CONFIGURACION DE EDIFICIOS.docx

7/14/2019 CONFIGURACION DE EDIFICIOS.docx

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CONFIGURACION DE EDIFICIOS

La configuración es el conjunto de características que posee toda estructura, y que según

como se haya diseñado, será el comportamiento del edificio ante las cargas gravitatorias o

cargas dinámicas.

La importancia de lograr una configuración adecuada se destaca haciendo un sencillo

análisis: para cargas estáticas, 1 tonelada sobre una viga es soportada por ésta y trasmitida

hasta descargar en el terreno de cimentación.

En el caso de las cargas sísmicas, ya no es tan sencillo; los sismos producen esfuerzos que

cambian de dirección e intensidad muy rápidamente, y para calcularlos es necesario

conocer las características dinámicas del edificio.

No obstante, aún conociendo esta características, los movimientos telúricos y la interacción

con la estructura son tan complejos que los valores exactos de las fuerzas del terremoto

tiene un grado de incertidumbre elevado.

Un sismo desarrolla vibraciones y movimientos caóticos, y debe tratarse con carácter

exhaustivo el análisis estructural, el estudio del terreno de cimentación y los cálculos

sismo-resistentes. Es por ello de gran importancia el diseño y elección de la estructura y la

evaluación correcta de cada uno de los parámetros que determinan el comportamiento de

las mismas, durante el evento sísmico.

La configuración se refiere a la forma del edificio en su conjunto, a su tamaño, naturaleza

y ubicación de los elementos resistentes y no estructurales.

Sistemas Estructurales

Edificios porticados con vigas planas

No son eficientes frente a acciones sísmicas.

Edificios porticados prefabricados con elementos de barras

No son adecuados en un diseño sismorresistente, dada la dificultad para asegurar la

resistencia y ductilidad en las conexiones entre vigas y pilares. En todo caso, de utilizarse,

sería imprescindible su adecuado arriostramiento mediante elementos de acero o bien

muros de cortante in situ.

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Edificios con pilares y losas

Tienen un comportamiento sísmico inadecuado. Esta estructura presenta dificultades para

transmitir las tensiones tangenciales entre pilares y losas, lo que puede llevar a un fallo

frágil. Aún sin llegar al colapso, los desplazamientos horizontales provocados por las

acciones sísmicas son excesivos.

Edificios de pilares y forjados reticulares

La vulnerabilidad sísmica es muy alta. Tienen tendencia a la aparición de fenómenos de

punzonamiento de los forjados como consecuencia de su alta flexibilidad lateral, esto se

traduciría en grandes desplazamientos sísmicos en la estructura.

Edificios apantallados

Los muros de hormigón armado ofrecen una resistencia a cortante o arriostramiento frente alas solicitaciones horizontales derivadas de las acciones sísmicas.

Edificios porticados con muros

Los pórticos de hormigón armado colaboran con los muros de cortante o arriostramiento

para proporcionar la resistencia lateral necesaria, lo que minimiza los desplazamientos

horizontales.

Edificios con núcleo central. El edificio se proyecta con un concepto global de la

estructura de forma que las instalaciones y comunicaciones generales se concentran

en un punto – núcleo central- que se constituye en elemento rigidizador del conjunto,

reduciendo los desplazamientos laterales. Es importante disponer el o los núcleos

reduciendo al mínimo la excentricidad, para evitar la torsión global en la

CONSTRUCCIONES SISMORRESISTENTES

¿Qué es la sismorresistencia?

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http://www.construmatica.com/construpedia/Arriostrar











Se dice que una edificación es

sismorresistente cuando se

diseña y construye con unaadecuada configuración

estructural, con componentes de

dimensiones apropiadas ymateriales con una proporción yresistencia suficientes para

soportar la acción de las fuerzas

causadas por sismos frecuentes.Aún cuando se diseñe y

construya una edificación

cumpliendo con todos los

requisitos que indican las normasde diseño y construcción sismo

resistente, siempre existe la

posibilidad de que se presente unterremoto aún más fuerte que los

que han sido previstos y que

deben ser resistidos por laedificación sin que ocurran

daños. Por esta razón no existen

edificios totalmente

sismorresistentes. Sin embargo,la sismorresistencia es una

propiedad o capacidad que se

dota a la edificación con el fin de

proteger la vida y las personas dequienes la ocupan. Aunque se

presenten daños, en el caso de un

sismo muy fuerte, unaedificación sismorresistente no

colapsará y contribuirá a que no

haya pérdidas de vidas y pérdidatotal de la propiedad.

Principios de la sismorresistencia

Forma regular

La geometría de la edificación debe ser sencilla en planta y en elevación. Las formascomplejas, irregulares o asimétricas causan un mal comportamiento cuando la edificación

es sacudida por un sismo. Una geometría irregular favorece que la estructura sufra torsión o

que intente girar en forma desordenada. La falta de uniformidad facilita que en algunas



esquinas se presenten intensas concentraciones de fuerza, que pueden ser difíciles de

resistir.

Bajo peso

Cuanto más liviana sea la edificación menor será la fuerza que tendrá que soportar cuando ocurre un terremoto. Grandes masas o pesos se mueven con mayor severidad al ser

sacudidas por un sismo y, por lo tanto, la exigencia de la fuerza actuante será mayor sobre

los componentes de la edificación. Cuando la cubierta de una edificación es muy pesada,

por ejemplo, ésta se moverá como un péndulo invertido causando esfuerzos tensiones muyseveras en los elementos sobre los cuales está soportada.

Mayor rigidez

.

Es deseable que la

estructura se deforme pococuando se mueve ante laacción de un sismo. Una

estructura flexible o poco

sólida al deformarseexageradamente favorece que

se presenten daños en paredes

o divisiones no estructurales,acabados arquitectónicos e

instalaciones que usualmente

son elementos frágiles que no

soportan mayoresdistorsiones

Buena estabilidad

Las edificaciones deben ser firmes y conservar el equilibrio cuando son sometidas a las

vibraciones de un terremoto. Estructuras poco sólidas e inestables se pueden volcar

o deslizar en caso de una cimentación deficiente. La falta de estabilidad y rigidez favorece

que edificaciones vecinas se golpeen en forma perjudicial si no existe una suficiente

separación entre ellas.

