Conceptos Básicos del diseño sismoresistente configuración Estructural

By Ing. Luis Colmenarez
conceptos basicos sobre el diseño sismoresistente

A continuación aprenderás los conceptos mas importantes y relevantes para saber en que consiste un buen diseño sismoresistente de una estructura.

Configuración Estructural

  • Se refiere a la colocación de los diferentes elementos estructurales en planta y elevación
  • Importancia del paso de las cargas a las fundaciones
  • Combinación adecuada de elementos estructurales
  • Se inicia con las formas que diseñamos para los edificios
  • Nos indica la conveniencia de lograr estas formas con figuras regulares
  • De ella depende en gran medida la respuesta de un edificio ante un sismo

Columna corta

Uno de los problemas más comunes de configuración estructural es el conocido efecto de columna corta, que se caracteriza porque la columna no está cautiva por los tabiques de relleno en toda su altura, usualmente para permitir una ventana en la parte alta del tabique. Dicha columna tiende a fallar en forma frágil al ser sometida a esfuerzos cortantes excesivos que se generan por estar impedida su deformación hasta la altura de los tabiques. Una mayor rigidez lateral de una columna implica mayor resistencia a la deformación, por tanto mientras mayor es la rigidez, mayor será la fuerza necesaria para deformarla. Si una columna corta no está diseñada adecuadamente para resistir esta fuerza, va a sufrir daño durante el evento telúrico.

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Amortiguamiento Estructural (ideal para diseño sismoresistente)

El efecto del amortiguamiento estructural es importante para estructuras lineales y una excitación cercana a su periodo fundamental, pues limita la respuesta máxima a la inversa del amortiguamiento. Para sistemas inelásticos y en comparación con el efecto de la ductilidad o con el coeficiente de resistencia, la influencia del amortiguamiento estructural en la respuesta de la estructura no es significativa.

La importancia del aspecto conceptual en el diseño sismoresistente

  • En la estructuración de edificaciones sismorresistentes, debe prevalecer el aspecto conceptual sobre las formulaciones matemáticas y el análisis numérico.
  • La percepción intuitiva del comportamiento sísmico de las edificaciones es fundamental para poder concebir una estructura capaz de resistir las solicitaciones impuestas por la violenta sacudida del terreno.
  • En regiones expuestas al riego sísmico, olvidar el aspecto conceptual y el detalle constructivo puede tener consecuencias importantes.

El análisis y el calculó numérico son solo instrumentos para comprobar si la forma arquitectónica concebida y el sistema resistente adoptado son adecuados para la función a que se destinan y para resistir las cargas impuestas.

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Vulnerabilidad sísmica

Grado de susceptibilidad de una o un grupo de edificaciones a sufrir daños parciales o totales por la ocurrencia de movimientos sísmicos de una intensidad y magnitud dadas, en un periodo de tiempo y en un sitio determinado.

  • Vulnerabilidad física: (se refiere al nivel de daño),

 Vulnerabilidad estructural: soportan cargas, (vigas columnas)
 Vulnerabilidad No estructural: no soportan cargas, paredes

  • Vulnerabilidad funcional: (Hospitales, bomberos, etc.) En situaciones de emergencia o crisis sísmicas, las edificaciones esenciales se caracterizan por presentar un incremento abrupto en la demanda de sus servicios, mientras que la capacidad de prestar dichos servicios puede haber decrecido como consecuencia del impacto del sismo, creando una situación crítica, caracterizada por un incremento brusco del riesgo asociado que puede inclusive llevar a un colapso funcional.

Tres principios básicos importantes en el diseño sismoresistente

  • El edificio y su estructura deben ser lo más liviano posible: las fuerzas de F = M X A inercia que originan las solicitaciones sísmicas son más elevadas mientras más masa tiene el edificio.
  • Edificaciones suficientemente rígidas y con suficiente ductilidad: Las normas sismorresistentes reflejan en el valor permitido de la DERIVA de un edificio, toda su nueva filosofía, que es la de lograr edificaciones cada vez más rígidas.
  • Edificaciones más sencillas y simétricas tanto en planta como en altura: Cuanto más sencillas, simétricas y rectilíneas sean las soluciones, mayor será también el grado de confiabilidad de las estructuras en que vivimos y trabajamos cuando sean castigadas por movimientos sísmicos.

Configuración y forma estructural sana y adecuada para alcanzar un buen diseño sismoresistente

No existe una forma estructural ideal, pero si existen ciertos principios básicos que pueden guiar un buen desempeño, en cuando a su configuración:

  • Forma simple.
  • Simetría en planta.
  • Uniformidad en altura.
  • Uniformidad en distribución de masas, rigideces y resistencia.
  • Esbeltez limitada.
  • Forma no muy elongada.

