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Criterios de
estructuración
5.1 MPORTANCIA DE LA CONFIGURACIÓI N
ESTRUCTURAL EN EL
COMPORTAMIENTO SÍSMICO
Es frecuente en la práctica que la mayor parte del tiempo que se dedica al diseño estructural de un edificio se invierta en los procesos de análisis y dimensiona miento, y que se examinen sólo con brevedad los aspectos de diseño conceptual y de estructuración. Desde el punto de vista del diseño sísmico 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 re finen los procedimientos de análisis y dimensionamiento. Por el contrario, la experiencia obtenida en varios temblores muestra que los edificios bien conce bidos estructuralmente y bien detallados han tenido un comportamiento adecua do, aunque no hayan sido objeto de cálculos elaborados, y, en ocasiones, aunque no hayan satisfecho rigurosamente los reglamentos. En este capítulo se proponen recomendaciones para la selección de la correcta configuración estructural de un edificio. En esto se incluye la forma de la construc ción, en planta y en elevación, así como la distribución y arreglo de los elementos estructurales que constituyen el esqueleto resistente del edificio. Es evidente que la configuración estructural queda en buena parte definida por el proyecto arquitectónico. Es por ello que en esta etapa es esencial la inter acción entre el responsable del proyecto arquitectónico y el del proyecto estruc tural. El segundo debe hacer consciente al primero de las necesidades mínimas de rigidez, resistencia y regularidad que requiere la estructura y de las consecuencias que tienen algunas deoisiones arquitectónicas en el comportamiento estructural. Es cierto que la mayoría de las recomendaciones de estructuración para zonas sísmicas tienden a lograr edificios regulares y robustos; por ello limi tan fuertemente la posibilidad de llegar a formas atrevidas y originales y limitan también la libertad del uso del espacio interno del edificio. Constituye, por tanto, un reto para los proyectistas conjugar las necesidades arquitectónicas y estructurales y lograr un proyecto a la vez funcional, seguro y estéticamente atractivo.
Los lineamientos establecidos en este capítulo para la configuración estruc tural no constituyen en general requisitos tajantes. No obstante, en lo posible se debe evitar salir de los límites recomendados; de no ser así, el edificio debe ser materia de análisis más refinados que los usuales, para tomar en cuenta los efec tos desfavorables de la forma o configuración especial de la estructura. Se encon trará que en ciertos casos el mismo análisis indicará la inconveniencia del sistema adoptado y la necesidad de cambiarlo. En el resto del capítulo señalaremos primero las razones por las que deb�n evitarse ciertas formas del edificio y ciertas configuraciones estructurales. Se pro pondrán límites para algunos índices de regularidad del edificio y se expondrán diversos casos de configuraciones estructurales inconvenientes. Analizaremos después, las ventajas y limitaciones de los sistemas estructurales más comunes y se darán algunas recomendaciones sobre la selección del sistema de cimentación. Se hará referencia a las condiciones de regularidad que establecen las Normas Técnicas de Diseño por Sismo del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (NTDS). Aunque no es obligatoria la observancia de las condiciones establecidas en el capítulo 6 de dichas Normas, la sección 4.1 indica que, cuando no se cumplen estas condiciones, debe reducirse el factor de comportamiento sís mico a 80 por ciento, lo que equivale a diseñar para fuerzas sísmicas 25 por cien to mayores. Como lectura adicional sobre criterios de estructuración y sobre la relación entre el proyecto arquitectónico y el estructural, recomendamos el libro de Ar nold y Reitherman (1987).
5.2 CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO
PARA EL COMPORTAMIENTO SÍSMICO
5.2.1 Peso
Reconociendo que las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa y, en conse cuencia, al peso del edificio, debe procurarse que éste sea lo más ligero posible. Una parte importante del peso de la construcción proviene de los revestimientos y de los elementos divisorios no estructurales. Es allí donde más fácilmente se pueden lograr reducciones. Considerando que las aceleraciones introducidas en el edificio crecen con la altura, es importante evitar masas excesivas en las partes altas del edificio. Así, en el proyecto arquitectónico conviene ubicar en los pisos bajos las áreas donde se prevén mayores concentraciQnes de pesos (tales como archivos y bóvedas) y evitar los apéndices 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. El capítulo 6 de la NTDS establece que para que una estructura se cali fique como regular, debe cumplirse que: "7. El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseño sísmico, no es mayor que el del piso inmediato inferior ni, excepción hecha por el último nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso." Hay que tratar que el peso del edificio esté distribuido simétricamente en la planta de cada piso. Una posición fuertemente asimétrica generaría vibraciones torsionales. La figura 5.1 ilustra esquemáticamente las situaciones que deben evi-
Figura 5.4 Plantas con alas muy largas.
a
a
a
Evitar � > 1.
Zona de
conexión que son necesarios para permitir el paso entre uno y otro cuer
po. Otra forma de remediar los problemas de la asimetría de la planta es
mediante elementos estructurales exteriores que liguen las distintas partes
del edificio y que lo vuelvan más simétrico (figura 5.3c).
