Post on 23-Oct-2015
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.