Estructuracion

PRINCIPIOS DE ESTRUCTURACIN

Prof. Orlando Ramrez Boscn

Mrida, octubre 2008

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS

PROYECTOS ESTRUCTURALES

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.

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



La configuracin estructural queda en buena parte definida en el proyecto arquitectnico.

RESPONSABLE DEL PROYECTO

ARQUITECTNICO

RESPONSABLE DEL PROYECTO

ESTRUCTURALINTERACCIN

Necesidades mnimas de:

Rigidez

Resistencia

Regularidad

Consecuencias que tienen algunas decisiones arquitectnicas en el comportamiento estructural


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.

Criterios de EstructuracinCARACTERSTICAS 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.


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


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.

Criterios de Estructuracinb. 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

GEOMETRIA IRREGULAR

A/L > 0.15 0.20 A/L > 0.15 0.20

A/L > 0.15 0.20

AL

A


IRREGULARIDAD TORSIONAL



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

Criterios de EstructuracinHay 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


SOLUCIONES PARA PLANTAS CON ALAS

Criterios de EstructuracinSe 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


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.


Debe evitarse alguna de las siguientes situaciones:


En caso de no ser posible, se debe adoptar alguno de estas soluciones:


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.


Plantas con Esquinas Entrantes

Irregularidad de Esquina Entrante


Plantas con Esquinas Entrantes

Posibles Soluciones

Criterios de EstructuracinDeben evitarse las discontinuidades del diafragma

Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.


SISTEMAS ESTRUCTURALES NO

PARALELOS


Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.

Missouri's South Central CorrectionalCenter

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.


Sistemas Resistentes No Paralelos

Torsin e Inestabilidad. Dao localizado.

Desplazamientos Fuera del Plano. Muros Discontinuos.

Mecanismos de colapso en circunstancias extremas.


Criterios de Estructuracinc. 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.


POSIBLES SOLUCIONES


La esbeltez excesiva de la construccin puede provocar problemas de volteo, de inestabilidad

(efecto P-) 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


Apartamentos Pino Suarez. Ciudad de Mxico. 1985


PORTICOS MUROS

CAMBIOS BRUSCOS EN RIGIDECES Y/O RESISTENCIAS


GRANDES MASAS

CONCENTRACIONES DE MASAS


CAMBIOS BRUSCOS EN GEOMETRIA

A/L > 0.25 A/L > 0.15 A/L > 0.10

A A A

A AL L L


Terremoto de Kobe, Japn, 1995


MURO

ARRIOSTRAMIENTO

DISCONTINUIDADES

DISCONTINUIDADES VERTICALES


PISO DEBIL

DISCONTINUIDADES EN CAPACIDAD


Hospital Olive View. Terremoto de San Fernando,

1971


Tres Casos de Primer Piso Suave

Soluciones Conceptuales para el

Primer Piso Suave


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



Irregularidad Vertical en el Plano


Discontinuidad en Capacidad. Piso Dbil

Mecanismo de colaso en circunstancias extremas.

Criterios de Estructuracind. 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.

GOLPETEO ENTRE EDIFICACIONES

EXISTENTES

EFECTO DE GOLPETEO ENTRE ESTRUCTURAS ADYACENTES

REQUISITOS BASICOS DE ESTRUCTURACIN


1.El edificio debe poseer una configuracin de elementos estructurales que le confiera resistenciay rigidez a cargas laterales en cualquier direccin. Se debe proporcionar sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales.


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 torsionalesque 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


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


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.

Criterios de Estructuracinb. 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.

Criterios de Estructuracinb. Prtico rigidizado


c. Estructura tipo cajn

De paredes o muros de carga, est formada por paneles verticales y horizontales conectados para proporcionar continuidad.

Criterios de EstructuracinOptimizacin de la Configuracin Estructural

Comportamiento Ssmico Optimo


Atributos de la Estructura

9 Ruta Contina de Carga: Carga uniforme de los elementos estructurales, sin concentracin de esfuerzos.

9 Relacin Altura/Base baja: Minimiza la tendencia al volteo.9 Alturas de Entrepiso iguales: Iguala las rigideces de las columnas o

muros. No existe concentracin de esfuerzos.

9 Planta Simtrica: Minimiza la torsin.9 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.

9 Resistencia Vertical Idntica: No existen concentraciones de rigidez o debilidades.

9 Luces Cortas: Bajo esfuerzo unitario en miembros. Mltiples columnas proporcionan redundancia. Las cargas se pueden redistribuir si algunas columnas fallan.


Atributos de la Estructura

9 Elementos Sismorresistentes en el Permetro: Mxima Resistencia Torsional.

9 Ausencia de Voladizos: Reduce la vulnerabilidad ante aceleraciones verticales.

9 Sin Aberturas en Diafragmas (Entrepisos y Techo): Asegura la transferencia directa de las fuerzas laterales a los elementos resistentes.

Criterios de EstructuracinREQUISITOS 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 direccinLosa con vigas en una sola direccin


SOLUCIONES:

Colocar muros o arriostramientosen la direccin

transversal

Colocar muros en dos direcciones


La planta debe estructurarse lo ms simtrica posible, para tratar de evitar grandes excentricidades que

produzca vibracin torsional del edificio.


Via del Mar, Chile. 1985

Criterios de EstructuracinFALSA SIMETRA EN PLANTA

Criterios de EstructuracinFALSA SIMETRA EN PLANTA

Posibles Soluciones


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


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.

Criterios de EstructuracinSe debe mantener la continuidad del sistema

estructural en elevacin


Los elementos no estructurales deben tener una distribucin uniforme en elevacin para no crear pisos blandos.

EVITAR PLANTAS BAJAS LIBRES

MECANISMO DE COLAPSO


Se deben evitar discontinuidades de los elementos estructurales tanto en planta como en elevacin para evitar altas concentraciones de esfuerzos de corte y

torsin.


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.


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

EDIFICIO PALACE CORVIN. TERREMOTO DE CARACAS, 1967.

SEMISTANOS

ESTRUCTURAS CON NIVELES

ESTRUCTURAS EN PENDIENTE

Criterios de EstructuracinNo 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.

Criterios de EstructuracinVENTAJAS 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 mecanismosde 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.


MECANISMOS DE DEFORMACIN INELASTICA DE VIGA DEBIL COLUMNA

FUERTE


Estructura de Estacionamiento. Los ngeles. Terremoto de Wittier-Narrows, 1987


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.

Criterios de Estructuracin2. 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.


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.

Criterios de EstructuracinEn 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.


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

Criterios de EstructuracinAprovechar 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


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

Edificio Nunotani. Tokio, Japn.

El sismo como una metfora

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