Suelo firme y buena cimentación

La cimentación debe ser competente para trasmitir con seguridad el peso de la

edificación al suelo. También, es deseable que el material del suelo sea duro y resistente.



Los suelos blandos amplifican las ondas sísmicas y facilitan asentamientos nocivos en

la cimentación que pueden afectar la estructura y facilitar el daño en caso de sismo.

Estructura apropiada

Para que una edificación

soporte un terremoto su

estructura debe ser sólida,

simétrica, uniforme, continua

o bien conectada. Cambios

bruscos de sus dimensiones,

de su rigidez, falta de

continuidad, una

configuración estructural

desordenada o voladizos

excesivos facilitan la

concentración de fuerzas

nocivas, torsiones y

deformaciones que pueden

causar graves daños o el

colapso de la edificación.

Materiales competentes

Los materiales deben ser de buena calidad para garantizar una adecuada resistencia y

capacidad de la estructura para absorber y disipar la energía que el sismo le otorga a la

edificación cuando se sacude. Materiales frágiles, poco resistentes, con discontinuidades se

rompen fácilmente ante la acción de un terremoto. Muros o paredes de tapia de tierra o

adobe, de ladrillo o bloque sin refuerzo, sin vigas y columnas, son muy peligrosos.

Capacidad de disipar energía

Una estructura debe ser capaz de soportar deformaciones en sus componentes sin que se

dañen gravemente o se degrade su resistencia. Cuando una estructura no es dúctil y tenaz se

rompe fácilmente al iniciarse su deformación por la acción sísmica. Al degradarse su

rigidez y resistencia pierde su estabilidad y puede colapsar súbitamente.

Fijación de acabados e instalaciones



Los componentes no estructurales como tabiques divisorios, acabados arquitectónicos,

fachadas, ventanas, e instalaciones deben estar bien adheridos o conectados y no deben

interaccionar con la estructura. Si no están bien conectados se desprenderán fácilmente en

caso de un sismo.

Problemas Estructurales Durante el Terremoto

Los efectos que produce un terremoto son básicamente: temblor, rotura del suelo y fuego.

Las condiciones de contorno son también parte básica delante del estudio de las

consecuencias de un movimiento del suelo:

Tipo de suelo: cuanto más rígido mejor

Topografía de la zona: cuanto más plana mejor

Hay otros factores que afectan a los daños producidos: la configuración de la construcción

del edificio, las aberturas, la distribución de la rigidez en el edificio, la ductilidad, la

cimentación y la calidad de la construcción.

Mecanismos de fallo de diferentes tipos de construcciones:

La Cubierta sostenida sobre dos paredes de cizalla

Un caso más habitual de cuatro paredes y una Losa en la parte superior:

Se ha de tener en cuenta, finalmente que las paredes acostumbran a tener aberturas.

La fuerza de inercia se transmitirá a la parte superior de las paredes que son capaces de

aguantarlo (techo diafragma). Si la situación es la perpendicular, las paredes son de tipo

A, la estructura colapsa fácilmente.

http://www.construmatica.com/construpedia/Cubierta



http://www.construmatica.com/construpedia/Losa



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Si la losa es suficientemente rígida y actúa como un diafragma la fuerza de inercia se

transmite como en el caso anterior; pero la estabilidad de las paredes A, en este caso no

solo dependen de las paredes B sino también de la losa del techo.

Actuación de la cizalla.

Características de la buena piedra para construir

Los efectos que produce un terremoto

a) Temblor del suelo: hablamos del suelo sobre el cual está hecho la construcción y

produce aceleraciones, velocidades y desplazamientos que pueden afectar y pueden llegar a

destruir los edificio. Es el efecto que nos ayuda a diseñar los edificios.

b) Rotura del suelo: evidentemente depende del tipo del suelo que tengamos, pero tanto la

rotura como el asentamiento o el derrumbamiento y también la licuefacción del suelo tienen

efectos no solo en la zona del edificio sino también en un área de influencia que puede

llegar a ser de kilómetros. La licuefacción es muy peligrosa sobretodo para presas, puentes,

cañerías enterradas o edificios aguantados sobre suelos con muy poca densidad saturada.

c) Tsunamis.

d) Fuego: el fuego es uno de los efectos más devastadores y menos tenidos en cuenta en

terremotos. Debe tenerse en cuenta que después de una primera sacudida se corta el agua

potable por lo que cuesta mucho mitigar el fuego.

Cargas de diseño

El temblor del suelo es el efecto que nos ayuda a diseñar mejor los edificios contra los

terremotos. De esta manera, el temblor del suelo produce unas fuerzas de inercia totalmente

irreversibles, que pueden ser estudiadas, pero que resultan muy complejos por la

particularidad de movimiento en las tres direcciones que tienen los terremotos.

Para estudiar el comportamiento de un edificio durante una sacudida, se han de modelar, la

fuerza que produce un terremoto en un edificio. Así, con el tiempo se ha convenido que es




una fuerza horizontal como la que produce el viento, la nieve, las fuerzas de impacto la que

tiene lugar debido a un terremoto. Esta fuerza es dinámica y muy difícil de predecir con el

tiempo; a pesar de eso, existen algunas aproximaciones que pretenden ser útiles ante el

cálculo estructural:

La fuerza que se produce sobre la estructura.

Donde:

S: zona sísmica en la que se encuentra el edificio. Fs: factor dependiente del tipo de suelo de los cimientos. Dependen de la dirección

en la que se considera F.

I: factor de vulnerabilidad. Depende de la edad del edificio.

C: factor dependiente de la rigidez y amortiguación del edificio.

W: peso de la superestructura del edificio.

En general tanto las paredes como las columnas, vigas o otros elementos estructurales de

este tipo han estado diseñados para soportar tensiones verticales y ante una tensión

horizontal reaccionan de diferente manera. Pero la reacción de estos elementos es muyimportante por los efectos que pueden llegar a causar el terremoto. Por eso se considera que

el diseño ha de tener en cuenta no solo las tensiones verticales y horizontales sino también

las de cizalla.

