Estructuracion
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PRINCIPIOS DE
ESTRUCTURACIN
Prof. Orlando Ramrez Boscn
Mrida, octubre de 2014
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS
PROYECTOS ESTRUCTURALES
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Criterios de Estructuracin
No se puede lograr que un edificio mal estructurado
se comporte satisfactoriamente ante sismos, por
mucho que se refinen los procedimientos de
modelado, anlisis y dimensionamiento.
La experiencia en varios sismos muestra que los
edificios bien concebidos estructuralmente y bien
detallados han tenido un comportamiento adecuado,
aunque no hayan sido objeto de clculos elaborados,
y, en ocasiones, aunque no hayan satisfecho
rigurosamente los reglamentos.
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Ningn modelo de anlisis estructural, por sofisticado
que sea, puede hacer que una edificacin con
configuracin inadecuada se desempee bien durante un
sismo.
Las edificaciones con formas sencillas se comportan
mejor y de manera ms confiable
Las estructuras sencillas son ms fciles de entender
Los modelos matemticos usados para el anlisis tienen
hiptesis simplificadoras que pueden ser vlidos para
estructuras sencillas
Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
La configuracin estructural queda en buena parte
definida en el proyecto arquitectnico.
RESPONSABLE DEL
PROYECTO
ARQUITECTNICO
RESPONSABLE DEL
PROYECTO
ESTRUCTURAL
INTERACCIN
Necesidades mnimas de:
Rigidez
Resistencia
Regularidad
Consecuencias que tienen algunas decisiones arquitectnicas en
el comportamiento estructural
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Criterios de Estructuracin
Es cierto que la mayora de las recomendaciones de
estructuracin para zonas ssmicas tienden a lograr
edificaciones regulares y robustas limitando
fuertemente la posibilidad de llegar a formas atrevidas
y originales. Constituye, por tanto, un DESAFO para
los proyectistas conjugar las necesidades
arquitectnicas y estructurales para lograr una
edificacin funcional, estticamente atractiva, segura y
econmica.
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
CARACTERSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO PARA
EL COMPORTAMIENTO SSMICO
a. Peso.
Las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa
(F = ma) y, en consecuencia, al peso del edificio,
por lo tanto, debe procurarse que ste sea lo ms
liviano posible.
Una parte importante del peso de la construccin
proviene de los revestimientos y de los elementos
divisorios no estructurales. Es all donde se pueden
lograr reducciones.
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Criterios de Estructuracin
Es importante evitar
masas excesivas en las
partes altas del edificio,
ya que las aceleraciones
introducidas en el mismo
crecen con la altura.
Deben evitarse fuertes diferencias en los pesos de
pisos sucesivos, porque generan variaciones
bruscas en las fuerzas de inercia y en la forma de
vibrar del edificio
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Criterios de Estructuracin
Hay que tratar que el
peso del edificio est
distribuido
simtricamente en la
planta de cada piso. Una
posicin fuertemente
asimtrica generara
vibraciones torsionales.
Deben evitarse volados largos, as como vigas que
tengan grandes luces porque la componente vertical
ssmica induce fuerzas de inercia que se le agregan
a las cargas de gravedad y que conviene reducir al
mnimo.
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Criterios de Estructuracin
-
Criterios de Estructuracin
b. Forma del edificio en planta.
Algunos aspectos de la forma en planta del edificio
propician una respuesta ssmica poco conveniente y
deben evitarse.
El aspecto principal es la asimetra en planta, que
tiende a provocar vibraciones torsionales del edificio.
FORMAS ASIMTRICAS EN PLANTA
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GEOMETRIA IRREGULAR
A/L > 0.15 0.20 A/L > 0.15 0.20
A/L > 0.15 0.20
A
L
A
Criterios de Estructuracin
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IRREGULARIDAD TORSIONAL
Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
Distribucin adecuada de elementos
resistentes que haga coincidir el
centro de masa de la planta con el
centro de torsin
Separacin de la planta en cuerpos
independientes y simtricos
mediante juntas de construccin
POSIBLES SOLUCIONES
Uso de elementos estructurales
exteriores que unan las distintas
partes del edificio
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Criterios de Estructuracin
Hay que evitar las alas muy alargadas en la planta del edificio, ya
que esto tiende a producir que las alas vibren en direcciones
diferentes, con lo que se producen fuertes concentraciones de
esfuerzos en las esquinas interiores.
