Consideraciones sobre diseño estructural

La estructura es y ha sido siempre un componente esencial de la Arquitectura, y es precisamente el Arquitecto quien, durante el proceso de diseño, debe crear o

inventar la estructura y darle proporciones correctas. Para crear y darle proporciones correctas debe seguir el camino intuitivo y el científico, tratando de lograr una combinación armónica entre la intuición personal y la ciencia estructural.

El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de un sistema de manera tal que cumpla, en forma óptima, con sus objetivos. Precisamente, el objetivo de un sistema estructural es equilibrar las fuerzas a las que va a estar sometido, y resistir las solicitaciones sin colapso o mal

comportamiento (excesivas deformaciones). La bondad del diseño depende esencialmente del acierto que se haya tenido en componer un sistema estructural, o mecanismo resistente, que resulte el más idóneo para resistir las acciones exteriores.

Veamos la intervención de la estructura en las distintas etapas del proceso dediseño. Desde su primera actividad como diseñador, la de los croquis preliminares,el Arquitecto deberá organizar en el espacio que está creando los distintos planos oelementos estructurales que aportarán estabilidad (para cargas verticales ylaterales) a la forma arquitectónica. De esta manera logrará que el fenómeno delequilibrio no sólo esté presente en el proceso de diseño, sino que sea uno de susgeneradores. Durante los croquis preliminares debe tenerse en cuenta laestructura, integrándola a la generación de la forma arquitectónica, de modo talque no resulte un agregado puramente tecnológico, sin valor en sí mismo o, comomuchas veces ocurre, con valores negativos.En la segunda etapa del proceso de diseño, la de anteproyecto, el Arquitecto deberádar proporciones a los elementos estructurales, esto es predimensionarlos demanera de poder asegurar la factibilidad del diseño. El conocimiento conceptual delfuncionamiento de los distintos mecanismos resistentes, es una gran ayuda parapoder cumplir exitosamente con esta intervención.Finalmente, en la etapa de proyecto definitivo, los cálculos y comprobacionesservirán para definir detalles, ratificar las proporciones dadas a las piezasestructurales, o en su defecto, rechazar la viabilidad del sistema propuesto.

Condiciones mínimas de estabilidadComo criterio general para lograr la estabilidad de un edificio frente a la acción decargas gravitatorias y cargas laterales (viento, sismo), es necesario contar con unmínimo de planos resistentes, éstos son: tres planos verticales, no todos ellosparalelos ni concurrentes, y un plano superior perfectamente anclado a los planosverticales anteriormente mencionados (figura MII-1).

Solamente la solución A es correcta. Los planos en B no pueden resistir una fuerza de viento o sismo en la dirección perpendicular a sus planos. Los planos en C no pueden resistir una rotación alrededor del punto H.

Cuando se habla de fuerzas laterales se refiere a fuerzas provenientes de la acción del viento o sismo sobre las estructuras. Para el diseño sísmico en particular, se manejan en la actualidad métodos de análisis estructural basados en hipótesis (simplificadas o no) que tratan de representar, lo más fielmente posible, el hecho físico real o comportamiento del edificio en el momento del sismo.

Uno de los métodos de diseño que se utiliza está basado en efectos estáticosequivalentes. Esto significa que se consideran fuerzas horizontales aplicadas aledificio de manera que produzcan efectos similares a los que sufriría en el momento del sismo. En definitiva, se quiere con ello predecir el comportamiento del edificio(figura MII-2).

Aspectos formales de la estructuraLos sismos han demostrado repetidamente que las estructuras más simples tienenla mayor oportunidad de sobrevivir.Teniendo en cuenta que el sismo es un hecho físico eminentemente dinámico, paraque el método estático mencionado anteriormente sea representativo, es necesariocontar con cierta SIMETRÍA ESTRUCTURAL: REGULARIDAD EN PLANTA Y ENALTURA. Si esto no ocurre, no se puede predecir el comportamiento del edificiodiseñado y los cálculos que se realicen posiblemente no tengan mucho que ver conla realidad.Por lo enunciado precedentemente, se hace necesario plantear algunos principiosbásicos para la selección de sistemas estructurales para los edificios ubicados enzonas sísmicas.