Conceptos Generales del Diseño Antisísmico

Se han de tener en cuenta:

Propiedades de los materiales de construcción

Características dinámicas del sistema del edificio

Características de las cargas de flexión de los componentes del edificio.

Para un diseño adecuado del edificio se debe de definir la categoría a la que pertenece

el edificio y hacer una planificación adecuada del diseño que consistirá en:







Planificación del edificio, conceptos básicos a cumplir: simetría, regularidad,

separación en bloques, simplicidad y área cerrada.

Escoger el lugar. Es muy importante la estabilidad del suelo: estabilidad de la losa,

arenas muy débiles y arcillas inestables.

Diseño estructural: depende mucho del material y es el factor más importante

Resistencia al fuego: se ha de tener en cuenta a la hora de escoger los materiales

Para un buen diseño estructural sismorresistente se ha de tener en cuenta lo siguiente:

Un buen suelo de base

Utilizar un mortero de junta de ladrillos de buena calidad

Se han de poner paredes de cizalla en lugares concretos

Losas de techo y suelo han de estar suficientemente ligadas a las paredes

Siempre es mejor una estructura deformable que una muy rígida.

Definición e importancia de la configuración estructural

Se conoce como configuración estructural a la distribución y localizaciónque se le dan a todos los elementos resistentes de una estructura, esdecir, columnas, muros, losas, núcleos de escalera entre otros. Perotambién se debe tomar en cuenta dentro de este concepto a todos loselementos no estructurales, como la disposición de la tabiquería, lageología del sector, clima, reglamentos de diseño urbano, como también

su carga ocupacional.

La configuración estructural puede ser considerada como elaspecto más importante en todo el proyecto estructural. Ya queun sistema estructural bien seleccionado tiende a ser realmenteindulgente de los descuidos del análisis, un mediocre detallado o unpobre proceso constructivo. Estas conclusiones se deducen de laexperiencia obtenida en pasados eventos sísmicos, donde se muestraque los edificios bien estructurados y detallados han tenido uncomportamiento satisfactorio, aun sin haber sido objeto de análisis ycálculos profundos.

Su importancia reside en que si el diseño arquitectónico no llega acomplementarse con un óptimo y razonable criterio en el diseñoestructural, la estructura puede comportarse deficientemente ante unterremoto, a pesar de que se hayan realizado métodos de análisiscomplejos y muy detallados por parte del ingeniero.



El problema del diseño estructural reside en que es muy difícil enseñar “los criterios estructurales” ya que estos se originan de la intuición de uncomportamiento eficiente de la configuración estructural. Lo único quese puede explicar en libros y en las aulas son los fundamentos teóricos,requisitos específicos y en el mejor de los casos impartir las enseñanzas

de experiencias pasadas. Para lograr una buena configuraciónestructural es importante la asimilación de los conocimientos teóricos,observar el comportamiento de las estructuras y tener en cuenta lascausas por las cuales han colapsado las edificaciones.

Es por esto que una adecuada selección del sistema estructural, unarazonable simetría en ambos sentidos, una buena selección del materialy de los componentes no estructurales es de mayor importancia quecualquier técnica de análisis realizada.

Por los mencionados motivos se recomienda que desde la concepción delproyecto se trabaje de forma conjunta entre el arquitecto y el ingenieroestructural, entendiendo de qué manera las decisiones pueden afectar elcomportamiento sismorresistente de la estructura a construir. De estaforma no habrá que buscar soluciones estructurales muy complicadaspara resolver el problema producido a causa de concepcionesarquitectónicas inadecuadas ni poner en riesgo innecesario la seguridadsísmica del proyecto.

Por esto, como ingenieros, no debemos dudar en proponer yexigir modificaciones al proyecto arquitectónico, para así evitar

dar soluciones estructurales muy complejas que comprometan laseguridad de la estructura. Lo cual representa un desafío ya quegeneralmente el arquitecto tiende a proponer formas originales yatrevidas que en ciertos casos llegan a ser realmente peligrosas.



Siempre recordar que no se puede hacer que un sistemaestructural mal concebido se pueda comportar de manerasatisfactoria ante un terremoto severo, sin importar el método

de análisis seleccionado.



Características relevantes del edificio para una buena respuestasísmica

PESO FORMA DE PLANTA

FORMA EN ALTURA SEPARACION

REDUNDANCIA COLUMNA FUERTE - VIGA DÉBIL

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ALINEAMIENTO DE EJES SIMULACIÓN DE ESTRUCTURAS

EN SAP2000

Tipos de sistemas estructurales básicos

La elección de un sistema estructural adecuado tiene gran influencia enel comportamiento de la estructura ante la ocurrencia de un sismo. Elsistema debe poseer:

Capacidad para resistir todas las cargas gravitacionales demanera eficiente.

Resistencia ante las solicitaciones sísmicas en cualquier dirección,para así prevenir el colapso.

Ductilidad, ya que no basta con que se alcance que se alcance elestado límite de resistencia en una sección, lo que podría originarun colapso, sino que también se requiere que posea capacidad dedeformarse sosteniendo su carga máxima, e inclusive, que poseauna resistencia de capacidad antes del colapso.

Permitir un flujo continuo de las fuerzas sísmicas hasta lafundación.

Redundancia, para que los elementos tengan capacidad dedeformaciones inelásticas y permitan la disipación de energía sinriesgo a colapso de la edificación.

Las soluciones estructurales que se adopten en el proyecto estánsujetas a las restricciones que existen con las interacciones de otrosaspectos del proyecto, como el arquitectónico, instalaciones sanitarias,etc., también por limitaciones en costos, procesos constructivos o por

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tiempo de ejecución. Por otro lado, la adecuada selección del sistemaestructural también depende de la altura del edificio, riesgo sísmico queexista en el área, capacidad portante del suelo, etc.

En cualquiera de los sistemas estructurales que se seleccione es muy

ventajoso el uso de las losas para que desarrollen la función dediafragma rígido en cada nivel. El diafragma rígido cumple comoobjetivo el que se distribuya de manera uniforme las cargas laterales atodos los elementos resistentes que posee el edificio.