IRREGULARIDAD DE ESQUINA REENTRANTE
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
SOLUCIONES PARA PLANTAS CON ALAS
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Criterios de Estructuracin
Se deben evitar edificios con plantas muy alargadas.
Mientras mayor es la longitud del edificio, mayor es la
probabilidad de que acten en su base movimientos
ssmicos que difieran entre los extremos de la planta
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Criterios de Estructuracin
El problema principal de las plantas muy alargadas es
que la flexibilidad del sistema de piso puede provocar
vibraciones importantes en planta, las que incrementan
sustancialmente las solicitaciones en la parte central
del edificio.
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Criterios de Estructuracin
Debe evitarse alguna de las siguientes situaciones:
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Criterios de Estructuracin
En caso de no ser posible, se debe adoptar alguno
de estas soluciones:
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Criterios de Estructuracin
Debe evitarse las plantas con esquinas entrantes. El
problema no es muy grave a menos que las alas sean
muy largas, pero se debe buscar que la planta sea lo
ms compacta posible, para evitar las concentraciones
de esfuerzos en las esquinas entrantes.
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Criterios de Estructuracin
Plantas con Esquinas Entrantes
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Irregularidad de
Esquina Entrante
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Criterios de Estructuracin
Plantas con Esquinas Entrantes
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Posibles Soluciones
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
Deben evitarse las discontinuidades del diafragma
Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos
y actuar en dos direcciones perpendiculares.
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Criterios de Estructuracin
SISTEMAS
ESTRUCTURALES NO
PARALELOS
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Criterios de Estructuracin
Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos
y actuar en dos direcciones perpendiculares.
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Missouri's South Central Correctional
Center
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Resistencia no balanceada
Dao localizado. Mecanismo de
colapso en circunstancias extremas.
Esquinas Reentrantes
Dao local al diafragma y elementos
unidos. Colapso en circunstancias
extremas.
Excentricidad del Diafragma y
Entrantes
Dao estructural localizado.
Criterios de Estructuracin
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Sistemas Resistentes No Paralelos
Torsin e Inestabilidad. Dao
localizado.
Desplazamientos Fuera del Plano.
Muros Discontinuos.
Mecanismos de colapso en
circunstancias extremas.
Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
c. Forma del edificio en elevacin
La sencillez, regularidad y simetra son deseables
tambin en la elevacin del edificio, para evitar que se
produzcan concentraciones de esfuerzos en algunos
pisos o amplificaciones de la vibracin en las partes
superiores del edificio.
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Criterios de Estructuracin
POSIBLES SOLUCIONES
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Criterios de Estructuracin
La esbeltez excesiva de la construccin puede
provocar problemas de volteo, de inestabilidad
(efecto P-D) y de transmisin de cargas elevadas a la
fundacin y al subsuelo; adems se vuelven
importantes los modos superiores de vibracin.
Segn la Norma Venezolana,
si H/A > 4, la estructura es
irregular
Segn el Reglamento de
Construcciones del D.F.
(Mxico), si H/A > 2.5 la
estructura se considera
irregular
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
Apartamentos Pino Suarez. Ciudad de Mxico. 1985
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Criterios de Estructuracin
PORTICOS MUROS
CAMBIOS BRUSCOS EN RIGIDECES Y/O RESISTENCIAS
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Criterios de Estructuracin
GRANDES MASAS
CONCENTRACIONES DE MASAS
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Criterios de Estructuracin
CAMBIOS BRUSCOS EN GEOMETRIA
A/L > 0.25 A/L > 0.15 A/L > 0.10
A A A
A A L L L
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
Terremoto de Kobe, Japn, 1995
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Criterios de Estructuracin
MURO
ARRIOSTRAMIENTO
DISCONTINUIDADES
DISCONTINUIDADES VERTICALES
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Criterios de Estructuracin
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ESTRUCTURACION DEL HOTEL
MACUTO - SHERATON
Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
PISO
DEBIL
DISCONTINUIDADES EN CAPACIDAD
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Criterios de Estructuracin
Hospital Olive View.
