Revista de Arquitectura e Ingeniería - · PDF fileconcentración de masa hacia un...

Revista de Arquitectura e Ingeniería

E-ISSN: 1990-8830

[email protected]

Empresa de Proyectos de Arquitectura e

Ingeniería de Matanzas

Cuba

Domínguez Caicedo, Mauricio

Configuración y Arquitectura.

Revista de Arquitectura e Ingeniería, vol. 7, núm. 1, abril, 2013, pp. 1-13

Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería de Matanzas

Matanzas, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=193927502001

Cómo citar el artículo

Número completo

Más información del artículo

Página de la revista en redalyc.org

Sistema de Información Científica

Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal

Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

http://www.redalyc.org/revista.oa?id=1939

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=193927502001

http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=193927502001

http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=1939&numero=27502

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=193927502001

http://www.redalyc.org/revista.oa?id=1939

http://www.redalyc.org

Revista de Arquitectura e Ingeniería. 2013, vol.7 no.1 ISSN 1990-8830 / RNPS 2125 1

Configuración y Arquitectura. Configuration and Architecture.

Ing. Mauricio Domínguez Caicedo Ingeniero Civil Profesor y Director Laboratorio de Estructuras Departamento de Tecnología. Escuela de Arquitectura Universidad del Valle. Cali. Colombia Tel: 3212378 Email:[email protected]

Recibido: 28-01-13 Aceptado: 21-02-13 RESUMEN: El concepto de configuración está relacionado con la respuesta de las edificaciones durante los eventos sísmicos: las edificaciones de configuración regular tienden a sufrir menos daños que las de configuración irregular. Los arquitectos determinan la configuración de las edificaciones y deben conocer las consecuencias de asumir alguna de las tipologías de irregularidad identificadas en los reglamentos y cuyo empleo se “castiga” incrementando la magnitud de las cargas sísmicas que deben emplearse en el cálculo estructural. En el presente artículo se analiza cómo afecta la respuesta sísmica el empleo de dos tipologías de irregularidad en planta y dos tipologías de irregularidad en altura, según se clasifica en el reglamento colombiano NSR-10. Palabras clave: Configuración, Inercial, Dinámica, Torsional, Rigidez, Esbeltez, Colapso

ABSTRACT:

The concept of configuration is related to the response of the buildings during seismic events: the buildings of regular setup tend to suffer less damage than the irregular configuration. The architects determine the configuration of the buildings and should know the consequences to take some of the typologies of irregularity identified in the regulations and the use of which is being "punished" increasing the magnitude of the seismic loads that should be used in the structural calculation. In the present article discusses how the seismic response affects the employment of two types of irregularity in plant and two types of irregularity in height, classified as Colombian regulations NSR-10. Keywords: Configuration, Inertial, Dynamic, Torsional, Rigidity, Slenderness, Collapse

Ing. Mauricio Domínguez Caicedo. Configuración y Arquitectura.


Introducción:

Las fuerzas sísmicas (Fs) son de carácter inercial: Cuando el suelo se desplaza por efecto de un sismo, la parte del edificio que se encuentra enterrada se desplaza con él debido a la rigidez de los muros de contención, mientras la parte que se encuentra por encima del nivel del terreno sufre una deformación en sentido contrario al desplazamiento del suelo (por inercia las masas tienden a conservar el estado de reposo en que se encuentran) , deformación que depende de su rigidez . Al vibrar el suelo las masas concentradas a nivel de los entrepisos entran en un movimiento vibratorio, un comportamiento dinámico que depende de las características de las ondas sísmicas (Período, aceleración), del tipo de suelo (estratigrafía) y del edificio (período, distribución de rigideces y de masas, configuración). La interpretación simplificada del fenómeno es estática, se considera que la masa (m) de la edificación en cada entrepiso sufre una aceleración (a) en sentido contrario al desplazamiento del terreno que parte de a=0 a nivel del terreno creciendo linealmente hasta un valor máximo en la parte superior de la estructura, generándose fuerzas sísmicas Fs =m*a (Figura #1) y la estructura se comporta como viga en voladizo empotrada en la cimentación sometida a cargas concentradas a nivel de cada entrepiso.