LA ESTRUCTURA DEBE:• ser simple;• ser simétrica;• no ser demasiado alargada en planta o elevación;• tener los planos resistentes distribuidos en forma uniforme;• tener elementos estructurales horizontales en los cuales se formen

articulaciones antes que en los elementos verticales; haber sido proyectada de modo tal que los elementos estructurales se relacionen de manera de permitir el buen detallado de las uniones.

Sin lugar a dudas, la restricción a la libertad arquitectónica que

implican los conceptos anteriores, agrega un condicionante más al diseño en zonas sísmicas, pero por otra parte obligan al proyectista a incorporar conceptos básicos de equilibrio y organización u ordenamiento estructural desde la primera etapa del proceso de diseño.

SISTEMAS ESTRUCTURALES RESISTENTES A FUERZAS LATERALES

• La mayoría de los sistemas estructurales de edificios lateralmente resistentes consisten en alguna combinación de elementos verticales con elementos horizontales o inclinados. Los elementos verticales más comunes son los muros de mampostería con la tecnología adecuada para resistir fuerzas laterales en su plano, las triangulaciones y los marcos rígidos o pórticos. El elemento horizontal más frecuente es la estructura de cubierta o entrepiso, con suficiente resistencia y rigidez para crear un plano indeformable denominado diafragma. Éste funciona recibiendo fuerzas horizontales en un nivel determinado del edificio y distribuyéndolas entre los elementos verticales del sistema lateralmente resistente.

Planos verticalesEn la figura MII-3 se ilustra un ejemplo donde los planos verticales resistentes afuerzas laterales están distribuidos simétricamente haciendo que la resultante delas reacciones producidas por los muros coincida con el centro de masas de laplanta donde estaría aplicada la acción.

En la figura MII-4, en cambio, se muestra una estructura donde la asimetría de losplanos verticales resistentes hace que no coincida el centro de rigidez (o centro deresistencia) con el centro de masa (en este caso coincidente con el centro degravedad de la planta, como suele ocurrir frecuentemente).Esta no coincidencia entre centro de rigidez y centro de masas produce un efectode torsión que habrá que tratar de minimizar cuando se trabaje en las distintasetapas del diseño arquitectónico.Es conveniente recomendar que en zonas sísmicas no se diseñen configuracionesen planta que presenten excentricidades muy superiores al 15% de la dimensión

dela planta normal a la dirección examinada.La figura MII-5 ilustra diversas situaciones referidas a la ubicación en planta de losplanos resistentes verticales y las condiciones de estabilidad frente a la acción defuerzas laterales que producen traslación o rotación del sistema estructural.

Configuración en planta Se ha hablado de la necesidad de proyectar plantas estructurales

regulares, con el fin de poder predecir su comportamiento, con el método basado en efectos estáticos equivalentes (fuerzas hipotéticas que producen, en la construcción, los mismos efectos que la acción sísmica). En la figura MII-6a se ilustran, en forma cualitativa, las disposiciones en planta que resultan recomendables y las que son inconvenientes. La posición de los planos resistentes en la planta, y con relación al centro de masas, puede producir situaciones desfavorables desde el punto de vista del diseño, generando torsiones iniciales importantes. En este caso se denominan torsiones de diseño. En la figura MII-6b se ejemplifican algunas situaciones. Mientras más largo sea la un edificio en planta, hay mayores posibilidades de que sus extremos se muevan en forma diferente, resultando difícil prever sus efectos, como se observa en la figura MII-6c.

Las plantas asimétricas con salientes significativos con forma L o T bajo accionessísmicas presentan vibraciones complejas.Las plantas en forma de H con salientes significativos a pesar de que poseensimetría presentan problemas, porque es difícil prever su comportamiento.Si la forma H tiene como objeto dar un poco de movimiento a la fachada a travésde pequeñas entrantes, puede adoptarse con confianza.Los cubos extremos de ascensores o escaleras no son recomendables pues tiendena comportarse independientemente, causando efectos torsionales, difíciles de separación estructural, permitiendo el movimiento completamente independientede las partes separadas del edificio (figura MII-7).

Se evitarán formas no-compactas, asimétricas y situaciones que impliquen cambiosbruscos de rigidez y/o resistencia.Plantas alargadas

IRREGULARIDADES EN PLANTA

Distribución de masas y de rigideces

MUCHAS GRACIAS

ING. MARCO SAYRA SALAMANCA