CONFIGURACION DE EDIFICIOS.

Probablemente algunos arquitectos encuentran que las recomendaciones sobre configuracióndisminuyen en cierta forma la amplitud de diseños atrevidos y originales, además limita la libertaddel uso del espacio interno del edificio, pero por otra parte constituye un reto el conjugarnecesidades arquitectónicas y estructurales que consigan un proyecto funcional, seguro yestéticamente atractivo.

Un diseño que evita esta conjugación, rompe con uno de los principios primordiales del diseñoarquitectónico, el cual indica que las necesidades estéticas no son las únicas porque tambiénestán las funcionales, sociales y estructurales, además de reflejar o guiar el gusto de su época.

CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO PARA EL COMPORTAMIENTO

SÍSMICO

Peso

Planta

Elevación y proporción

Uniformidad y distribución del sistema estructural

Separación

Elementos no estructurales

CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO PARA EL COMPORTAMIENTO

SÍSMICO

PESO

El tamaño del edificio indica también el peso del mismo por ello debe procurarse un edificio lo másligero posible, incluyendo el peso de los revestimientos y elementos divisorios que inducen en larespuesta, fuerzas ajustadas a su peso. Cualquier cambio en el tamaño del edificio afecta sucomportamiento y las alternativas en la solución estructural.

DISTRIBUCIÓN IRREGULAR DE PESO EN EL EDIFICIO

Se recomienda evitar las masas que sean innecesarias porque se traducen en fuerzasinnecesarias. Además las masas ubicadas en las partes altas de un edificio no son favorablesporque la aceleración crece con la altura, de manera que es conveniente ubicar en los pisos bajoslas áreas donde se proveen mayores concentraciones de pesos (tales como archivos y bóvedas).

También se debe impedir las fuertes diferencias de los pesos en pisos sucesivos y tratar que elpeso del edificio esté distribuido simétricamente en la planta de cada piso, una posiciónasimétrica generar un mayor momento torsor.

PLANTA

La forma en planta de un edificio incide en la respuesta sísmica. Este hecho ha sido demostradorepetidamente por todos los terremotos acaecidos

Los problemas que más se presentan en planta son:

Longitud de planta: Las estructuras con dimensiones considerables en planta, experimentangrandes variaciones de la vibración a lo largo de la estructura que generan fuerzasrotacionales. Estas variaciones se deben a las diferencias en las condiciones geológicas.

Perimetral: Los muros laterales y/o traseros están sobre los límites de la construcción por loque no tiene aberturas, mientras la fachada frontal con ventanas hacia la calle es abierta; por loque el techo tiende a torcerse, generando problemas sobre el edificio.

Falsa simetría: Edificios que poseen una configuración en apariencia sencilla, regular ysimétrica pero debido a la distribución de la estructura o la masa es asimétrica

Esquina: Plantas con formas en L, T, U, H, +, o una combinación de estas. Durante un movimientosísmico cada ala tiene un movimiento diferente y la esquina interior o entrante que es la unión

entre las dos alas adyacentes es la parte que más daño va a presentar.

RECOMENDACIONES

favorecer la simetría en ambas direcciones para disminuir los efectos torsionales.

Evitar la presencia de alas muy alargadas que tienden a producir que las alas vibren en

direcciones diferentes por la dificultad para responder como una unidad.

La simetría en planta indica que el centro de masa y el centro de rigidez estén

localizados en el mismo punto, ello logra disminuir los efectos indeseados de la torsión.

Longitud de planta: Existen dos formas de resolver estos problemas. La primera se

basa en considerar los esfuerzos producidos por los movimientos diferenciales durante

el diseño y la segunda en permitir los movimientos al incluir juntas.

Perimetral: El objetivo de cualquier solución para este problema consiste en

reducir la posibilidad de torsión. Se pueden emplear alternativamente cuatro

estrategias; pórticos con resistencia y rigidez

aproximadamente iguales para todo el perímetro. Aumentar la rigidez de las

fachadas abiertas mediante muros dentro o cerca de la parte abierta. Aceptar la

posibilidad de tener torsión y diseñar la estructura para resistirla.

Falsa simetría: Ubicación simétrica de los elementos resistentes, si por aspectos

de planeación no es posible, se debe agregar algunos elementos resistentes en

una parte del edificio que equilibren la distribución de la rigidez de forma que

disminuya la excentricidad en planta.

Esquina: La solución al problema de esquina tiene dos enfoques; dividir estructuralmente el edificioen formas más sencillas o unir con más fuerza la unión de los edificios mediante colectores en laintersección, muros estructurales o usar esquinas entrantes achaflanadas en vez de ángulosrectos, que reduzcan el problema del cambio de sección.