m1

m2

m3

m4

m5

m6

m7

m8

ESTRUCTURA EN REPOSO

Desplazamiento

F = m x a

ESTRUCTURA EN VIBRACIONIDEALIZACIONPèndulo mùltipleInvertido

Al ser de carácter inercial, el punto de aplicación de las fuerzas sísmicas en cada nivel será su centro de masas o de gravedad (G). La Fuerza Cortante de piso es la resultante de las Fuerzas Sísmicas que actúan en los niveles superiores al piso considerado. Su punto de aplicación depende del punto de aplicación de la Fuerza Sísmica en cada nivel superior y se encuentra haciendo la sumatoria vectorial considerando su posición en cada nivel. Si las plantas son idénticas entre sí (planta tipo) el centro de gravedad coincide en todos los niveles y la Fuerza Cortante de piso pasa por el centro de gravedad del piso en cualquier nivel. Pero en el caso en que las plantas cambien su geometría (Figura #2) el cortante de piso se desplaza de acuerdo a la localización de las fuerzas de cada piso.

FIGURA #1 Fuerzas sísmicas



F1

F2

F3

F4

F5

F6

+ F5F6

F6 + F5 + F4

F6 + F5 + F4

F6 + F5 + F4

+ F3

+ F3+ F2

F6 + F5 + F4 + F3 F2+ +F1

V base = F6 + F5 + F4 + F3 F2+ + F1

F6

F6

F5

F4

F3

F2

F1

ALZADA DIAGRAMA DE CORTANTES FIGURA #2. Fuerza cortante de piso

Desarrollo:

IRREGULARIDADES EN PLANTA: A) IRREGULARIDAD TORSIONAL La fuerza resistente (Fr) que debe desarrollar la estructura, de igual valor y sentido contrario a la fuerza sísmica, es la sumatoria de la reacción de cada columna ante el desplazamiento del piso que soportan y cuya magnitud depende directamente de su rigidez: a mayor rigidez en la dirección del desplazamiento, mayor fuerza de reacción genera. (A condición de que el diafragma sea lo suficientemente rígido para que el desplazamiento del piso sea uniforme). La fuerza de reacción en cada entrepiso pasa por el centro de rigidez (R) punto de aplicación de la resultante en cada dirección considerada. Cuando los dos puntos coinciden la estructura trabaja a Flexión con desplazamientos a lado y lado de la vertical de igual valor en cualquier sitio de cada entrepiso (Figuras #3 a y 4 a). Cuando el centro de rigidez no coincide con el centro de gravedad, la excentricidad (e) que los separa genera momentos torsionales que producen rotación de la planta, haciendo que además de la flexión se genere Torsión, el desplazamiento de la planta va acompañado de un giro con lo cual las derivas que se producen en los extremos de la planta serán desiguales. Esto puede suceder por dos razones:

1 El centro de rigidez se desplaza por la localización de elementos rígidos hacia un lado de la edificación, cuando existe una distribución asimétrica de la rigidez (Figura #3b).

2. El centro de aplicación de la fuerza sísmica del piso se desplaza del centro geométrico por concentración de masa hacia un lado de la edificación, cuando existe una distribución asimétrica de la masa (Figura #4b).

El giro de las plantas o entrepisos se produce alrededor del centro de rigidez R y genera grandes cortantes, siendo más críticos para las columnas más alejadas de dicho centro.



#3 a #3b #4 a #4 b FIGURA #3 Torsión por excentricidad en la Rigidez FIGURA #4 Torsión por excentricidad en la masa Durante el terremoto de Popayán (marzo 1983) la estructura de un sector del Colegio de las Salesianas tuvo colapso de las columnas extremas en el segundo nivel (Fotos #1 y #2) por efecto de la rotación de la losa del tercer piso, torsión generada por un desequilibrio de rigideces: La edificación con sistema estructural de pórticos de concreto tenía dos ejes longitudinales y seis ejes transversales. El primer piso se encontraba rigidizado por la presencia de muros de mampostería adosados a la estructura, mientras el segundo y tercer piso eran planta diáfana. El punto fijo se encontraba ubicado en el extremo norte con el tanque de almacenamiento de agua sobre la losa de cubierta .El punto fijo era muy rígido: Las gradas en concreto se encontraban vinculadas a las vigas de los pisos trabajando como una gran riostra y muros de mampostería levantados entre las columnas en los ejes transversales del extremo norte eran continuos en los tres niveles. Los demás pórticos eran de poca rigidez con solo 2 columnas esbeltas.