Es difícil dar recomendaciones de manera general sobre cual sistemaestructural se debe utilizar, ya que en cada caso existen factoresparticulares, que deben ser evaluados por el ingeniero con base a susconocimientos. El proyectista debe tener en cuenta la eficiencia de losdiferentes materiales, elementos estructurales, las diversas condicionesde carga y las consecuencias que produce la elección del sistemaestructural sobre las otras partes del proyecto.

Pórtico resistente a momentos Muros portantes

Sistema dual Otros sistemas



















Sistemas para edificios de varios pisos de altura

A medida que crece la altura de la edificación, mayores son lasmodificaciones necesarias para resistir las cargas laterales devientos y sismos. Por lo que para edificios muy altos, el aspecto quegobierna en el sistema estructural es el de resistir las cargaslaterales.

En los edificios muy altos, principalmente destinados a oficinas, serequiere de grandes espacios libres, por lo que utilizar un sistemaaporticado de concreto requeriría grandes dimensiones de columnasen los pisos inferiores y como los pórticos resistentes a momentossólo resisten cargas laterales por medio de la flexión de sus

elementos, el sistema es poco rígido. El utilizar un sistema demuros, que desde el punto de vista estructural proporcionaría granrigidez lateral, tiene como limitante la falta de flexibilidad en ladistribución del espacio interior del edificio.

Una de las soluciones más sencillas que se puede dar para edificiosentre 20 y 30 pisos de altura es el de usar pórticos rigidizados. Estesistema tendrá gran rigidez cuando la relación de altura sobrelongitud del muro o del pórtico arriostrado es pequeña. Ya queestos casos el elemento rigidizado absorbe prácticamente todas lascargas laterales y el pórtico queda absorbe únicamente a las fuerzasverticales.

Pero si esta relación es muy alta se presenta un nuevo problema, lainteracción entre el muro y el pórtico se vuelve muy compleja,debido a que las deformaciones de cada uno de los sistemas porseparados son distintas. Y el muro en vez de colaborar con elsistema aporticado a resistir las cargas laterales, termina originandoun incremento en las fuerzas que se deben resistir en el tope de laedificación debido a su comportamiento similar al de una viga envoladizo. Esto hace que las secciones del muro sean muy grandes

para lograr rigidizar la estructura de manera efectiva.

Por esto, cuando se habla de edificaciones de una altura de variasdecenas de pisos, un procedimiento que aumenta la rigidezconsiderablemente es el de acoplar dos o más muros por medio devigas gran altura en ciertos piso, estas vigas tienden a restringir losgiros de los muros en cada nivel y los hacen trabajar como unaunidad. Estas vigas están sujetas a grandes fuerzas cortantes, por



lo que la eficiencia de la estructura depende de la rigidez de la vigade acoplamiento.

Figura 1 _ Diagrama de momentos cuando se incorporan vigasrigidizantes.

Otra opción de acoplamiento de muros se puede hacer por medio delo que se denomina un “macro-pórtico” que no es mas que unacoplamiento de dos o más muros por medio de vigas que tiene laaltura de todo un entrepiso, lo que hace que los muros en vez decomportarse como voladizos se terminan deformando comopórticos.

Figura 2 _ Macro-Pórtico



Sistemas de Piso

Los sistemas de piso tienen entre una de sus funciones el de conectartodos los elementos verticales y distribuir a ellos todas las cargashorizontales de manera uniforme sin deformarse, para esto seconsidera que el sistema de piso forma un diafragma con rigidez infinitaen su plano, lo cual no se aleja de la realidad ya que los sistemascomunes de losas de concreto armado poseen alta rigidez para resistirfuerzas en su plano. Al asumir la hipótesis de la rigidez infinita de losentrepisos, se considera que los desplazamientos traslacionales yrotacionales son iguales para cada nivel analizado.

Por estas razones se puede apreciar la gran importancia que tienen losdiafragmas rígidos en el correcto desempeño de una edificación. Lafalta de estos produce diversos problemas, como lo son:

Las fuerzas de inercia y los cortantes de piso no se distribuyenhacia los elementos resistentes en forma proporcional a surigidez.

En los sistemas de muros las fuerzas de inercia pueden producirempujes sobres los elementos perpendiculares a la dirección delas fuerzas sísmicas, pudiendo quedar sujetos los muros a fuerzasnormales a su plano, para lo cual poseen escasa resistencia.

Se puede generar una distorsión de la estructura en planta y así invalidar la hipótesis de que las fuerzas sísmicas, que actúan enuna dirección arbitraria, se puedan descomponer en dos fuerzasaplicadas al sistema ortogonal resistente de la estructura.

Para evitar los problemas mencionados se deben formar los diafragmasrígidos en la estructura. En caso de que la planta no posea el diafragmarígido debido a alguna disposición arquitectónica, se puede rigidizar lalosa incorporando arriostramientos horizontales sobre vigas paralelas.De no poner rigidizar el sistema, existen métodos de análisis queconsideran las deformaciones en su plano de los elementos de piso.



Figura 1 _ Comportamiento de diafragma rígido y flexible.

Figura 2 _ Recomendaciones para evitar diafragmas flexibles.

¿Qué es el daño sísmico estructural?

El daño sísmico estructural es el que sufren las vigas, las columnas, laslosas o las cimentaciones durante un sismo. Es decir, es el deterioro deaquellos elementos o componentes que forman parte del sistemaresistente o estructural de la edificación.

El nivel de daño estructural que sufrirá una edificación depende tantodel comportamiento global como del comportamiento local de la

estructura. Está relacionado con los tipos y la calidad de los materialesque se utilizan, sus características, su configuración, el esquemaresistente y con las cargas que actúan.

Algunos problemas en el diseño de edificios tienen que ver con laconfiguración geométrica y estructural, esta última se refiere al tipo,



disposición, fragmentación, resistencia y geometría de la edificación. Esdecir, si el edificio se aleja de formas y esquemas estructurales simpleshace que estas tengan un comportamiento inestable ante sismos.Además, resultan ser estructuras difíciles de modelar en la etapa dediseño y muchas veces presentan dificultades de construcción.

