CONFIGURACION CONFIGURACION ESTRUCTURAL EN ZONAS ESTRUCTURAL EN ZONAS DE ALTO RIESGO SISMICODE ALTO RIESGO SISMICO

ING ROBERTO MORALES MORALES

CONCEPCION ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE

• Debido al movimiento del terreno:

-Distancia a la falla-Longitud de la ruptura de

falla-Amplitud de aceleración,

velocidad y desplazamiento-Contenido de frecuencia-Duración -Dirección-Característica del pulso

• Debido a la geología del sitio:

-Estrato de suelo uniforme-Suelo firme-Suelo blando-Suelo de transición-Profundidad del estrato

resistente

•Debido al impacto de los métodos de análisis:

-Estático elástico

-estático inelástico

-Dinámico elástico

-Dinámico inelástico

•Debido a la Configuración de la Edificación:

-Escala

-Altura

-Tamaño horizontal

-Proporción

-Simetría

-Distribución y concentración

-Densidad de la estructura en la planta

-Esquinas

-Resistencia Perimetral

-Redundancia

•Debido al sistema estructural:

-Propiedades dinámicas

-Peso ligero (versus pesado)

-Aporticados

-Muros de corte

-Elementos de arriostre

-Dual(pórtico-muro),etc

-Ejes de resistencia: uniformes, no uniformes, aleatorio

-Sistema de cimentación:superficial, profunda

-Control de disipación de energía : por vínculo débil, por rotación o por aislamiento

•Debido a los materiales estructurales:

-Dúctil (acero)

-Semi-dúctil (concreto armado, madera)

-Frágil (albañilería)

-Comportamiento elástico

-Comportamiento no lineal

• Debido a los componentes no estructurales :

- Independiente de la estructura principal.

- Compuesto con la estructura principal

- Relleno variable

- Contribución en la resistencia

- Contribución en la rigidez

• Debido a la construcción:

- Calidad: excelente,buena, pobre

- Con supervisión

- Sin supervisión

Opciones de Sistemas Estructurales por las Condiciones Locales del Suelo

Suelo “Blando” (Período largo)Usar edificaciones rígidas con período corto.

• Muro de corte• Arriostre de acero• Arriostre excéntrico

Sitio “Distante” (Período corto) Usar edificaciones rígidas con período corto.

Sitio “Distante” (Período largo) Usar edificaciones rígidas con período corto.

Suelo “Firme” (Período corto)Usar edificaciones flexibles con período largo.• Pórtico de momento dúctil• Aislamiento en la base

Suelos pobres (Cimentaciónde pilotes)

Usar edificaciones rígidas de peso ligero.• Pórtico con arriostramiento de acero• Pórtico tubular de acero

El término “configuración estructural”se refiere a la forma global del edificio como al tamaño, naturaleza y ubicación de los elementos estructurales y componentes no estructurales dentro de él.

¿¿QUE FACTORES INFLUYEN EN UNA QUE FACTORES INFLUYEN EN UNA BUENA CONFIGURACION BUENA CONFIGURACION

ESTRUCTURAL?ESTRUCTURAL?

ALTURA

TAMAÑO HORIZONTAL

ESCALA

ESQUINAS

DISTRIBUCIONY CONCENTRACION

RESISTENCIAPERIMETRAL

SIMETRIA

DENSIDAD DE LA ESTRUCTURA EN PLANTA

PROPORCIONREDUNDANCIA

CONFIGURACIONESTRUCTURAL

Escala

En una edificación menor es posible no considerar ciertos principios de configuración.

En un edificio de mayor tamaño implica un costo mayor, y no garantiza un buen comportamiento como en el caso de un edificioequivalente de mejor configuración.

Sin embargo, esto no implica que los edificios pequeños no tengan inconvenientes significativos.

A medida que aumenta el tamaño absoluto de una estructura, decrece el número de alternativas para su solución estructural.

Altura

A medida que un edificio se hace más alto aumenta su período, por consiguiente su respuesta estructural será diferente.

El período de un edificio no es sólo función de su altura, sino también de otros factores como la relación altura/ancho, altura de los pisos, materiales involucrados, sistemas estructurales, y la cantidad ydistribución de la masa.

En la actualidad, el enfoque no consiste en legislar sobre límites de altura, sino establecer criterios más específicos de diseño y comportamiento sísmicos.

Tamaño Horizontal

Cuando una planta es extremadamente grande, incluso si es de unaforma sencilla y simétrica, el edificio puede tener dificultad para responder como una unidad a las solicitaciones sísmicas.

En realidad, las diversas partes del edificio a todo lo largo de éste vibran asincrónicamente con aceleraciones diferentes.

Mientras más largo sea el edificio, mayor será la probabilidad de ocurrencia de estos esfuerzos y mayor será su efecto.

Tamaño Horizontal

Con el aumento en la longitud de un edificio, en un piso que se asume que se comporta como un cuerpo rígido - diafragma horizontal- , la rigidez puede ser insuficiente para redistribuir la carga sísmica, de elementos más débiles o dañados hacia los elementos más fuertes o hacia aquéllos que sufren menor daño.