ELEVACIÓN Y PROPORCIÓN

Las reducciones bruscas de un nivel a otro, tiende a amplificar la vibración en la parte superior yson particularmente críticas. El comportamiento de un edificio ante un sismo es similar a una vigaen volado, donde el aumento de la altura implica un cambio en el período de la estructura queincide en el nivel de la respuesta y magnitud de las fuerzas.

La sencillez, regularidad y simetría que se busca en planta también es importante en la elevacióndel edificio, para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en ciertos pisos oamplificaciones de la vibración en las partes superiores del edificio.

PROPORCIÓN: Este aspecto puede ser más importante que el tamaño o altura, ya que mientrasmás esbelto es el edificio mayor es el efecto de voltearse ante un sismo, la contribución de losmodos superiores es importante y el edificio puede hacerse inestable por el efecto P-Δ.

ESCALONAMIENTO: Consiste en una o más reducciones abruptas en el

tamaño del piso de un nivel con respecto al siguiente. También en hacer el

edificio más grande a medida que se eleva, lo que se conoce como escalonamiento

invertido.

PISO DÉBIL – PISO BLANDO: El piso débil - blando se refiere a los edificios

donde una planta es más débil que las plantas superiores, causado por la

discontinuidad de resistencia y rigidez. Este problema es más grave cuando el

piso débil es el primero o segundo, niveles donde las fuerzas sísmicas son

mayores.

MURO DISCONTINUO: Cuando los muros de cortante no cumplen con los

requisitos de diseño se puede considerar que generan un problema como el de

piso débil. Por otra parte, un muro de cortante discontinuo es una contradicción

fundamental de diseño; el propósito de un muro de cortante es resistir las fuerzas

de inercia que se originan en los diafragmas y transmitirlas hacia la fundación en

la forma más directa posible, por lo que interrumpir esta trayectoria se convierte

en un error y realizarlo en la base es un problema aún mayor, siendo el peor caso

de la condición de planta baja débil.

VARIACIÓN EN LA RIGIDEZ: El origen de este problema por lo general

reside en consideraciones arquitectónicas realizadas sobre terrenos en colinas,

relleno de porciones con material no estructural pero rigidizante para crear una

faja de ventanas altas, elevación de una porción del edificio sobre el nivel del

terreno mediante elementos altos, en tanto que otras áreas se apoyan sobre

columnas más cortas, o bien, rigidización de algunas columnas con una

mezzanina o desván, mientras otras se dejan de doble altura sin rigidizarlas.

Estas configuraciones generan una columna corta que es más rígida y bajo

cargas laterales, atraerá fuerzas que pueden estar desproporcionadas con su

resistencia.

RECOMENDACIONES

PROPORCIÓN:

Para evitar los problemas de proporción se sugiere limitar la relación

altura/anchura a 3 ó 4

ESCALONAMIENTO:

a. Como primera estrategia es utilizar cambios de sección en un escalonamiento

normal o invertido pequeños.

b. Las soluciones para la configuración escalonada son similares a las de su

contraparte en planta con esquinas entrantes.

c. El primer tipo de solución consiste en una separación sísmica en planta.

d. Se debe evitar la discontinuidad vertical de las columnas, un acartelamiento

suave evita totalmente el problema del cambio de sección.

e. Por último, en áreas de alto riesgo sísmico se deben evitar las configuraciones

escalonadas invertidas.

PISO DÉBIL:

Las soluciones para el problema del piso débil comienzan por su eliminación, es decir

evitar la discontinuidad modificando el diseño arquitectónico. Si esto no es posible, el

siguiente paso es investigar la forma para reducir la discontinuidad por otros medios,

como son aumentar el número de columnas o agregar diagonales.

MURO DE CORTANTE DISCONTINUO:

La solución para el problema del muro de cortante discontinuo consiste en eliminar

dicha condición. El hacerlo puede crear problemas arquitectónicos de planeación,

circulación o aspecto. Si así ocurre, entonces significa que la decisión de usar muros

de cortante como elementos resistentes es inconveniente.

Cuando se toma la decisión de usar muros de cortante, se tiene que reconocer su

presencia desde el principio del diseño esquemático, donde el tamaño y la

localización debe ser objeto de una cuidadosa coordinación entre la arquitectura y la

ingeniería, por lo que se recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos:

−Hacer una distribución regular de los muros, estableciendo preferentemente

la simetría.

−Procurar que los centros de masas y rigideces estén los más cerca posibles.

−Para mejor resistencia torsional se deben colocar en la periferia de la planta.

−En edificios de muchos pisos sobre zonas de alto riesgo sísmico, una concentración

de toda la fuerza lateral en solamente uno o dos muros implica introducir grandes

fuerzas a las fundaciones, por lo que se requiere una fundación muy grande.

− En edificios de altura media, la sección transversal no deben variar con la

altura. En dado caso se puede reducir el espesor del muro.