FOTO #1 FOTO #2 FOTO #3 FOTO #4 El centro de rigidez se encontraba desplazado hacia el punto fijo y el momento de torsión provocó el giro de la losa del tercer piso llevando al colapso las columnas extremas del segundo piso, más alejadas del centro de rotación (Figura #5, Fotos #3 y #4 ).



PLANTA PRIMER PISO

EJESIMETRIA

PLANTA ESTRUCTURA ENTREPISO

Fs

FRe

M = Fs * e

RG

CORTE LONGITUDINAL CORTE TRANSVERSAL

FIGURA #5 Colegio de las Salecianas - Popayán Otro ejemplo de irregularidad torsional, esta vez por desplazamiento del centro de masas, se presentó en la Terminal de Transportes Interurbanos de Popayán en el terremoto de 1983.

FOTO #5 FIGURA #6 Terminal de Transportes de Popayán La edificación con estructura de pórticos de concreto no llegó al colapso pero presentó daño en elementos estructurales, fisurándose vigas y columnas (Fotos #6 y #7). Una parte de la edificación son locales y sala de espera (Foto #5) en un solo nivel con material de cubierta liviano, otra parte en dos niveles la ocupan las agencias transportadoras , con una losa de entrepiso y el mismo tipo de cubierta (Figura #6). Esta zona desplaza el centro de masas generando un problema de torsión global en la estructura, que estuvo cerca de producir la caída de las vigas de cubiertas prefabricadas que se encontraban simplemente apoyadas en los pórticos transversales (La estructura no tenía amarre en la parte superior de los ejes longitudinales).



FOTO #6 FOTO #7 Además este edificio presenta un detalle que genera torsión local : La losa de entrepiso no llega hasta las columnas , ocupa la parte central de las vigas quedando unos tramos cortos hacia los lados y sin que exista un amarre directo entre las columnas El desplazamiento de la losa arrastra sin deformar la parte central de las vigas de carga mientras los tramos cortos se deforman a flexión horizontal haciendo girar la columna con rotación perpendicular a su eje como se aprecia en el modelo de las fotos #8 y #9 .

FOTO #8 FOTO #9 Para eliminar los problemas de comportamiento estructural la mejor opción sería haber desvinculado la losa del resto de la estructura, construyendo nuevas columnas integradas a las vigas de la losa en sus bordes, eliminando el retroceso y generando dos estructuras independientes, una para la carga liviana de cubierta y otra para la losa. Esta opción no fue acogida haciéndose únicamente el amarre de los pórticos remplazando las vigas prefabricadas por vigas fundidas en sitio. B) IRREGULARIDAD EN PLANTA POR RETROCESOS EN LAS ESQUINAS El reglamento colombiano NSR-10 considera que este tipo de irregularidad se presenta cuando los retrocesos son superiores al 15% de la dimensión de la planta de la estructura (Figura #7).

FIGURA #6 FIGURA #7 Retroceso en las esquinas

A > 0,15 B C > 0,15 D



Dentro de esta tipología se encuentran las plantas en T, en C, en Z, en Y, presentando todas comportamiento similares de las zonas flexibles (aletas) en relación con la zona rígida (núcleo). Para la planta en L de la figura #8 la zona del núcleo cuenta con tres pórticos de 6 columnas cada uno, mientras las aletas tienen tres pórticos de 3 columnas, resultando más flexibles y dando lugar a un movimiento torsional conocido como “aleteo” que genera los mayores desplazamientos en los bordes extremos de las aletas. Modelos reducidos de estructuras con planta en L ensayados en el Laboratorio de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de la Universidad del Valle comprobaron la validez de esta afirmación (Fotos #10 y #11)

FIGURA #8. Planta en L FOTO#10 FOTO #11 Este problema se corrige haciendo una junta de dilatación para obtener dos plantas regulares, suficientemente separadas para evitar el golpeteo (Figura #9) o rigidizando adecuadamente los bordes de las aletas para restringir su deformación (Figura #10). Esta segunda alternativa conduce a tener un volumen con pequeños desplazamientos para sismos en cualquier dirección, mucho más rígido que los volúmenes de plantas rectangulares, lo cual es favorable para el control de derivas. Teniendo conciencia de los problemas que genera el empleo de este tipo de irregularidad en planta se puede adoptar la solución de rigidizar los extremos de las aletas que favorece su uso.



