UNIDAD 5 Edificios sujetos a Cargas de Sismo 5.1 Introduccin El trmino carga lateral se aplica a una carga horizontal, a diferencia de una carga de gravedad que acta verticalmente hacia abajo. Las cargas laterales sobre un edificio no son raras. Pueden deberse a la presin del suelo o el agua, al empuje de nieve sobre un lado del edificio, o a circunstancias tan singulares como el frenado de un vehculo al detenerse en el piso de un estacionamiento para autos. Sin embargo, lo que interesa en esta unidad son las cargas laterales causadas por el viento.

Todos los edificios deben poseer cierta capacidad para resistir cargas laterales. Los edificios con marcos de acero o elementos de acero requieren que estos marcos o elementos proporcionen esta resistencia.; si no es as, la deben proporcionar otros elementos estructurales como muros y pisos.

Para propsitos de diseo general, se debe suponer que las cargas de viento y/o sismo pueden provenir de cualquier direccin horizontal, y que la carga de viento lateral podra crear una fuerza ascendente sobre el techo. Se acostumbra considerar solamente dos ejes en los edificios, uno transversal y otro longitudinal. Entonces, si la estructura se considera segura y adecuada en estas dos direcciones tratadas por separado, tambin se considerar segura ante cargas provenientes de cualquier direccin. Se debe agregar que las cargas laterales se aplican concurrentemente con todas las cargas muertas y aquellas otras cargas de gravedad, originando la ms desfavorable combinacin de carga. Sin embargo, las cargas ssmicas y de viento no necesitan aplicarse al mismo tiempo.

Carga de viento o sismo

(a) Transversal (b) Longitudinal

Figura 5.1 Direccin de cargas y ejes de un edificio

(c) Succin en la cubierta

Carga de viento o sismo

Viento

5.2 Fuerzas Laterales en las Estructuras 5.2.1 Fuerzas de viento El viento es aire en movimiento. El aire tiene una masa particular m y se mueve en una direccin particular y a una velocidad particular v. Por tanto, tiene energa cintica E de la forma expresada como

2

21 mvE =

Cuando el aire fluido en movimiento encuentra un objeto estacionario, tiene varios efectos que se combinan para ejercer una fuerza en el objeto. 5.2.2 Fuerzas de sismo Los sismos son en esencia vibraciones de la corteza terrestre producidas por fallas subterrneas del terreno. Ocurren varias veces al da en diversas partes de la Tierra, an cuando slo unos cuantos al ao son de suficiente magnitud como para producir daos significativos en los edificios. Los grandes terremotos ocurren con ms frecuencia en reas particulares de la Tierra que son llamadas reas de alto riesgo ssmico. Sin embargo, en teora es posible que haya un gran terremoto con cualquier parte de la Tierra en algn tiempo. Durante un sismo, la superficie de la Tierra se mueve en todas direcciones. Por lo general, los efectos ms dainos en las estructuras los causan los movimientos en la direccin paralela a la superficie del terreno (esto es, horizontalmente) debido a que las estructuras se disean de rutina para cargas de gravedad. Por tanto, para fines de diseo por lo general se considera (en funcin de la fuerza horizontal) que el efecto principal de un sismo es similar al efecto del viento. 5.2.2.1 Efectos generales de los sismos Los movimientos del terreno causados por los sismos pueden tener varios tipos de efectos dainos; algunos de los principales efectos son: Movimiento directo de las estructuras. El movimiento directo es el causado en la estructura por su contacto con el suelo. Los dos efectos principales de este movimiento son un efecto general de desestabilizacin debido a la sacudida y a la fuerza impulsora causada por la inercia de la masa de la estructura. Fallas en la superficie del terreno. Las fallas en la superficie pueden consistir en grietas, dislocamientos verticales, asentamiento general del rea, derrumbes de tierra, etc. Marejada (Tsunami). Los movimientos del terreno pueden levantar grandes olas en las superficies de los cuerpos de agua, los cuales pueden producir grandes daos en las reas costeras. Inundaciones, incendios, explosiones de gas, etc. Las fallas o los movimientos del terreno pueden causar estragos en las presas, depsitos, riberas de los ros, tuberas enterradas, etc., lo cual puede producir varias formas de desastres. An cuando todos estos posibles efectos son de cuidado, en esta unidad slo se trata el primer efecto: el movimiento directo de las estructuras. 5.2.2.2 Efectos de los sismos en los edificios En el diseo estructural el principal inters por fuerzas ssmicas se encuentra en el sistema lateralmente resistente del edificio. En la mayora de edificios el sistema consiste en alguna combinacin de elementos horizontales de distribucin (por lo general diafragmas de cubierta y pisos) y elementos de arriostre