Terremoto de San Fernando,
1971
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Hospital Olive View.
Terremoto de San Fernando,
1971
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
Tres Casos de Primer Piso Suave
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Soluciones
Conceptuales para el
Primer Piso Suave
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Criterios de Estructuracin
Irregularidad en Rigideces. Piso Suave
Mecanismo de colapso comn. Muchos
muertos y dao en eventos recientes.
Irregularidad de Peso y/o Masa
Mecanismo de colapso en circunstancias
extremas.
Irregularidad Vertical en Geometra
Dao estructural localizado.
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Criterios de Estructuracin
Irregularidad Vertical en el Plano
Dao estructural localizado.
Discontinuidad en Capacidad. Piso Dbil
Mecanismo de colaso en circunstancias
extremas.
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Criterios de Estructuracin
d. Separacin entre edificios adyacentes
Es importante guardar una separacin entre edificios
adyacentes, que sea suficiente para evitar que los
distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase
durante un sismo.
El dao puede ser particularmente grave si los pisos
de los edificios adyacentes no coinciden en las mismas
alturas, de manera que durante la vibracin las losas
de piso de un edificio pueden golpear a media altura
las columnas del otro.
Este requisito es ms estricto para edificios fundados
en suelo blando, donde la rotacin de la base puede
incrementar significativamente el desplazamiento en la
punta.
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Criterios de Estructuracin
Norma Venezolana 1756-1:2001
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Criterios de Estructuracin
Norma Mexicana
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Criterios de Estructuracin
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GOLPETEO ENTRE
EDIFICACIONES
EXISTENTES
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Criterios de Estructuracin
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EFECTO DE GOLPETEO ENTRE
ESTRUCTURAS ADYACENTES
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EFECTO DE GOLPETEO ENTRE
ESTRUCTURAS ADYACENTES
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REQUISITOS BASICOS DE ESTRUCTURACIN
Criterios de Estructuracin
1.El edificio debe poseer una configuracin de
elementos estructurales que le confiera resistencia
y rigidez a cargas laterales en cualquier direccin.
Se debe proporcionar sistemas resistentes en dos
direcciones ortogonales.
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Criterios de Estructuracin
2. La configuracin de los elementos estructurales debe
permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas
ssmicas desde el punto en que stas se generan (donde
haya una masa que produzca fuerzas de inercia) hasta el
terreno.
3. Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las
concentraciones de esfuerzos y las vibraciones torsionales
que puedan producirse por la distribucin irregular de
masas o rigideces en planta o en elevacin. Conviene que la
estructura sea:
a) sencilla
b) regular
c) simtrica
d) continua
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Criterios de Estructuracin
4.Los sistemas estructurales deben disponer de
redundancia y de capacidad de deformacin
inelstica que les permitan disipar la energa
introducida por sismos de excepcional intensidad,
mediante elevado amortiguamiento inelstico y sin la
presencia de fallas frgiles, locales y globales.
REDUNDANCIA
ESTATICA
REDUNDANCIA
SISMICA
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Criterios de Estructuracin
SISTEMAS ESTRUCTURALES BASICOS
a. Prtico Tridimensional
Formado por columnas y vigas en dos direcciones,
conectadas entre si para permitir la transmisin de
momentos flectores y proporcionar rigidez lateral a la
estructura.
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Criterios de Estructuracin
b. Prtico rigidizado
Con diagonales de arriostramiento, con ncleos rgidos o
muros de relleno.
En estas estructuras la interaccin entre los dos
sistemas bsicos produce una distribucin de las fuerzas
laterales que es compleja y variable con el nmero de
pisos, pero que da lugar a incrementos sustanciales de
rigidez y resistencia.
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Criterios de Estructuracin
b. Prtico rigidizado
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Criterios de Estructuracin
c. Estructura tipo cajn
De paredes o muros de carga, est formada por
paneles verticales y horizontales conectados para
proporcionar continuidad.
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Criterios de Estructuracin
Optimizacin de la Configuracin Estructural
Comportamiento Ssmico Optimo
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Criterios de Estructuracin
Atributos de la Estructura
Ruta Contina de Carga: Carga uniforme de los elementos estructurales, sin concentracin de esfuerzos.
