiencia para garantizar el acero

repartido de manera generosa pero útil, y garantizando su trabajo en el momento que se le requiera, con un

balance económico que permita construir en sitios con frecuentes temblores y con precios adaptables a las

economías de países emergentes como los latinoamericanos.

Columna fuerte, viga débil

La resistencia y rigidez global de una edificación es resultado de la contribución de los elementos que la

componen y que siguen un comportamiento similar. Lo que muestra el comportamiento de los elementos

individuales es que cuando se alcanza la resistencia del elemento, se pierde apreciablemente la rigidez del

mismo por el agrietamiento. Obviamente esto no ocurre simultáneamente en todos los elementos que

componen una edificación; sino más bien, se inicia en los elementos que presentan la primera defensa

estructural; cuando éstos han alcanzado su resistencia, empiezan a redistribuir los esfuerzos que ya no

pueden resistir a sus vecinos. Lo anterior degenera en que la pérdida de la rigidez global se va haciendo de

forma gradual, conforme más elementos han alcanzado su resistencia. Todo lo anterior se logra, siempre y

cuando la edificación se haya diseñado correctamente mediante el uso del criterio, la experiencia, el buen

juicio y, el conocimiento explícito de las variables que componen el diseño (Ver Foto 5).

La búsqueda del diseño sismorresistente de edificaciones se

ha enfocado en que el fenómeno se concentre en primera instancia en las vigas; si son las de pisos

superiores, mejor aún. Las columnas importantes de soporte de la edificación, en los pisos bajos, deben ser

las últimas en llegar a esta pérdida de rigidez, porque en ese momento se pone en riesgo la estabilidad global

de la edificación.

El hecho de que todos los elementos vayan fallando progresivamente como fusibles, genera que la energía

inducida inercialmente desde la base se vaya disipando gradualmente de la mejor forma a lo largo del mayor

número de elementos posibles, en el mayor número de ciclos posible también. Se considera que este efecto

gradual de falla de elemento por elemento, es la mejor defensa ante un evento de larga duración con gran

número de ciclos.

Colofón

Mucho de lo comentado está basado en dos aspectos fundamentales que aunque diferentes convergen en lo

mismo. El primero es pensar que algo que cumple la norma en cálculos y diseños, será seguro cuando se

construya sin tener control de obra; el segundo es pensar que la frontera del conocimiento la representa la

norma, planteándola como la única fuente de consulta y cumplimiento. Esto se está haciendo de forma

sistemática en universidades y despachos de consulta que, en algunos casos, procrean diseños de edificios

que cumplen normas, pero son inseguros.

PATRONES A EVITAR PARA UN ADECUADO DISENO SISMORRESISTENTE…(I): COLUMNA CORTA

El Estado del Arte de la Ingeniería Sismo resistente se ha enriquecido

sobremanera de la observación de las Patologías estudiadas

posteriormente a los eventos sísmicos, especialmente en los últimos

anos. Se ha logrado entender que muchas tradiciones en el uso de

ciertas “practicas” en zonas  donde no existe amenaza sísmica no

pueden ser trasladadas a zonas con riesgo sísmico. Esto así porque en

las zonas sin riesgo sísmico la estructura trabajara por gravedad con

fuerzas verticales mientras que en las zonas de riesgo sísmico la

estructura debe estar preparada para poder deformarse lateralmente (y

verticalmente) debido a las oscilaciones de la excitación sísmica.

Lo anterior le confiere una importancia vital a la capacidad de

deformación lateral a las edificaciones en zonas sísmicas.

Si recuerdan los artículos escritos los días 19 y 23 de Agosto:

Idealización desde el punto…. y Oscilaciones Armónicas, teoría e

historia, verán que toda estructura sometida a una oscilación tiene un

periodo T de oscilación, una frecuencia  de oscilación (inversa al

periodo, f=1/T) así como K, su rigidez, que también llamamos constante

de resorte.

K representa la capacidad del sistema de oponerse al movimiento o

deformación. Sabemos que para una columna dependiendo de las

condiciones de apoyo Ki = nE.I/L³.

Ya con esta pequeña introducción introduciremos el tema a tratar que

será el deColumna Corta:

Podemos llamar Columna Corta a aquella que por su tamaño relativo a

las demás del sistema al que pertenece o relativo a su diseño, en el cual

fue diseñada con una longitud, pero ya construida trabajara como más

corta, por lo cual tendrá mayor rigidez relativa que la que fue diseñada,

podrá demandar mayores  fuerzas, pero sin poder responder

satisfactoriamente, por no haber sido diseñadas para esas demandas

(Definición JRC).

En el primer caso de la definición veamos dos columnas de diferentes

longitudes unidas al mismo Diafragma. Este último al moverse aplicara

el mismo desplazamiento a las dos columnas, pero, la de  menor

longitud tiene mayor rigidez y se opone más al movimiento que la mas,

pero en su diseño no se tomó en cuenta esto. Por tal razón fallara.

Cola Corta colapsada por aplastamiento

El segundo caso de la definición es el típico de apartamentos y escuelas

porticados que se les añade un muro debajo de las ventanas, entre

columnas, rellenando el espacio, es decir pegado a las columnas.

Cuando la estructura es excitada por un sismo el muro empotra la parte

de la columna a la que está conectado y la columna queda libre solo por

encima  del alfeizar lo que ocasiona que cuando el Diafragma le

transfiere desplazamiento se crea una distorsión angular ya que el

muro es más rígido y la columna fallara por cortante al ser golpeada en

la zona del alfeizar. Luego del movimiento de la columna esta quedara

degradada en su rigidez y las cargas verticales quedaran  excéntricas y

harán fallar por aplastamiento la columna.

Veamos varios ejemplos para una mejor y más profunda comprensión:

En la gráfica tenemos dos columnas  iguales de sección y longitud.

Cuando el Diafragma recibe la excitación  lateral se desplaza

horizontalmente y empuja las dos columnas que se desplazaran igual.

Recordemos   que de la Física, F=K.x à x =F/K  como   K= nEI/L³ (Para

simplificar tomaremos n=1).

x = F.L³/E.I como F,E e I son Iguales nos queda x=L³,  o sea que el

desplazamiento aumentara en proporción a la longitud.

Si ahora tomamos una de las columnas y la enterramos, una parte de su

longitud que está enterrada funcionara como empotramiento y entonces

la longitud de la columna será una fracción de la original. Si

enterramos la ¾ partes nos quedara una longitud de columna de ¼.L

por lo que la nueva rigidez será  K=nEI/(0.25L)³ = 64EI/L³. Esto último

significa que la rigidez aumenta 64 veces para la misma sección de

columna al ser enterrada ¾ veces su longitud.

Creo que con este ejemplo quedara claro el concepto de Columna

Corta. Sin embargo mostraremos otro  ejemplo para que quede claro

como la diferencia de rigidez afecta el  desplazamiento.

Tomemos las mismas columnas con la misma longitud pero ahora una

tendrá sección de 1.00×1.00 m2 y la otra 0.50×0.50 m2.

La inercia de la primera será: 1×1³/12 = 0.0833 m4

La inercia de la segunda será: 0.50×0.50³/12 = 0.0052 m4

Si dividimos la mayor inercia entre la menor veremos que la inercia de

la mayor es 2E4 = 2x2x2x2 = 16 veces o 0.0833/0.0052 = 16.

Como las longitudes son iguales las cambiaran igual.

Mas adelante continuaremos tratando el mismo tema pero en otros

tópicos similares como:

-Piso Debil.

-Piso Suave.

-Irregularidades en altura y horizontal.

-Cambios de masa.

-Masas concentradas.

-Etc.