1.La configuración geométrica

Este es un tema que debe ser tomado desde la etapa de diseño ycomprendido por los ingenieros y los arquitectos, dado que tiene quever con la distribución del espacio. Los principales problemas que sepueden presentar se relacionan con la longitud en planta, las plantas

complejas y los escalonamientos en altura.

Longitud en planta

Si las estructuras son muy largas, la excitación que se da en un puntode ella será diferente de la que se produce en un punto ubicado en el

otro extremo. Este efecto es muy difícil de cuantificar y de resolver en laetapa de diseño, lo anterior no aplica para el caso de edificios cortos,dado que este efecto no es tan significativo. Además, las plantas largaspermiten que los efectos de torsión se manifiesten por los movimientosdistintos en el terreno. Esto puede solucionarse al partir las plantaslargas en bloques independientes si se dejan juntas constructivas, estopermitirá que cada bloque se mueva independientemente y el choqueentre módulos debe ser evitado por la separación de la junta deconstrucción.



Figura 1. Solución al problema de longitud en planta.

Plantas complejas

Esta configuración es típica de plantas compuestas por alas designificativo que se orientan en distintas direcciones (por ejemplo enforma de X, H, o T). Esto provoca que se concentren esfuerzos entre elcuerpo principal y las alas, ya que estas trabajan como elementosempotrados en un cuerpo más rígido y propenso a sufrir menosdeformaciones. La solución suele ser diseñar una junta constructiva

entre las alas y el cuerpo central, que permiten que cada cuerpo semueva sin estar atado al cuerpo principal.



Figura 2. Ejemplos de plantas complejas.

Elevación

Los escalonamientos en elevación se diseñan con el objetivo de resolverproblemas de iluminación y de proporción, pero estos provocan uncambio abrupto en la rigidez y en la masa de los pisos, que propicia laconcentración de esfuerzos producto de las acciones sísmicas. Sonpreferibles las transiciones suaves para evitar este fenómeno.

Figura 3. Ejemplos de elevaciones complejas.

2. La configuración estructural

Los sitios donde se concentran los mayores esfuerzos (intensidad de unafuerza) en las estructuras son las uniones y conexiones entre elementosestructurales, por ejemplo las conexiones viga-columna, y columna-cimiento. Estas zonas deben soportar las mayores fuerzas cortantes ymomentos debidos a flexión y por ello su diseño debe realizarsecuidadosamente, en especial, verificando la distribución del acero de



refuerzo en los nudos, o la cantidad y tipo de soldadura a utilizar si sonelementos de acero, y además, contar con una adecuada inspeccióndurante su construcción.

Los principales problemas que se pueden presentar tienen que ver con:las altas concentraciones de masa en niveles superiores, columnasdébiles, menor resistencia de columnas que vigas, pisos blandos osuaves, falta de confinamiento del concreto en columnas, falta deredundancia, flexibilidad excesiva en el diafragma que forma elentrepiso, la torsión entre pisos y el desplazamiento relativo entrepisos.

Altas concentraciones de masa en niveles superiores

Las fuerzas sísmicas son proporcionales a la masa, entonces si en unpiso superior se concentran elementos como tanques dealmacenamiento de agua, equipos, bodegas o archivos, las fuerzassísmicas aumentan en ese nivel. Lo recomendable es colocar estoselementos pesados en el sótano o en sitios aledaños a la estructuraprincipal.



Figura 4. Efecto de las concentraciones de masa en niveles superiores.

Columnas débiles

Las fuerzas sísmicas se distribuyen proporcionalmente a la rigidez yresistencia de los elementos estructurales verticales. Entonces, si larigidez de las columnas o paredes que soportan la estructura sufre uncambio brusco ya sea por confinamiento de las paredes hasta ciertaaltura de los marcos, por desniveles del terreno, por nivel intermedioentre dos pisos, se concentrarán los esfuerzos y se acumulará energíaen el piso más débil, dado que el nivel donde se interrumpen los



elementos verticales es más flexible que los demás, lo que permite quese produzca un problema de estabilidad.

Figura 5. Problema de columnas débiles.

Menor resistencia de columnas que vigas

Si las columnas tienen menor resistencia que las vigas, las primerasfallarán primero lo que provoca que la estructura se vuelva unmecanismo y esta colapse. La falla puede ser reparada si se da en las

vigas.



Figura 6. Efecto de una menor resistencia en columnas que en lasvigas.

Pisos blandos o suaves

Son pisos donde los elementos estructurales verticales son

interrumpidos, para ofrecer más espacio en ese piso o por razonesarquitectónicas, generalmente en los niveles de acceso. Esto produce undebilitamiento de la rigidez de los elementos verticales en ese piso.



Figura 7. Piso blando por interrupción de elementos.

Falta de confinamiento del concreto en columnas

Se produce cuando se utilizan pocos o ningún aro de confinamiento delconcreto, por lo que el núcleo de los elementos sometidos aflexocompresión falla en forma explosiva.

Figura 8. Esquema de falla por falta de confinamiento del concreto.

Falta de redundancia



Se debe buscar que la resistencia a fuerzas sísmicas dependa de varioselementos, puesto que si se cuenta con pocos elementos resistentes(falta de redundancia), la falla de uno de ellos provocará el colapso totalo parcial de la estructura.

Figura 9. Ejemplo sobre la falta de redundancia.

Flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso

La flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso producedeformaciones laterales no uniformes, que son perjudiciales para los

elementos no estructurales adosados al diafragma. Son debidas a unarelación muy grande largo/ancho (mayor que 5), y a aberturas creadasen el diafragma para efectos de iluminación, ventilación, que impidenque este funcione como un cuerpo rígido.



Figura 10. Ejemplo sobre flexibilidad excesiva en el diafragma.

Torsión entre pisos

La torsión entre pisos se produce por la excentricidad entre el centro demasa y el centro de rigidez en un piso, debido a que los elementosrígidos están colocados de manera asimétrica en un piso (ductos deelevadores), o a la colocación de grandes masas en forma asimétricarespecto al centro de masa. Generalmente se produce en edificios deesquina, debido a la gran rigidez que presentan los muros de

colindancia, pero basta con que se excedan ciertos límites deexcentricidad (una mala distribución de la rigidez lateral) para que seproduzcan efectos negativos de la torsión.



