Universidad Politcnica de El SalvadorFacultad de Ingeniera y Arquitectura

Ctedra:Sismologa e Ingeniera Ssmica

Catedrtico:Ing. Ricardo Ernesto Flores Scotto

Tarea:Resumen del Captulo 5: Criterios de Estructuracin

IntegrantesNombreNmero de Carnet

Remberto Adonay Villanueva BerriosVB200401

Criterios de Estructuracin1.1 Importancia de la configuracin estructural en el comportamiento ssmico.Con frecuencia en la prctica que la mayor parte del tiempo que se dedica al diseo estructural de un edificio se invierta en los procesos de anlisis y dimensionamiento y que se examinen solo con brevedad los aspectos de diseo conceptual y de estructuracin desde el punto de vista del diseo ssmico esta costumbre es particularmente peligrosa puesto que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte satisfactoriamente ante sismos por mucho que se refinen los procedimientos de anlisis y dimensionamiento. Por el contrario la experiencia obtenida en varios temblores 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 rigorosamente los reglamentos.

Figura 1.1 Esquematizacin de la tecnologa apropiada para un edificio antissmicoEs evidente que la configuracin estructural queda en buena parte definida por el proyecto arquitectnico es por ello que en esta etapa es esencial la interaccin entre el responsable del proyecto arquitectnico y el del proyecto estructural el segundo debe hacer consciente al primero de las necesidades mnimas de rigidez resistencia y regularidad que requiere la estructura y de las consecuencias que tienen algunas decisiones arquitectnicas en el comportamiento estructural.Los lineamientos establecidos para la configuracin estructural no constituyen en general requisitos tajantes. No obstante en lo posible se debe evitar salir de los lmites recomendados de no ser as el edificio debe ser materia de anlisis ms refinados que los usuales para tomar en cuenta los efectos desfavorables de la forma o configuracin especial de la estructura se encontrara que en ciertos casos el mismo anlisis indicara la inconveniencia del sistema adoptado y la necesidad de cambiarlo.

1.2 Caractersticas relevantes del edificio para el comportamiento ssmico.1.2.1 Criterio respecto al peso.Se sabe que las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa y en consecuencia al peso del edificio debe procurarse que este sea lo ms ligero posible una parte importante del peso de la construccin proviene de los revestimientos y de los elementos divisorios no estructurales es all donde ms fcilmente se pueden lograr reducciones.

Figura 2. Edificio expuesto a cargas en su nivel superior que repercuten un aumento de la inestabilidad de su configuracin.

Considerando que las aceleraciones introducidas en el edificio crecen con la altura es importante evitar masas excesivas en las partes altas del edificio as en el proyecto arquitectnico conviene ubicar en los pisos bajos las reas donde se prevn mayores concentraciones de pesos y evitar los apndices pesados en la punta del edificio.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.

Figura 3. Se puede apreciar otra mala ubicacin de cargas en la parte superior de un edificio que repercuten en su forma de actuar ante un sismo.

Hay que tratar que el peso del edificio este distribuido simtricamente en la planta de cada piso una posicin fuertemente asimtrica generara vibraciones torsionales. Es importante observar que en voladizos o en vigas que tengan claros muy largos la vibracin vertical produce fuerzas de inercia verticales que se suman a la de la gravedad y que convienen reducir al mnimo por ello hay que evitar masas excesivas en estos elementos.

1.2.2 Criterio de forma del edificio en planta

Algunos aspectos de la forma en planta del edificio propician una respuesta ssmica poco conveniente y deben evitarse entre estos aspectos lo principal es la asimetra de la planta la que tiende a provocar vibraciones torsionales del edificio por ello deben evitarse formas no simtricas o con amplios espectros de fallas.Una forma de remediar problemas de la asimetra de la planta es mediante elementos estructurales exteriores que liguen las distintas partes del edificio y que lo vuelvan ms simtrico.Otro aspecto que hay que evitar en la planta del edificio es la presencia de alas muy largas. Esto tiende a producir que las alas vibren en direcciones diferentes con lo que se producen fuertes concentraciones de solicitaciones en las esquinas interiores de la planta. Para remediar estos problemas puede recurrirse nuevamente a la subdivisin de la planta en cuerpos independientes y cortos o debe proporcionarse gran rigidez a los extremos de las alas y reforzar cuidadosamente las esquinar interiores de los elementos.