Proporción

Cuanto más esbelto sea un edificio mayores serán los efectos de volteo debido a un sismo y mayores los esfuerzos en las columnas exteriores.

El equivalente en planta de la relación altura/ancho, o de esbeltez, es la relación de aspecto.

Las formas largas y esbeltas son inconvenientes.

Generalmente en la dirección longitudinal será más rígida que la dirección transversal.

Simetría

Cuando en una configuración, el centro de masa coincide con el centro de rigidez, se dice que existe simetría estructural.

A medida que el edificio se vuelve más simétrico, se reducirá su tendencia a sufrir concentraciones de esfuerzos y torsión, y su comportamiento ante cargas sísmicas será menos difícil de analizar y más predecible.

Es decir, se puede mantener la seguridad con economía de diseño y construcción con el empleo de formas simétricas. Sin embargo, esto no quiere decir que un edificio simétrico no sufrirá torsión .

Simetría

Los efectos de la simetría no sólo se refieren a la forma del conjunto del edificio sino también a los detalles de su diseño y construcción. Según investigaciones, el comportamiento sísmico de edificios es sensible a variaciones muy pequeñas de la simetría.

La simetría va desde la simple geometría de la forma exterior hasta las distribuciones internas de elementos resistentes y componentes no estructurales

Distribución y Concentración

En un edificio con resistencia bien distribuida, los elementos compartirán igualmente las cargas.

Figura 1. Distribución de cargas.

Densidad de la Estructura en Planta

Se define como el área total de todos los elementos estructurales verticales (columnas, muros, arriostres) dividida entre el área bruta del piso.

En los edificios construidos en siglos pasados el tamaño y la densidad de los elementos estructurales son bastantes mayores que los de los edificios actuales.

El factor principal que da a los edificios antiguos cierto grado de resistencia sísmica, usualmente es su configuración.

Esquinas

Los elementos de esquina usualmente están sometidos a fuerzas sísmicas mayores.

Figura 2. Daño producido en la esquina débil de un edificio en el sismo que sacudió la ciudad de Nazca en noviembre de 1996.

La distribución más eficiente es la circular. Se puede emplear muchas otras configuraciones con una adecuada eficiencia.

Es conveniente, entonces, colocar elementos resistentes en el perímetro, ya sea que los elementos sean muros, pórticos, o pórticos arriostrados, y que

tengan que resistir fuerzas laterales directas, de torsión, o ambas.

Resistencia Perimetral

Brazo depalanca

Brazo depalanca

Figura 3. Ubicación de muros de corte para resistir los movimientos de volteo y torsión.

Redundancia

Los elementos redundantes en condiciones normales de diseño no desempeñan una función estructural o están subesforzados con respecto a su resistencia.Son capaces de resistir fuerzas laterales si es necesario.

Proporcionan un factor de seguridad donde pueda haber incertidumbres analíticas en el diseño.

Se reconoce la necesidad de diseñar en función de desastres no calculados, así como para las condiciones de servicio.

CATEGORIAS DE EDIFICACIONES

EDIFICACIONES ESENCIALES.

EDIFICACIONES IMPORTANTES.

EDIFICACIONES COMUNES.

EDIFICACIONES MENORES.

Se presenta una mayor exigencia en la categorización de las edificaciones como centros educativos y hospitales, debido a que su función no debe interrumpirse inmediatamente después del sismo.

CONFIGURACION CONFIGURACION ESTRUCTURALESTRUCTURAL

-ESTRUCTURAS REGULARES-ESTRUCTURAS IRREGULARES

NORMAS PERUANAS SISMORRESISTENTESNORMAS PERUANAS SISMORRESISTENTES::

CONFIGURACICONFIGURACIÓÓN ESTRUCTURALN ESTRUCTURAL

• ESTRUCTURAS REGULARES

Son las que no tienen discontinuidades significativas horizontales o verticales en su configuración resistente a cargas laterales

• ESTRUCTURAS IRREGULARESSe definen como aquellas estructuras que presentan una o más de las características indicadas en la Norma de diseño Sismorresistente

IRREGULARIDADES IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ESTRUCTURALES EN

ALTURAALTURA

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Piso Blando

El piso blando se genera cuando hay una discontinuidad significativa de resistencia y rigidez entre la estructura vertical de un piso y el resto de la estructura. Esta discontinuidad se puede presentar debido a que un piso, por lo general el primero, es significativamente más alto que el resto, produciéndose así una disminución de rigidez.

Finalmente, el piso blando se puede producir por un piso abierto que soporta muros superiores estructurales o no estructurales pesados.

En la condición de piso blando, el desplazamiento lateral de entre piso es mayor, por tanto este piso experimentará

esfuerzos y daños mayores

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Piso Blando

“En cada dirección la suma de las áreas de las secciones transversales de los elementos verticales resistentes al corte en un entrepiso, columnas y muros, es menor que 85% de la correspondiente suma para el entrepiso superior, o es menor que 90% del promedio para los 3 pisos superiores. No es aplicable ensótanos.”