Relacin Altura/Base baja: Minimiza la tendencia al volteo.
Alturas de Entrepiso iguales: Iguala las rigideces de las columnas o muros. No existe concentracin de esfuerzos.
Planta Simtrica: Minimiza la torsin.
Igual Resistencia en Ambos Ejes: Elimina la excentricidad entre los centros de masa y resistencia y proporciona resistencia
balanceada en todas las direcciones, minimizando la torsin.
Resistencia Vertical Idntica: No existen concentraciones de rigidez o debilidades.
Luces Cortas: Bajo esfuerzo unitario en miembros. Mltiples columnas proporcionan redundancia. Las cargas se pueden
redistribuir si algunas columnas fallan.
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Criterios de Estructuracin
Atributos de la Estructura
Elementos Sismorresistentes en el Permetro: Mxima Resistencia Torsional.
Ausencia de Voladizos: Reduce la vulnerabilidad ante aceleraciones verticales.
Sin Aberturas en Diafragmas (Entrepisos y Techo): Asegura la transferencia directa de las fuerzas laterales a los elementos
resistentes.
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Criterios de Estructuracin
REQUISITOS ESPECFICOS DE ESTRUCTURACIN
El edificio debe poseer un sistema estructural que le
proporcione rigidez y resistencia en dos direcciones
ortogonales, para ser capaz de soportar los efectos
ssmicos en cualquier direccin
Muros en 1 sola direccin Losa con vigas en una sola direccin
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Criterios de Estructuracin
SOLUCIONES:
Colocar muros o
arriostramientos
en la direccin
transversal
Colocar muros en dos
direcciones
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Criterios de Estructuracin
La planta debe estructurarse lo ms simtrica posible,
para tratar de evitar grandes excentricidades que
produzca vibracin torsional del edificio.
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Criterios de Estructuracin
Via del Mar, Chile. 1985
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Criterios de Estructuracin
FALSA SIMETRA EN PLANTA
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Criterios de Estructuracin
FALSA SIMETRA EN PLANTA
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Criterios de Estructuracin
FALSA SIMETRA EN PLANTA
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Criterios de Estructuracin
FALSA SIMETRA EN PLANTA
Posibles Soluciones
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Criterios de Estructuracin
Las plantas deben poseer una alta rigidez torsional para
hacer frente a posibles torsiones accidentales. Por ello es
preferible que los elementos ms rgidos se encuentren
ubicados en su periferia y no en la parte central
PREFERIBLE
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Criterios de Estructuracin
Debe evitarse que se presenten excentricidades no
slo cuando la estructura responde en su rango
lineal, sino tambin cuando alguno de sus elementos
responden no linealmente.
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Criterios de Estructuracin
Se debe mantener la continuidad del sistema
estructural en elevacin
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Criterios de Estructuracin
Los elementos no estructurales deben tener una distribucin
uniforme en elevacin para no crear pisos blandos.
EVITAR PLANTAS BAJAS LIBRES
MECANISMO DE COLAPSO
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
Se deben evitar discontinuidades de los elementos
estructurales tanto en planta como en elevacin para
evitar altas concentraciones de esfuerzos de corte y
torsin.
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Criterios de Estructuracin
Existen casos en que la diferencia de altura de
columnas produce diferencias drsticas de rigidez
entre ellas, por lo que las fuerzas que absorben las
ms cortas son muy superiores.
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Criterios de Estructuracin
Particularmente indeseables son las situaciones que
dan lugar a las llamadas columnas cortas, en que los efectos de las fuerzas cortantes dominan a los de
flexin y se propicia una falla de tipo frgil.
COLUMNA CORTA
FALLA POR
CORTE
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Criterios de Estructuracin
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EDIFICIO PALACE CORVIN. TERREMOTO DE CARACAS, 1967.
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SEMISTANOS
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ESTRUCTURAS CON
NIVELES
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ESTRUCTURAS EN
PENDIENTE
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Criterios de Estructuracin
No es conveniente que la configuracin estructural presente
vigas con relaciones luz/altura muy distintas, en que las fuerzas
se concentran en los tramos con las vigas ms cortas.