Figura 4. Posible solucin a una estructura irregular

Tambin es recomendable procurar que las plantas no sean muy alargadas mientras mayor es la longitud del edificio mayor es la probabilidad de que acten sobre su base movimientos que difieran en un extremo y otro de la planta, pero 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. En la mayora de las recomendaciones sobre la correcta configuracin de los edificios se desaconsejan las plantas con esquinas entrantes, el problema no es muy grave a menos que las alas sean muy largas pero como principio debe buscarse siempre que la planta sea lo ms compacta posible para evitar las concentraciones de esfuerzos en las esquinas entrantes.

Figura 5. Vista en planta de estructuras favorables y desfavorables as como su correccin.

1.2.3 Criterio respecto a la 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 ciertos pisos o amplificaciones de la vibracin en las partes superiores del edificio.

Figura 6. Formar complejas en elevacin, muchas veces estas no resultan factibles de ejecutar por tener problemas de estructuracin.Particularmente crticas son las reducciones bruscas en la parte superior del edificio donde el cambio drstico de rigidez tiende a producir el fenmeno de chicoteo con una gran amplificacin de vibracin en la punta discontinuidades de este tipo se presentan en los edificios tipo plaza y torre que cuentan con una base de grandes dimensiones y una torre elevada. La discontinuidad en elevacin es aqu menos grande porque se produce en pisos donde todava los desplazamientos laterales son reducidos.

La esbeltez excesiva de la construccin pude provocar problemas de cargas elevadas a la cimentacin y al subsuelo, adems se vuelven importantes los efectos de los modos superiores de vibracin todos estos problemas se pueden manejar mediante anlisis dinmicos refinados de la estructura y cuidando de proporcionar una elevada rigidez lateral en la direccin ms esbelta del edificio y de recurrir a una cimentacin rgida. Sin embargo conviene mantener lo ms compacta posible la forma del edificio en elevacin.La mayora de las recomendaciones de estructuracin aconsejan que la relacin de esbeltez sea menor de cuatro.

Figura 7. El Taipei 101 es un edificio que cuenta con 106 plantas (5 pisos subterrneos y 101 por encima del nivel del suelo), ubicado en Taipi (Taiwn). La aguja que corona sus 529 metros de altura lo converta en el edificio rascacielos ms alto del mundo, superando por 56 metros a las Torres Petronas de Kuala Lumpur (Malasia). Sin embargo, el 21 de julio de 2007 fue superado en altura por el Burj Khalifa.1.2.4 Criterio de separacin entre edificios adyacentes.Al ubicar la posicin exacta del edificio dentro del terreno correspondiente es importante guardar una separacin que sea suficiente con respecto a edificios adyacentes para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo. El dao puede ser particularmente grave cuando los pisos de los cuerpos 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.Diversas recomendaciones proponen una separacin mnima entre edificios de un centsimo de la altura del punto ms alto de posible contacto. Pero el problema se vuelve crtico para edificios existentes que han mostrado ya tener problemas de choques. Se puede en estos casos rigidizar los edificios para limitar sus movimientos laterales ligarlos para que vibren en fase o colocar entre ellos dispositivos que amortigen el impacto.

Figura 8. Separacin recomendable entre edificios

1.3 Requisitos bsicos de estructuracin.En trminos generales podemos establecer los cuatro requisitos siguientes para el sistema estructural de edificios en zonas ssmicas:a) El edificio debe poseer una configuracin de elementos estructurales que le confiera resistencia y rigidez a cargas laterales en cualquier direccin.Esto se logra generalmente proporcionando sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales.

Figura 9. Distintas configuraciones para aportacin de rigidezb) La configuracin de los elementos estructurales debe permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas ssmicas desde el punto en que estas se generan, sea de todo punto donde haya una masa que produzca fuerzas de inercia hasta el terreno.c) Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones las concentraciones de solicitaciones y las vibraciones torsionales que pueden producirse por la distribucin irregular de masas o rigideces en planta o en elevacin. Para tal fin conviene que al estructura sea lo ms posible: Sencilla Regular Simtrica Continuad) Los sistemas estructurales deben disponer de redundancia y de capacidad de deformacin inelstica que les permitan disipar la energa introducida por sismos en excepcional intensidad mediante elevado amortiguamiento inelstico y sin la presencia de fallas frgiles locales y globales.