− Los grandes muros tienden a limitar la flexibilidad en la distribución de los

espacios internos, por lo que se recomienda en edificios de oficina, colocar las

pantallas limitando las áreas de circulación vertical y de servicios.

Los sistemas de fachada resistente, si bien condicionan bastante el aspecto

externo del edificio, facilitan mucho la organización del espacio interno.

VARIACIÓN EN LA RIGIDEZ:

Si no se puede evitar la situación planteada, una solución consiste en igualar las

rigideces de las columnas aumentando las dimensiones de los elementos menos

rígidos.

UNIFORMIDAD Y DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA ESTRUCTURAL

La influencia del sistema estructural en la respuesta sísmica es indiscutible

ya que suministra la resistencia y rigidez necesaria para evitar daños no

estructurales durante sismos moderados, así como garantiza la integridad

del edificio. Por lo tanto, es importante que el arquitecto proponga un

sistema adecuado para lo cual debe considerar la simplicidad y simetría,

igualmente es conviene tomar en cuenta aspectos tales como: cambios de

secciones, redundancia, densidad en planta, diafragma rígido, columna

fuerte – viga débil, interacción pórtico – muro.

CAMBIOS DE SECCIONES

Los cambios bruscos de sección en los miembros son un tipo de problema de

variación de rigidez que se debe evitar. De igual forma los muros y/o

columnas que no siguen una misma línea, no son recomendables por lo que

estas líneas de resistencia deben ser continuas.

REDUNDANCIA

La redundancia se refiere a la existencia de abundantes líneas resistentes

continuas y monolíticas, proporciona un alto grado de hiperestaticidad que

cumple con el requisito básico para la supervivencia de la edificación, ya que

posee múltiples mecanismos de defensa que garantizan la redistribución de

esfuerzos una vez que algunos miembros hayan fallado. En cada una de las

direcciones principales de la edificación y salvo que se trate de edificios de dos o

tres plantas, es conveniente disponer como mínimo, tres líneas de resistencia.

DENSIDAD EN PLANTA

La densidad de la estructura en planta a nivel del terreno, se define como el área

total de todos los elementos estructurales verticales (columnas, muros,

diagonales) dividida entre el área bruta del piso.

En un edificio contemporáneo típico, este porcentaje se reduce al mínimo valor en

pórticos. Por ejemplo, en un edificio típico de 10 a 20 pisos, con pórticos de

concreto o acero resistentes a momentos, las columnas ocuparán el 1% o menos

del área de su planta y los diseños en que se usa una combinación de pórticos-

muros de cortante alcanzarán típicamente una densidad de estructuras en planta

a nivel del suelo de cerca del 2%. Incluso para un edificio de oficinas.

DIAFRAGMAS RÍGIDOS

Los diafragmas de las edificaciones deben ser rígidos en su plano para igualar las

deformaciones de los elementos verticales y evitar concentraciones de esfuerzos

indeseables en las zonas de unión. Las normas permiten diafragmas flexibles

pero se hace difícil estimar la respuesta dinámica de edificaciones con diafragmas

flexibles. La utilización de diafragmas rígidos simplifica notablemente el proceso

de análisis ya que permite el uso de modelos matemáticos sencillos.

COLUMNA FUERTE – VIGA DÉBIL

En sistemas apórticados es un requisito fundamental para el buen

comportamiento de la estructura, que la disipación de energía se inicie en los

elementos horizontales, por lo que se debe anteponer los diseños de

columnas fuertes y vigas débiles. En fachadas se puede usar elementos no

estructurales que se adapten a los requerimientos arquitectónicos, o bien admitir

el diseño columna fuerte viga débil en la fachada.

SEPARACIÓN

DEFINICIÓN

La relación del contorno del proyecto es importante en cuanto a la ubicación del

edificio dentro del terreno, es trascendental guardar una separación que sea

suficiente con respecto a edificios adyacentes, para evitar que los distintos cuerpos

se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo.

PROBLEMA

El daño puede ser particularmente grave cuando los pisos de los cuerpos

adyacentes no coinciden en las mismas alturas de manera que durante la

vibración las losas de piso de un edificio pueden golpear a media altura

las columnas del otro. Este choque se denomina golpeteo y esta relacionado con

las juntas de separación y la rigidez. El estudio del golpeteo entre edificios se

relaciona con la localización del edificio en relación con otras

estructuras.

RECOMENDACIÓN

Una regla práctica para las estructuras relativamente rígidas indica que las

separaciones serán de 2,5 cm más 1,25 cm por cada 3 m de altura en exceso de

6 m. Otra alternativa es separar 3,2 cm de separación para

edificios de hasta 4,88 m, y 1,9 cm más por cada 4,88 m de altura adicionales.

Aunque lo más conveniente es determinar el desplazamiento de cada uno de los

edificios y dar una separación que contemple el caso cuando las dos partes

están lo más cerca.