Por otra parte, conviene evitar que la relacin luz/altura de las
vigas sea pequea (menor que 4) para que no prevalezcan los
efectos de cortante sobre los de flexin.
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Criterios de Estructuracin
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES
1. Prticos Rgidos
Su principal ventaja es la gran
ductilidad y capacidad de
disipacin de energa que se
pueden lograr con este
sistema, cuando se siguen los
requisitos fijados para tal
efecto (ND3).
Dichos requisitos, adems de procurar la mayor ductilidad posible
de cada elemento estructural, tienden a que se proporcionen a
stos, resistencias relativas tales que se desarrollen mecanismos
de falla que involucren el mayor nmero posible de articulaciones
plsticas en aquellas secciones en que se disponga de mas
ductilidad.
El mecanismo de falla que se pretende propiciar con esos
requisitos es el de viga dbil columna fuerte.
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Criterios de Estructuracin
MECANISMOS DE
DEFORMACIN INELASTICA
DE VIGA DEBIL COLUMNA FUERTE
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Criterios de Estructuracin
Estructura de Estacionamiento. Los ngeles. Terremoto de
Wittier-Narrows, 1987
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Criterios de Estructuracin
Los edificios a bases de prticos resultan en general
muy flexibles y en ellos se vuelve critico el problema
de mantener los desplazamientos laterales dentro de
los lmites prescritos por las normas.
La alta flexibilidad de los edificios a base de prticos
da lugar a que su perodo fundamental resulte en
general largo. Esto es favorable cuando el edificio
est ubicado en terreno firme, pero llega a ser
desfavorable cuando el edificio se encuentra en
terreno blando.
El campo de aplicacin de edificios de prticos
rgidos se limita a edificios de baja y mediana altura, a
menos que se recurra a prticos especiales,
particularmente robustos.
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Criterios de Estructuracin
2. Sistemas de muros estructurales
El arreglo tridimensional
de muros de carga, da
lugar a edificios con
gran rigidez y
resistencia a carga
laterales.
Las proporciones de los muros son en general tales,
que domina la falla por cortante sobre la de flexin, y
por lo tanto no se pueden esperar buenas
caractersticas de disipacin de energa en el rango
inelstico.
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Criterios de Estructuracin
3. Prticos rigidizados
Constituyen uno de los
sistemas ms eficientes para
soportar fuerzas ssmicas. Se
pueden mantener las ventajas
de la estructura a base de
prticos, obtenindose una
estructura con mucha mayor
rigidez y resistencia ante
cargas laterales
Por la extremada diferencia en rigidez que existe entre
las zonas rigidizadas y el resto de la estructura, las
fuerzas laterales se concentran en esas zonas y as se
transmiten a reas concentradas de la fundacin.
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Criterios de Estructuracin
En estos sistemas se debe evitar concentrar la rigidez en
un pequeo nmero de elementos, y procurar distribuir de
manera uniforme en la planta de la estructura el mayor
nmero posible de elementos rgidos.
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Criterios de Estructuracin
4. OTROS SISTEMAS
Separar las funciones de resistir cargas verticales por
medio de dos sistemas estructurales independientes.
DESVENTAJAS:
Alto momento de volteo en la
base del ncleo con la
consecuente transmisin de
fuerzas muy elevadas a la
fundacin
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Criterios de Estructuracin
Aprovechar las fachadas para rigidizar el edificio.
DESVENTAJA
Cuidar que las relaciones
luz/altura de vigas y
columnas no sean tan
pequeas para evitar la
falla por corte.
TUBO QUE
PROPORCIONA ALTA
RESISTENCIA Y
RIGIDEZ A CARGAS
LATERALES
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Criterios de Estructuracin
DESVENTAJA:
No es posible usualmente cumplir con el criterio columna
fuerte viga dbil, ya que la resistencia en flexocompresin de las columnas resulta crtica en el modo de falla.
TUBO QUE
PROPORCIONA ALTA
RESISTENCIA Y
RIGIDEZ A CARGAS
LATERALES
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Criterios de Estructuracin
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Edificio Nunotani.
Tokio, Japn.
El sismo como una
metfora