1.4 Requisitos especficos de estructuracin.El primer requisito bsico expuesto en la seccin anterior es que 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 dos ejemplos frecuentes usados en zonas no ssmicas y que no cumplen con el requisito anterior son los que se describen a continuacin:El edificio de la figura tiene marcos en una sola direccin ya que el sistema de poso es a base de una losa trabajando en una sola direccin en la que no existen vigas el edificio adolece obviamente de falta de resistencia lateral en la direccin transversal.Para remediar esta situacin pueden colocarse muros o contravientos en la direccin transversal o formar marcos tambin en dicha direccin.Un edificio a base de muros de carga tiene la mayora de paredes alineadas en una sola direccin por lo que en la otra su resistencia a cargas laterales es mnima si se trata de una estructura de concreto podr contarse con cierta resistencia a carga lateral mediante la accin de marco entre la losa y los muros en caso de que hubiese la continuidad necesaria en la conexin losa-muro y de que se reforzaran los muros para resistir los momentos flexionantes. El sistema es poco eficiente la solucin lgica es disponer de una longitud adecuada de muros alineados en las dos direcciones.Con respecto al sistema de simetra del sistema estructural el propsito es limitar al mnimo la vibracin torsional del edificio la cual introducira solicitaciones adicionales y significativas en la estructura. Aunque estas solicitaciones se pueden calcular con los procedimientos especificados por las normas es conveniente que la distribucin de elementos resistentes sea tal que se reduzca al mnimo la excentricidad entre el centro de masas y el de torsin.Con respecto al problema de la vibracin torsional debe evitarse que se presenten excentricidades no solo cuando la estructura responde en su intervalo lineal sino tambin cuando algunos de sus elementos responden no linealmente.El siguiente aspecto que se debe cuidar es la continuidad en elevacin del sistema estructural. Los cambios bruscos de rigidez y resistencia con la altura llevan a diversos problemas, uno de ellos es la interrupcin de elementos muy rgidos a partir de cierta altura produce una concentracin de solicitaciones en el piso mediante inmediatamente superior a la interrupcin es deseable una disminucin ms gradual. Un efecto similar aunque menos grave se produce cuando la seccin de las columnas se reduce drsticamente en los pisos superiores cuando la altura del entrepiso vara significativamente entre uno y otro nivel.La causa ms frecuente de irregularidad en elevacin del sistema estructural es aquella que se denomina de planta baja dbil Por las necesidades de su uso en a planta baja de edificios se requieren frecuentemente grandes espacios libres por lo que se opta por eliminar en ese nivel los muros de rigidez y de relleno y los contravientos. Esto produce por una parte una discontinuidad marcada en rigideces pero sobre todo un piso ms dbil que el resto en el que se concentrara, en caso de un sismo de gran intensidad la disipacin inelstica de energa en dicha disipacin no participaran los pisos superiores que permanecern esencialmente en su intervalo elstico-lineal de comportamiento. Esta situacin debe evitarse con particular atencin ya que debido a las altas cargas axiales no se puede contar mucha ductilidad y se acentuaran los efectos de segundo orden.No es conveniente que la configuracin estructural presente vigas con relaciones claro a peralte muy distintas en que las fuerzas se concentran en las crujas con las vigas ms cortas. Por otra parte conviene evitar que la relacin claro a peralta de las vigas sea pequea para que no prevalezcan los efectos de cortante sobre los de flexin.

1.5 Ventajas y limitaciones de los sistemas estructurales bsicos.Las ventajas, limitaciones y campo de aplicacin de los principales sistemas estructurales se abordan desde el punto de vista de los atributos bsicos que la estructura debe poseer para un buen desempeo en zonas ssmicas los cuales son: resistencia y rigidez a cargas laterales y capacidad de disipacin de energa mediante deformaciones inelsticas.1.5.1 Marcos rgidosEl marco tridimensional es un sistema muy conveniente por la gran libertad que permite en el uso del espacio interno del edificio y por la poca obstruccin que las secciones relativamente pequeas de las columnas imponen al uso de las reas habitables. Desde el punto de vista ssmico 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 para cada material estructural. Dichos requisitos adems de procurar la mayor ductilidad posible de cada elemento estructural tienden a que se proporcionen a estos resistencias relativas tales que se desarrollen mecanismos de falla que se pretende propiciar mediante dichos requisitos es el llamado de viga dbil-columna fuerte Dado que el comportamiento ante cargas laterales de un marco esta rgido por las deformaciones de flexin de sus vigas y columnas el sistema presenta una resistencia y rigidez a cargas laterales relativamente bajas a menos que las secciones transversales de estos elementos sean extraordinariamente robustas. Los edificios a base de marcos resultan en general considerablemente flexibles y en ellos se vuelve crtico el problema de mantener los desplazamientos laterales dentro de los lmites prescritos por las normas.