FIGURA #9 Junta sísmica para independizar FIGURA #10 Rigidización de los extremos los cuerpos de la planta en L de las aletas El problema de aleteo se presenta también en el caso de plantas alargadas con el punto fijo en su zona central cuando el diafragma (entrepiso) es flexible (Figura #11). Un entrepiso rígido garantiza que las deformaciones serán uniformes para todos los ejes estructurales mientras un entrepiso flexible produce mayores deformaciones en los pórticos de menor rigidez con la consecuente rotación de la losa de entrepiso.

y

DIAFRAGMA RIGIDO

DIAFRAGMA FLEXIBLE FIGURA # 11 Cuerpo alargado con núcleo central

Este caso se presentó en los Bloques de vivienda Pubenza (Popayán 1983), edificios de 4 plantas con pórticos de concreto de columnas esbeltas y el punto fijo al centro, el entrepiso era una losa maciza delgada (Foto # 12). Los edificios que estaban en la dirección crítica (fachada larga perpendicular a la dirección del sismo) sufrieron daños graves y algunos llegaron al colapso. Las imágenes de los edificios colapsados revelan la deformación por aleteo que presentaron (Foto #13).

FOTO #12

FOTO #13



F

M

L

EP

EMPOTRAPARCIAL

M

F

x

IRREGULARIDADES EN LA ALTURA PISO FLEXIBLE Este tipo de irregularidad se presenta cuando la rigidez ante fuerzas horizontales de un piso es menor que la rigidez de los pisos superiores (Figura #12).

FIGURA #12- Piso Flexible FIGURA #13 Deriva de piso Un inadecuado manejo de elementos no estructurales puede llegar a generar este tipo de irregularidad: Cuando en estructuras con sistema aporticado se emplean muros no estructurales en mampostería y no se aislan de la estructura, el taponamiento del vano entre columnas y vigas rigidiza la estructura en la zona donde se encuentra. Si queda algún piso sin presencia de muros se va a configurar en ese nivel el piso flexible (Figura #14), la parte superior del edificio se desplaza en bloque sin deformarse mientras el piso flexible se ve sometido a grandes deformaciones siendo más crítico el caso en que el piso flexible se localice en el primer nivel, al ser mayor el cortante Cuando se dispone el primer piso para parqueadero, quedando desprovisto de muros no estructurales mientras en los pisos superiores se construyen muros adosados a la estructura, el primer piso está en condición de piso flexible (Foto #14). En un sector del colegio Inem en Popayán el primer piso era planta diáfana mientras el segundo piso estaba destinado a salones de clase, con muros de mampostería adosados a la estructura. En el sismo de 1983 se presentó la falla por plastificación de las columnas del primer piso, mientras el segundo piso se desplazó sin deformarse (Fotos #15 y #16).

FIGURA # 14 Piso flexible generado por elementos no estructurales vinculados de la estructura

Siendo los desplazamientos laterales o derivas directamente proporcionales al cubo de la longitud, (Figura #13) las columnas del piso flexible presentarán grandes deformaciones que las pueden

sacar de su comportamiento elástico y hacerlas entrar en rango plástico causándole daño permanente. Este caso es frecuente, en muchos proyectos el programa arquitectónico exige pisos de mayor altura.



FOTO # 14 FOTO #15 FOTO #16 En el antiguo edificio de Telecom situado en el centro de la ciudad de Cali se presenta un cambio brusco de rigidez a nivel del tercer piso, al pasar de una pantalla de mampostería enchapada que se encuentra incrustada dentro de la estructura, que le confiere enorme rigidez a la parte superior, a ser sostenida por 3 columnas flexibles, lo que genera gran vulnerabilidad al edificio en este piso (Fotos #17 y #18).