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Cualidades de un buen diseño sismorresistente

  • Una configuración estructural adecuada y buena disposición de la tabiquería.
  • Selección adecuada del modelo matemático y del procedimiento de análisis que conduzcan a solicitaciones realistas y evidencien las zonas críticas de la estructura.
  • Dimensionamiento y detallado que suministre a la estructura suficiente capacidad de absorción y disipación de energía.
  • Sistema de fundaciones que garantice una transmisión eficaz de las solicitaciones al terreno y estabilidad general. (la fuerza se transmita lo más rápido hacia el suelo)
  • Materiales de primera calidad, ejecución satisfactoria, debidamente controlada por una inspección honesta e inteligente.

¿Cómo responderá una estructura ante un terremoto?

  • Desplazamientos horizontales: La naturaleza del movimiento del suelo que afecta a las edificaciones es predominantemente horizontal. Las fuerzas horizontales generadas hacen mover cada una de las partes de la edificación de un lado hacia otro, desplazándolas horizontalmente de su posición original unos con relación a los otros.
  • Desplazamientos verticales: Los edificios están básicamente diseñados para resistir los efectos verticales de la fuerza de la gravedad. Sin embargo, la componente vertical del movimiento sísmico aumenta y disminuye los efectos de la fuerza de la gravedad, produciendo tensiones que no estaban previstas y hasta el desplazamiento vertical del edificio de sus bases.
  • Efectos torsionales: La torsión es una de las principales causantes de daños por los sismos en las edificaciones y se deben, generalmente, al desequilibrio en la distribución de rigideces en la edificación.

Los efectos torsionales sobre las edificaciones dependen fundamentalmente de las distribuciones de masa y de rigidez en sus plantas o entrepisos. Las estructuras pueden clasificarse en simétricas, cuando coinciden las posiciones de los centros de masa (C.M.) y de rigidez (C.R.) de las plantas, y asimétricas cuando no coinciden.

Simetría

Propiedad geométrica de la configuración del edificio.

  • Simetría geométrica respecto a uno o dos ejes en planta.
  • Simetría geométrica en elevación.
plantas simetricas diseño sismoresistente

Simetría estructural

Cuando el centro de masa y el centro de rigidez coinciden en la planta. La simetría no es solo conveniente en la forma del edificio sino también a la distribución de la estructura. A medida que más simétrico es el edificio, disminuyen el riesgo de concentración de esfuerzos, el momento torsor en planta y el comportamiento de la estructura es más predecible.

Asimetría

La falta de simetría tiende a producir excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez y, por lo tanto, provocará torsión en planta. La asimetría tiende a concentrar esfuerzos, el ejemplo más común es el caso de las esquinas interiores. Aunque un edificio simétrico puede tener esquinas interiores como es el caso de las plantas en cruz. En este caso la planta del edificio es simétrica pero no es una planta regular. La experiencia de edificios con daños severos en terremotos mostró casos en que la asimetría estructural fue la causa del daño severo o el colapso de la estructura.

Asimetría Estructural diseño sismoresistente
Asimetría estructural

Falsa simetría

Es la ubicación de los núcleos de circulación vertical: escaleras, ascensores y rampas. Este caso se da generalmente en los edificios de oficina, en donde las plantas típicas son rectangulares y se dejan totalmente libres de tabiquería fija .Si no se compensan las rigideces, puede producirse un desplazamiento del centro de rigideces con relación al centro de masa, lo que generará torsiones.

falsa simetría estructural diseño sismoresistente
Falsa simetría Estructural

¿Porque gira un edificio?

  • Ambos se mueven (adelante y atrás) cuando son impulsados por fuerzas que actúan horizontalmente. El columpio está sostenido desde arriba y el edificio está empotrado en el terreno.
  • Si los miembros verticales son uniformes en planta, una masa colocada hacia un lado crea un giro
  • Columpio con cuerdas desiguales (o distintas rigidez) (Edificación sobre terreno en pendiente) Eje vertical respecto al cual se produce el giro
  • Edificación con un piso blando en un vano.

Dos enfoques de diseño sismoresistente estructural

  • Columnas Fuertes Vigas débiles
  • Columna débiles Vigas Fuertes

Por lo tanto en el diseño sismoresistente de pórticos como los elementos a flexión, es decir las vigas, son capaces de desarrollar mayores ductilidades que las columna, se emplea el diseños de Columnas Fuertes Vigas débiles, que significa diseñar la estructura para la formación de las articulaciones plásticas sea en las vigas y no en las columnas.

En el diseño sismoresistente las plantas simples suelen comportarse bien

Configuración estructural la forma simple suele ser más eficiente y más económica a la hora de un sismo, todas aquellas estructuras formas elaboradas con salientes requiere métodos y cuidado mayor, ya se tienen un comportamiento más desfavorable, sin implicar que se vallan a caer

Para prevenir grandes fuerzas torsionales que son muy difíciles de evaluar con propiedad, se deben evitar las plantas en forma de U, H, L, T, con esquinas, entrantes o demasiado alargadas.

Plantas simples y en forma de L, U, ó T recomendadas para el diseño sismoresistente
Plantas simples y en forma de L, U, ó T