Figura 10. Estructura que implementa el uso de marcos rgidos

La alta flexibilidad de los edificios a base de marcos da lugar a que su periodo fundamental resulte en general largo. Esto es favorable cuando el espectro de diseo tiene ordenadas que se reducen fuertemente para periodos largos como el que es tpico de edificios desplantados en terreno firme. Por otra parte llega a ser desfavorable cuando hay que disear para espectros de diseo cuyas ordenadas crecen para periodos largos. Aun en el primer caso resulta difcil cumplir con los requisitos de limitacin de desplazamientos en edificios de gran altura por lo que el campo de aplicacin de los edificios estructurados a base exclusivamente de marcos se limita a edificios de altura baja o mediana a menos que se recurra a marcos especiales particularmente robustos.1.5.2 Sistemas tipo cajnEl arreglo tridimensional de muros de carga poco separados que caracteriza este sistema estructural da lugar a edificios con gran rigidez y resistencia a cargas laterales. Las proporciones de los muros son en general tales que domina la falla por cortante sobre la de flexin y por tanto no se pueden esperar buenas caractersticas de disipacin de energa en campo inelstico. Aunque es factible para edificios de mediana altura dimensionar los muros para que rija en ellos la falla pro flexin, resulta normalmente ms ventajoso aprovechar la gran capacidad de carga de estos elementos y disear para fuerzas laterales elevadas que no consideran reducciones importantes por comportamiento inelstico.El campo de concentracin de estos sistemas se concentra en edificios de altura baja o mediana no por limitaciones estructurales sino porque en edificios altos es difcil mantener en todos los pisos una misma distribucin del espacio en reas pequeas uniformes como el sistema requiere.1.5.3 Marcos rigidizadosLas muchas variantes que existen de marcos rigidizados con contravientos o con muros constituyen uno de los sistemas ms eficientes para resistir fuerzas ssmicas. Mediante una atinada distribucin de elementos rigidizantes es posible mantener las ventajas de la estructura a base de marcos en lo relativo a libertad del uso del espacio y a ductilidad a la vez que se obtiene una estructura con mucha mayor rigidez y resistencia ante cargas laterales.Sin embargo deben cuidarse algunos aspectos que pueden hacer que el comportamiento ssmico de estos sistemas sea inadecuado por la extrema diferencia en rigidez que existe entre las zonas rigidizadas y el resto de la estructura las fuerzas laterales se concentran en dichas zonas y as se transmiten a reas concentradas de la cimentacin. Pueden producirse adems solicitaciones excesivas en los elementos que conectan al resto de la estructura con las zonas rigidizadas. Cualquier irregularidad de los elementos rgidos en elevacin implica la transmisin de fuerzas muy elevadas. Particularmente critica resulta la transmisin de las fuerzas a la cimentacin, especialmente en estructuras desplantadas en suelos compresibles.1.5.4 Otros sistemasExiste una gran variedad de combinaciones de los sistemas estructurales bsicos que pueden emplearse con xito en zonas ssmicas. Se mencionaran algunos con referencia principalmente a edificios altos.Buscando mantener la mayor parte de la planta del edificio relativamente abierta y con poca obstruccin por columnas y muros ha tenido mucha aceptacin en la estructuracin de edificios altos el concepto de separar las funciones de resistir las cargas verticales y horizontales en dos sistemas estructurales independientes. As mientras en la mayor parte de la planta los elementos estructurales son muy flexibles y absorben solo una parte pequea de las fuerzas laterales. Los sistemas rgidos pueden ser ubicados en grandes ncleos centrales asociados a los servicios de escaleras y elevadores.