Figura 11. Ejemplos de arreglos estructurales que producen torsión.

Desplazamiento relativo entre pisos.

El desplazamiento relativo entre pisos (excesiva flexibilidad de losmarcos) y dimensiones de juntas constructivas insuficientes, provocadaños en paredes de cerramiento por la excesiva flexibilidad de losmarcos. Los desplazamientos laterales excesivos se deben a las grandes

distancias entre los elementos de soporte (claros o luces), las alturas ylas rigideces de los mismos. Se pueden tener como problemas:inestabilidad estructural y daños en elementos no estructuralesadosados a niveles contiguos.



Figura 12. Choque entre dos edificios que se mueven distinto.

La Estructura

La estructura es el elemento encargado de transmitir todas las acciones de peso propio,

utilización y accidentales desde las distintas partes de la construcción hasta la cimentación,

asegurando adecuadamente, los tres aspectos básicos de la misma, que son: resistencia(mayor o menor capacidad de una estructura para oponerse a la rotura), rigidez (mayor o

menor capacidad de una estructura para oponerse a la deformación) y estabilidad

(capacidad de la estructura para mantener el equilibrio).

Resistencia, rigidez y estabilidad constituyen los pilares del diseño estructural. La pérdidade cualquiera de ellos, aunque fuera de forma aislada, conducirá a la misma al estado decolapso.

En las edificaciones comunes, de porte bajo, los elementos estructurales con los quehabitualmente se diseña una estructura (pórticos, pantallas, etc.) no acusan deformaciones

que puedan poner en riesgo ningún elemento secundario de la construcción. Por esta razón

es frecuente ocuparse casi exclusivamente del problema de la resistencia, ya que son las

acciones gravitatorias las que generan las solicitaciones dominantes que definirán la formay cuantía estructural, sin que las demás acciones (incluidas las horizontales) provoquen una

interferencia capaz de influir (mayormente) en el diseño.

Sintéticamente los "Edificios Bajos" tiende al modelo de sólido de compresión, el cual goza

de excelentes características de estabilidad.

Conforme una construcción comienza a crecer en altura, por una parte el volumencomienza a ganar esbeltez, y por otra las acciones horizontales comienzan a dominar sobre

las gravitatorias, con lo que la estructura paulatinamente abandonara el modelo de sólido decompresión para adquirir el de un verdadero voladizo empotrado en el suelo.



Todos los elementos estructurales con que se integra una estructura, aunque con diferente

gradiente, entran en perdida de rigidez conforme que el edificio comienza a ganar altura, y

con ello comienzan a desencadenarse una serie de mecanismos propios de las estructuras de

los "Edificios Altos" tales como el Efecto P-, Inestabililidad Elástica, Rotación de la Base,etc. los cuales deben tenerse muy en cuenta si se desea lograr un buen diseño.

Por tanto, a medida que el edificio comienza a crecer en altura, empieza a dominar el problema del estudio de la rigidez sobre la resistencia.

El Diseño Estructural

Concebida la estructura como un gran voladizo empotrado en el suelo, solicitado

axialmente por las cargas verticales (gravitatorias) y transversalmente por las acciones

horizontales (sismo o viento), el problema resistente se enmarcaría en el ámbito de la flexo-compresión (oblicua o no) para lo cuál la resistencia de materiales brinda en la actualidad

soluciones suficientemente acabadas, siempre y cuando se verifique:

- Homogeneidad de la sección

- Isotropía del material

- Simetría de la sección

En un edificio en altura los condicionamientos de circulación y de uso del espacio

arquitectónico, normalmente no nos permiten mas que el desarrollo de una verdaderamaraña de vigas, columnas y placas, interconectadas entre sí en las tres direcciones del

espacio, de manera que no solo se podría desarrollar una sección inhomogénea y

anisotrópica. Por ello podría definirse al problema resistente de una estructura, como un problema de flexo-compresión compuesta en una sección inhomogénea y anisotrópica.

El problema de la resolución de esta verdadera estereo estructura compleja, encuentra unaresolución adecuada en el Método de Reducción a Sistemas Planos Interdependientes.

Este método permite establecer la forma en que son activados, según su plano, cada uno de

los elementos estructurales componentes, en función de su deformabilidad, como productode la deformación general que experimenta el conjunto estructural completo, cuando es

solicitado exteriormente como un todo.

Una estructura se conforma mediante los Elementos Estructurales Básicos, cuya particular

disposición definirá el Sistema Estructural.

Los elementos estructurales básicos para conformar una estructura son:

1.- Pórtico Dúctil2.- Pórtico Rígido

3.- Pantalla

4.- Estructuras Mixtas5.- Núcleo6.- Tubo



La Teoría de la Resistencia de Materiales basa todo su desarrollo analítico-matemático en

la aceptación de 6 hipótesis básicas:

1.- Hipótesis de la Homogeneidad del Material

2.- Hipótesis de la Continuidad e Isotropía

3.- Hipótesis de la Pequeñez de las Deformaciones4.- Hipótesis de la Elasticidad Perfecta del Material

5.- Hipótesis de la dependencia Lineal entre Deformaciones y Cargas

6.- Hipótesis de las secciones planas

De la tercera hipótesis se derivan tres consideraciones muy importantes a saber:

1. Permite substituir los arcos por las tangentes.

2. Permite prescindir de los cambios de posición de las fuerzas exteriores con respecto a los

"ejes geométricos" de las barras, como así también de los cambios de longitud de las

mismas.

3. Permite la aplicación del Principio de Superposición (Principio de Acción y Adición de las

Fuerzas).

Los métodos corrientes de cálculo son definidos en el "estado no deformado", por lo tanto,

será preciso limitar las deformaciones individuales de los miembros integrantes para poder

garantizar las condiciones de aplicabilidad de un determinado método o de lo contrario será preciso realizar el estudio de los mecanismos de 2º orden. En el caso contrario estaremos

abordando a valores de solicitaciones internas erróneos y por consiguiente a dimensionados

incorrectos.