La norma hace una evaluación de áreas transversales mas no de alturas de pisos, y de acuerdo a la definición de piso blando también se puede presentar tal discontinuidad cuando la altura de un piso es significativamente mayor que la de los otros pisos, pese a que sus elementos resistentes a cargas laterales pueden mantener la misma sección transversal en todos los niveles de la edificación.

Figura 4. Daño sísmico en una configuración con el piso blando en el primer nivel. Las grandes aberturas generan grandes distorsiones en ese piso.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Figura 5. Colapso total producido por un sismo en una edificación de dos niveles con un primer piso blando.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Irregularidad de Masa

“Se considera que existe irrregularidad de masa cuando la masa de un piso es mayor que el 150% de la masa de un piso adyacente. No es aplicable en azoteas.”

Se busca distribución uniforme de la masa como requisito paraconseguir una adecuada respuesta sísmica. En los pisos que tienenmayor masa la fuerza sísmica es también mayor.

Esta condición es más grave cuando la concentración de la masaocurre en los últimos pisos ocasionando momentos de volteo.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Irregularidad Geométrica Vertical(escalonamiento vertical)

“La dimensión en planta de la estructura resistente a cargas laterales es mayor que 130% de la correspondiente dimensión en un piso adyacente. No es aplicable en azoteas ni en sótanos”.

Los tres más comunes son:

-Los requisitos de zonificación en que los pisos superiores se escalonan hacia atrás para conservar la luz y el aire en los lugares adyacentes.

- Los requisitos de programa cuando se necesitan pisos más pequeños a niveles más altos, y

- Los requisitos de estilo relacionados con la forma volumétrica del edificio.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

Usualmente si el cambio de escalonamiento es grande se produce unavariación muy significativa de resistencia y de rigidez lateral.

Es preferible emplear un acartelamiento suave para evitar concentraciones de esfuerzos y desplazamientos laterales grandes.Estos problemas son mayores:-Cuando algunos elementos verticales no llegan a los niveles inferiores,-Cuando se tiene el escalonamiento invertido.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURAIrregularidad Geométrica Vertical

(escalonamiento vertical)

Discontinuidad en los Sistemas Resistentes

“Desalineamiento de elementos verticales, tanto por un cambio de orientación, como por un desplazamiento de magnitud mayor que la dimensión del elemento.”

Es importante que las fuerzas sigan trayectorias regulares y directas a través de líneas de resistencia continuas hasta alcanzar la cimentación.

Estas líneas de resistencia las proporcionan los elementos verticales sismorresistentes.

Se puede incluir la irregularidad impuesta por los muros de cortediscontinuos, lo cual requiere suficiente rigidez de la losa para transmitir los esfuerzos de corte del muro hacia los elementos verticales del nivel inferior.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN ALTURA

IRREGULARIDADES IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN PLANTAESTRUCTURALES EN PLANTA

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN PLANTA

Irregularidad Torsional

“Se considerará sólo en edificios con diafragmas rígidos. En cada una de las direcciones de análisis, el desplazamiento relativo máximo entre dos pisos consecutivos es mayor que 1.3 veces el desplazamiento relativo de los centros de masas.”

Esta verificación no puede efectuarse sin antes haber llevado a cabo el análisis sísmico.

Se ha observado que la torsión en planta constituye una de las causas comunes de colapsos, principalmente en edificaciones de planta rectangular con muros en tres lados del perímetro.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN PLANTA

Esquinas Entrantes

“La configuración en planta y el sistema resistente de la estructura, tienen esquinas entrantes, cuyas dimensiones en ambas direcciones, son mayores que el 20% de la correspondiente dimensión total en planta.”

Las configuraciones con esquinas entrantes plantean dos problemas:

- Se produce una concentración local de esfuerzos en la esquina entrante,

- La torsión. Se produce porque el centro de masa y el centro de rigidez no pueden coincidir geométricamente para todas las posibles direcciones de un sismo. Esto provoca rotación, que tenderá a distorsionar la forma.

IRREGULARIDADES ESTRUCTURALES EN PLANTA

Discontinuidad del Diafragma

“Diafragma con discontinuidades abruptas o variaciones en rigidez, incluyendo áreas abiertas mayores a 50% del área bruta del diafragma.

La rigidez de un diafragma con discontinuidades abruptas o aberturas significativas puede ser insuficiente para redistribuir la carga horizontal, durante un sismo, de elementos estructurales más débiles o dañados del edificio hacia los elementos más fuertes o hacia aquéllos que sufren menor daño.

TIPOS DE SOLUCIONES PARA LOS PROBLEMAS DE CONFIGURACIÓN

Ciertos tipos obvios de soluciones están disponibles para el diseñador con la finalidad de atenuar los problemas de configuración estructural:

• Eliminar el problema, evitando o alterando la configuración global.

• Separar los elementos que causan la discontinuidad.

• Reforzar los elementos débiles.

• Proporcionar adecuada transición entre elementos.

• Minimizar la respuesta sísmica por medio de un sistema de aislamiento en la base.