verticales (paredes de cortante, marcos rgidos, prticos arriostrados, etc.). La falla de cualquiera de las partes de este sistema, o de las conexiones entre las partes, puede provocar un dao importante en el edificio, incluyendo la posibilidad de colapso total. Sin embargo, es bueno recordar que un sismo sacude a todo el edificio. Si el edificio tiene que permanecer completamente intacto, debe considerarse el movimiento potencial de todas sus partes. La supervivencia del sistema estructural es un logro limitado si es que se cae la plafonera, se destrozan las ventanas, se rompen las tuberas y si se descarrilan los elevadores. Importante consideracin en el diseo es el amarre global del edificio de manera que literalmente sus partes no sean separadas por las sacudidas. Con respecto a la estructura, esto significa que sus diversos elementos deben fijarse entre s. El detalle constructivo de las conexiones es parte importante del diseo estructural para la resistencia ssmica. Con excepcin del clculo y la distribucin de las cargas, el diseo por cargas laterales de sismo por lo general es similar al de las fuerzas horizontales provenientes del viento. 5.3 Estructuras Resistentes a las Cargas Laterales Los tipos generales de los sistemas lateralmente resistentes son aquellos que se tratan en los siguientes prrafos. 5.3.1 Marcos rgidos An cuando el trmino marco rgido es una denominacin inapropiada, ya que por lo general esta tcnica produce el sistema lateralmente resistente ms flexible, el trmino se refiere al empleo de juntas resistentes a momentos entre los elementos del marco (Fig. 5.2a). 5.3.2 Marcos arriostrados Marcos internamente arriostrados. El tpico ensamble de columnas y vigas no es inherentemente estable bajo carga lateral a menos que el marco se arriostre de alguna manera. Para lograr este arriostre se pueden usar paredes o muros de cortante, en cuyo caso el sistema funciona como cajn, an cuando exista un marco estructural. Sin embargo, tambin es posible usar miembros diagonales, contraventeo en X, esquineros, puntales, etc., para lograr la estabilidad necesaria del marco rectangular. Por lo general, el trmino marco arriostrado se refiere a estas tcnicas (Fig. 5.2b). Marcos contraventeados exteriormente. El uso de cables, puntales, contrafuertes, etc., los cuales se aplican exteriormente a la estructura o al edificio, produce marcos contraventeados exteriormente (Fig. 5.2c). 5.3.3 Diafragmas El sistema cajn o a base de paneles por lo general consiste en alguna combinacin de elementos planos horizontales y verticales. En realidad, la mayora de los edificios usan diafragmas horizontales, debido simplemente a que la existencia de las cubiertas y los pisos los hacen una consecuencia natural (Fig. 5.2d). Los otros tipos de sistemas consisten en general en variaciones de los elementos verticales de arriostre. Una excepcin la constituye una estructura de cubierta que debe ser arriostrada mediante armaduras u otros medios cuando exista una gran cantidad de aberturas de techo o una superficie de cubierta con poca o ninguna resistencia de diafragma. Otros sistemas. Muros de contencin, astas de banderas, pirmides, trpodes, etc., en los cuales la estabilidad se logra por la forma bsica de la estructura, son ejemplos de elementos y sistemas autoportantes (Fig. 5.2e).

(b) Marcos contraventeados internamente

(a) Marcos rgidos

(c) Marco contraventeado externamente

Fig. 5.2 Tipos de sistemas con resistencia lateral

(d) Cajn

(e) Estructuras autoestables

Referencias Ambrose, J. y Vergun, D., Diseo Simplificado de Edificios para Cargas de Viento y Sismo, LIMUSA, Mxico, D. F., 1986. Crawley, S. W. y Dillon, R. M., Estructuras de Acero. Anlisis y Diseo, LIMUSA, Mxico, D. F., 1992.