1.6 Sistemas de piso y techo diafragmas horizontalesCuando se trata la estructuracin de edificios en zonas ssmicas la atencin se centra en los elementos verticales as como en los elementos horizontales que los acoplan restringiendo sus rotaciones y proporcionndoles rigidez a cargas laterales otros elementos que cumplen una funcin importante para la resistencia ssmica son las losas y los sistemas de piso y techo en general que son los que distribuyen las fuerzas horizontales que se generan por efectos de inercia entre los elementos verticales resistentes.En los mtodos de anlisis ssmicos comnmente adoptados se da por sentado que los sistemas de piso y techo constituyen diafragmas horizontales infinitamente rgidos y capaces de realizar dicha distribucin de fuerzas sin deformarse. Esta hiptesis es generalmente valida ya que los sistemas usuales de losas de concreto poseen alta rigidez para fuerzas en su plano. No siempre es as sin embargo hay estructuras que carecen de sistemas de piso en alguno o en todos sus niveles o en las que existen grandes huecos que reducen drsticamente la rigidez. Existen sistemas de piso que tienen muy baja rigidez para fuerzas en su plano como son los que estn formados por vigas en na direccin con una cubierta de lmina delgada o los que son a base de placas prefabricadas adosadas.La falta de diafragmas horizontales rgidos produce diversos problemas como los siguientes:a) Las fuerzas de inercia y las cortantes de entrepiso no se distribuyen entre los distintos elementos resistentes en forma proporcional a la rigidez de estos. En general cada sistema vertical resistente recibe las fuerzas que se generan en su rea tributaria.b) En sistemas a base de muros de carga las fuerzas de inercia pueden producir empujes sobre los elementos perpendiculares a la direccin de las fuerzas ssmicas estos quedan sujetos a fuerzas normales a su plano para las cuales tienen escasa resistencia.c) La ausencia de un diafragma de piso rgido puede ocasionar la distorsin de la estructura en planta e invalidar la hiptesis de que las fuerzas ssmicas actuantes en cualquier direccin pueden descomponerse en fuerzas aplicadas sobre los sistemas ortogonales resistentes de la estructura.Para evitar los problemas anteriores es recomendable formar diafragmas horizontales en cada nivel en los sistemas de piso o techo que no sean en forma natural deben colocarse elementos rigidizantes como contravientos horizontales sobre vigas paralelas o firmes de concreto armados sobre elementos precolados. Cuando no sea factible lograr efecto de diafragma debern emplearse mtodos de anlisis que tengan en cuenta las deformaciones en su plano de los elementos de piso.1.7 CimentacionesEl cometido de una cimentacin durante un sismo es proporcionar al edificio una base rgida capaz de transmitir adecuadamente las acciones que se producen por la interaccin entre el movimiento del suelo y el de la estructura sin que se generen fallas o deformaciones excesivas en el suelo de apoyo.Cuando es factible elegir el sitio donde se ubicara la edificacin es preferible un lugar de terreno firme, libre de problemas de las amplificaciones locales del movimiento del terreno que pueden presentarse en un suelo blando y de los asentamientos excesivos y prdida de capacidad de apoyo que pueden ocurrir por la licuacin de algunas reas poco compactas.Si el edificio ha de ubicarse en un sitio con estratos importantes de terreno blando es preferible buscar apoyo de la estructura en estratos firmes mediante cimentaciones profundas. Se eliminan as las traslaciones y rotaciones importantes de la base del edificio que incrementan sus desplazamientos laterales. Cuando esto no se factible deber considerarse la interaccin suelo-estructura. En general para la eleccin del tipo de cimentacin es deseable seguir los mismos lineamientos que se han recomendado para escoger la forma de la superestructura tales como simetra regularidad y distribucin uniforme por las mismas razones que entonces se expresaron. As por ejemplo debe evitarse al mximo combinar sistemas de cimentacin superficiales y profundos se procurara que las cargas verticales se distribuyan simtricamente que los momentos de volteo no sean excesivos y que la estructura no sea muy alargada en planta.Otro principio general que debe seguirse es buscar que la cimentacin tenga una accin de conjunto que limite en lo posible los desplazamientos diferenciales horizontales y verticales entre los distintos apoyos.