Si concebimos al edificio como un voladizo empotrado en el suelo, las fuerzas horizontales

actuarán sobre él, como estímulo del sistema varilla oscilante. Este estímulo, generará, a

partir de las características geométricas y mecánicas de la estructura un movimientovibratorio con amplitud y frecuencia propias o típicas de la estructura, y guardará una

estrecha vinculación con el confort y la habitabilidad de la estructura. Si bien al respecto no

existe en la actualidad una normativa clara lo que nosotros si podemos manejar desde eldiseño es el valor de la amplitud del movimiento, el cual resulta ser, la flecha en la cima del

edificio. Al efecto resulta muy útil el estudio de Chang (el gráfico de Chang resulta

particularmente útil para juzgar las cualidades habitacionales de un proyecto).

La experiencia americana recomienda que dicha flecha o cabeceo en la cima no debe pasar

de h/500 donde (h) es la altura total del edificio, y en principio sin contar con la

colaboración que al respecto realicen los muros o tabiques interiores.

Ligado a este aspecto también está la limitación de la deformación "piso a piso" ya que losdiferentes elementos estructurales básicos con que vamos a conformar la estructura

presentan diferentes grados de deformación horizontal a diferentes alturas. Esto está ligado

al comportamiento de los elementos secundarios de la construcción como tabiques,

carpinterías, vidrios, cañerías sanitarias, de gas, elevadores, etc., ya que estados de carga bastante menores a las que producirían el colapso de la estructura principal podrían generar

daños muy caros de reparación, cuando no caóticos o muy peligrosos.



Especial mención merece el llamado efecto P- resultado de un mecanismo de 2º orden.

Este mecanismo se manifiesta como una sobre-flexión de las columnas debido al

descentrado de las cargas gravitatorias producido por la deflexión lateral que generan las

fuerzas horizontales durante su actuación. Cuando se revisaron las memorias de cálculo, en principio no se encontraron errores. Ya que las cargas de viento estaban correctamente

evaluadas y los cálculos estáticos y resistentes correctos. El colapso indicaba colapso decolumnas por flexión. El análisis dio como resultado que en las columnas durante la

actuación de la carga horizontal se genera un momento adicional de valor M=P. cuyovalor excede al valor de reserva resistente que el coeficiente de seguridad genera.

La razón de este fenómeno radica en el hecho de que en estructuras de edificios altos no se pueden despreciar algunos mecanismos de 2º orden y si el método de cálculo no lo tiene en

cuenta es preciso incorporar cálculos complementarios para su corrección.

Otro fenómeno que merece comentario es el de la deformación del suelo y la interacción

suelo-estructura.

Las cargas gravitatorias y horizontales que actúan sobre una estructura deben ser

transmitidas a la tierra a través de la estructura de cimentación. En principio podría decirse

que la altura del edificio no afecta a los principios de diseño de los firmes de cimentación.

En los edificios en altura las columnas van acumulando carga gravitatoria piso a piso

llegando a los pisos bajos con valores muy grandes. En su transferencia a la masa de suelola estructura de cimentación comprime a ésta desarrollando un esquema de fuerzas de

interacción que al igual que cualquier otra fuerza generará deformaciones en la masa de

suelo. El esquema de deformación del suelo será función de la ley de distribución de lastensiones de contacto y la diferencia de cota entre los diferentes puntos del "horizonte" de

deformación generan los llamados asentamientos diferenciales.

En el estudio de los edificios en altura, es larga la serie de situaciones donde se pone de

manifiesto la necesidad de estudiar paralelamente al estado de esfuerzos internos el estado

de deformación, ya que las deformaciones deben ser mantenidas dentro de un determinadorango para que:

a. Tengan validez los métodos de cálculo estático

b. La estructura resulte confortable a sus ocupante

c. La estructura resulte compatible con los servicios

d. No se desencadenen mecanismos secundarios o caso contrario poder evaluarlos e

incorporarlos

Las fuerzas gravitatorias, por lo general, crecen linealmente con el numero de pisos y no provocan importantes deformaciones (salvo que se presenten grandes asimetrías tanto

geométricas, de cargas o de rigidez). En contraste con éstas, las fuerzas horizontales

provocan deformaciones que varían con la cuarta potencia de la altura y por lo tantogeneran deformaciones capaces de superar fácilmente los rangos anteriormente citados.

Diremos por lo tanto que en el edificio en altura, la solicitación dominante es la solicitación

horizontal.



Por tanto, desde el punto de vista estructural, un edificio se considera alto, cuando los

esfuerzos dominantes del diseño son los producidos por las fuerzas horizontales. Lo que es

evidente, es que no se puede establecer una altura o una cantidad de plantas para clasificar

un piso como alto o no, ya que esto dependerá del lugar de emplazamiento del edificio, lamagnitud de los vientos existentes y el grado de sismicidad de la zona.

Evolución de los rascacielos

Los primeros edificios en altura datan de finales del siglo XIX. El sistema constructivo de

la época, como es conocido, es el de mampostería portante; y el ejemplo más importante loconstituye el Monadnock Building de Chicago, un edificio de oficinas de 17 plantas

proyectado por los Arqs. Daniel H. Burnham y John W. Root, construido entre los años

1889-1891.

En este rascacielos "primitivo", de estructura de mampostería, con muros-portantes las

cargas gravitatorias fueron conducidas hacia los cimientos (platea de cimentación de

hormigón) a través de los muros (actuando como columnas), y las cargas horizontales sontambién resistidas por los mismos muros actuando como pantallas de mampostería (a

manera de voladizos empotrados en la cimentación).

Una vez conocidas las solicitaciones axiles producidas por las cargas gravitatorias, y los

momentos flectores producidos por las cargas de viento, entonces se va dimensionando el

espesor del muro de manera que:

- la máxima tensión de compresión no exceda a la admisible

- no se verifiquen tensiones de tracción.