FOTO #17 FOTO #18

IRREGULARIDAD GEOMETRICA EN ALTURA Este tipo de irregularidad se presenta cuando la dimensión horizontal en cualquier piso es mayor que 1.3 veces la misma dimensión de un piso adyacente (Figura #15).



FIGURA #15 Irregularidad Geométrica Si los dos cuerpos se encuentran separados por una junta de dilatación (Figura #17) cada uno va a vibrar de acuerdo a sus características dinámicas, mientras un cuerpo entra en resonancia y en consecuencia tiene grandes deformaciones, el otro permanece con pequeñas deformaciones. Cuando los dos cuepos están integrados en un solo volumen (Figura #16) al entrar una parte en resonancia arrastra al otro cuerpo, haciéndose daño mutuamente. Al permanecer con menores desplazamientos el cuerpo que no resuena con el sismo, restringe el desplazamiento del otro y al hacerlo desde un lado produce torsión al conjunto.

FIGURA #16. Edificio Irregular en Altura FIGURA #17 Edificios regulares

Un caso especial de mal comportamiento sísmico se presentó en la ciudad de Cali durante el sismo del año 2004 (sismo moderado) con la Clínica Los Farallones la cual presentaba varias tipologías de configuración irregular: En planta es una L con una aleta más flexible que la otra, en alzada presenta irregularidad geométrica al tener 10 pisos en la aleta flexible y 7 pisos en la otra, además plantas más flexibles en los primeros pisos con doble altura y altura y media. La estructura en sistema de pórticos en concreto reforzado tenía una retícula de elementos de concreto reforzado a modo de fachada falsa en su fachada norte que se separa una mayor longitud en la zona del núcleo, lo que agudiza el problema de aleteo al hacer más rígida la zona del núcleo y aportar poca rigidez al extremo flexible (Figuras #18 y #19) . Los muros divisorios y de fachada estaban construidos en mampostería de ladrillo, enchapados en sus fachadas y se encontraban adosados a la estructura.

Entre mayor sea la diferencia dimensional entre los pisos adyacentes y mayor el número de pisos con esa diferencia, más dañino será el efecto sísmico sobre la edificación. Siendo que el período de vibración de cada estructura es una función de su altura, al tener una edificación con cuerpos de diferentes alturas, para cada altura se tiene un período de vibración que va a resonar con sismos diferentes: Cuerpo de menor altura con sismos cercanos que son de bajo período y cuerpo de mayor altura con sismos más lejanos que son de mayor período.



El edificio presentó daños en la mayoría de sus elementos no estructurales que obligó a demolerlos en su totalidad (Fotos #19, #20, #21 y # 22). La estructura se intervino rigidizándola con diagonales metálicas y remplazando los elementos no estructurales por divisiones livianas.

FIGURA #18 FIGURA #19

FOTO # 19 FOTO #20 FOTO #21 FOTO #22

Conclusiones:

Se debe evitar las configuraciones irregulares en las edificaciones prefiriendo adoptar configuraciones regulares. La aplicación de coeficientes que incrementen la magnitud de las fuerzas de diseño no garantiza que se esté cubriendo con seguridad las anomalías de comportamiento que se derivan del empleo de configuraciones irregulares. Con excepción de la tipología de irregularidad en planta por retrocesos en las esquinas, donde una adecuada rigidez de los extremos de las aletas flexibles conducen a una solución favorable al comportamiento sísmico, los demás tipos de irregularidad deben ser evitados al no tener soluciones alternativas que puedan conducir a situaciones favorables ante eventos sísmicos. Se debe tener especial cuidado en el manejo de los elementos no estructurales puesto que su vinculación a la estructura trae como consecuencia la rigidización en la zona donde se encuentren , haciendo que la edificación se comporte de un modo diferente a como fue diseñada , llevando a que estructuras de configuración regular se comporten como irregulares.



Bibliografía:

• Reglamento colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR-10.

Revista de Arquitectura e Ingeniería - · PDF fileconcentración de masa hacia un...

Documents

Transcript of Revista de Arquitectura e Ingeniería - · PDF fileconcentración de masa hacia un...