En el caso del Monadnock Building a nivel de planta baja, los muros exceden los 2,10 m de

espesor, lo que implica que a este nivel, la superficie ocupada por los muros estructuralesllega alrededor del 20% de la superficie de la planta (configurando un elevadísimo nivel de

interferencia con el proyecto arquitectónico, generando serios problemas a la circulación

horizontal).

Si por otra parte, analizamos el cociente entre la carga de utilización de la estructura contra

el peso total de la estructura, se obtendría un índice bastante bajo, es decir mucha masaestructural para poca carga de explotación, lo que nos conduce a pensar que dicha altura (64

metros) está muy cerca del límite de altura para este sistema constructivo.

Este es el último rascacielos en que se empleó este método de construcción, y representa un

hito en la historia de los rascacielos.

En 1885, un ingeniero americano, de vasta experiencia en construcciones militares y

ferroviarias, William Le Baron Jenney, se convirtió en el padre del rascacielos moderno, al

proyectar el Home Insurance Building de Chicago (La Casa del Seguro), un edificio deoficinas relativamente bajo (10 pisos). Le Baron tuvo la ingeniosa idea de reemplazar la

mampostería portante por un armazón de vigas y columnas de acero sobre los que apoyó



los pisos y los muros, ya sin función estructural (al menos primaria), y por ende de mucho

menor espesor.

Esta concepción, que implican tanto un nuevo concepto estructural (pórtico) como un

nuevo material: el acero (150 veces más resistente que la mampostería) traía consigo un

sinnúmero de ventajas con relación a la construcción con mampostería portante basadas principalmente en la reducción de las secciones brutas de masa estructural:

o Menor interferencia de la estructura con el espacio arquitectónico.

o Menor peso estructural, por ende menores cimentaciones.

o Menor masa estructural y por tanto menor costo de materiales, de mano de obra

tanto de fabricación y de movimiento de materiales.o Una forma estructural más adecuada para resistir cargas horizontales y pensar en mayores

alturas.

Los rascacielos de 1º generación

Por encima de las 20 plantas, se comienza a necesitar restringir la deformabilidadhorizontal del pórtico y aparecen como soluciones el pórtico rígido, el enmarcado de

pórtico con mampostería y la pantalla de mampostería. Así se logra mantener en los límites

de deformación gracias a una adecuada combinación de dichos elementos y aparecen los

llamados Rascacielos de Primera Generación. Algunos ejemplos son:

o MetLife Tower (1909) 213 metros

o Torre Woolworth (1913) 57 pisos y 241 metros

o Chrysler Building (1930) de 319 metros y 77 pisos

o Empire State Building (1930) con 381 metros y 102 pisos

Cabe destacar que todos estos edificios se encuentran en servicio en la actualidad, con mas

de 70 años de vida.

En los edificios de primera generación, la estructura se proyectaba disponiendo las

columnas de los pórticos en una posición coherente con la estructura de losas buscandosiempre armonizar con el diseño del espacio interior y luego los pórticos se rigidizaban

usando triangulaciones o muros (pantallas) de mampostería. Es de esperar que la estructura

de rigidización crezca en importancia a medida que crece el numero de pisos.

Los Rascacielos de 2º Generacion

Frente a cargas horizontales (sismo o viento), las estructuras agotan su rigidez mucho antes

que su resistencia. En principio un buen diseño nos sugeriría alcanzar los limites dedeformación y resistencia casi simultáneamente. Resulta frecuente encontrar que en los

edificios en altura piezas correctamente dimensionadas por resistencia, acusan

deformaciones excedidas, por lo que se debe proceder a dimensionar por rigidez, esto es, aincrementar las dimensiones de la pieza a fin de lograr menor deformación. No obstante,



aunque este criterio es científicamente correcto, el dimensionamiento de miembros por

rigidez, conduce invariablemente a un dramático incremento del costo de la estructura, al

punto que nos habla de una inadecuada distribución de la masa estructural.

Si por encima de las 20 plantas, la carga horizontal, es la carga dominante del problema, la

estructura de rigidización no debe concebirse como una estructura adicional a incorporarsesobre la estructura para cargas verticales, sino que debe concebirse a la estructura del

edificio en altura conforme a las solicitaciones dominantes y luego incorporarse sobre ésta

a la estructura para cargas gravitatorias procurando la optima distribución de la masa

estructural a los efectos de las fuerzas horizontales.

De esta manera aparece en escena el concepto de Sistema Estructural que alude a lamanera integrar e interconectar los elementos estructurales básicos procurando distribuir la

masa estructural desde un punto de vista más científico en función de la solicitación

dominante del problema, buscando una relación armoniosa entre Resistencia, Rigidez y

Estabilidad.

En síntesis

Hasta unas 10-12 plantas, la estructura aporticada logra mantener las deformaciones antesaludidas dentro de los márgenes admisibles. De allí en adelante y hasta las 16 plantas el

pórtico rígido (pórtico rigidizado con triangulaciones) permite extender el margen de

utilización de este elemento estructural básico por lo que la estructura un edificio en alturaconcebida como la de los edificios de 1º generación, es decir, disponiendo las columnas de

los pórticos en una posición coherente con la estructura de losas y armonizado dicho

posicionamiento con el diseño del espacio interior y rigidizar los pórticos usando

triangulaciones o muros (pantallas) de mampostería u hormigón armado si es necesario.

Prácticamente hasta las 10 plantas el problema resistente domina sobre la rigidez, y por este

motivo durante mucho tiempo se aceptaron procedimientos simplificados de cálculoacompañado de un somero estudio de las acciones horizontales. Se llegaba incluso a

incorporar elementos de muchísima rigidez, como pantallas y núcleos, despreciando su

presencia en los cálculos, y pensando que ellos provocarían un aumento no cuantificado dela seguridad de la estructura.

Entre las10 plantas y las 15 plantas, si bien se podría continuar con dicho criterio de proyecto estructural, no se puede obviar el estudio de las deformaciones. Y, para seguir

creciendo en algura es preciso estudiar el Sistema Estructural, como única vía de proceder a

conferir al edificio en altura de una estructura eficiente y cuyo costo se enmarque dentro de

los costos estándares para este rubro del 25-30% del costo total de la construcción.

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