,,concentración
Figura 5.5 Vibración en direc ciones diferentes de alas de edificios.
Figura 5.6 Remedios para edi ficios con alas muy largas.
Otro aspecto que hay que evitar en la planta del edificio es la presencia
de alas muy alargadas como en los casos que se ilustran en la figura 5.4.
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 (figura 5.5). Para remediar estos problemas puede
recurrirse nuevamente a la subdivisión de la planta en cuerpos indepen
dientes y cortos o debe proporcionarse gran rigidez a los extremos de las
alas y reforzar cuidadosamente las esquinas interiores, como se muestra
esquemáticamente en la figura 5.6.
También es recomendable procurar que las plantas no sean muy
alargadas. Mientras mayor es la longitud del edificio, mayor es la pro-
9J
a)
Separación con juntas sísmicas.
Refuerzo / en esquinas
b)
Rigidización de los extremos de las alas y refuerzo en las esquinas entrantes.
habilidad de que actúen sobre su base movimientos que difieran en un extremo
y otro de la planta (figura 5.7a), pero el problema principal de las plantas muy
alargadas es que la flexibilidad del sistema de piso puede provocar vibra
ciones importantes en planta (figura 5.7b), las que incrementan sustancial
mente las solicitaciones en la parte central del edificio. Deben evitarse, por
tanto, situaciones como las indicadas en la figura 5.8 y, en caso de que no sea
posible, adoptar alguno de los remedios propuestos en la figura 5.9 (en par-
61111111
a ) Movimiento diferente del suelo en distintos apoyos.
B
Evitar:^.^ B^^4 A>
1 11 a) Separación con juntas sísmicas.
i!! l!
1
� b) Distribución uniforme de elementos resistentes transversales y sistema de piso rígido en planta.
l�--�I
b ) Deformación de la planta del edificio.
A Área vano Evitar - > 1; a (^) Area planta> 0.
e)
1 �" ./
/^ ·y/ ' ',
// ·� 1
Reforzar wnas débiles, en particular las esquinas.
ticular, cuidar la distribución uniforme de las rigideces transversales y usar sistemas de piso muy rígidos en su plano). En la mayoría de las recomendaciones sobre la correcta configuración de los edificios, se desaconsejan las plantas con esquinas entrantes, como las que se ilus tran en la figura 5.10. 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 más com pacta posible, para evitar las concentraciones de esfuerzos en las esquinas entrantes.
179
Figura 5.7 Problemas en edifi cios muy alargados en planta.
Figura 5.8 Límites recomenda dos para los lados de la planta de un edificio.
Figura 5.9 Posibles remedios para plantas muy alargadas.
Figura 5.1 O Plantas con es quinas entrantes (indeseables).
5.2.4 Separación entre edificios adyacentes
Al ubicar la posición exacta del edificio dentro del terreno correspondiente, es importante guardar una separación que sea suficiente con respecto a edificios adyacentes, para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo. Los daños por el sismo de 1985 en la ciudad de México han puesto en evidencia la gravedad de este problema, especialmente para edificios altos desplantados en terreno blando. El daño puede ser particularmente grave cuando los pisos de los cuerpos adyacentes no coinciden en las mismas alturas, de manera que durante la vibración las losas de piso de un edificio pueden gol pear a media altura las columnas del otro. Diversas recomendaciones proponen una separación mínima entre edifi cios de un centésimo de la altura del punto más alto de posible contacto. Las Normas del RCDF establecen un requisito más estricto, especialmente en edi ficios sobre terreno blando donde la rotación de la base puede incrementar sig nificativamente el desplazamiento en la punta (figura 5.14). El problema es crítico para edificios existentes que han mostrado ya tener problemas de choques. Se puede en estos casos rigidizar los edificios para limi tar sus movimientos laterales, ligarlos para que vibren en fase, o colocar entre ellos dispositivos que amortiguen el impacto.
s � aH a= 0.012 terreno blando a= 0.007 terreno firme
T 1 1
S¡�2aH 1
S¡� s e_
lf 1! 1 r
lD( *H Lindero con *
predio vecino (^2)
-181- a) Separación de colindancias. b ) Separación de cuerpos del rrúsmo conjunto.
5.3 REQUISITOS BÁSICOS DE ESTRUCTURACIÓN
En términos generales, podemos establecer los cuatro requisitos siguientes para el sistema estructural de edificios en zonas sísmicas:
a) El edificio debe poseer una configuración de elementos estructurales que le confiera resistencia y rigidez a cargas laterales en cualquier dirección. Esto se logra generalmente, proporcionando sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales. b) La configuración de los elementos estructurales debe permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas sísmicas desde el punto en que éstas se generan (o sea, de todo punto donde haya una masa que produzca fuerzas de inercia) hasta el terreno.
Figura 5.14 Separación entre edificios adyacentes para evitar choques (Requisitos de las Normas del RCDF).
Figura 5.15 Marco tridimensional.
a ) Con muros de rigidez.
Figura 5.16 Marcos rigidizados.
Figura 5.17 Sistema tipo cajón.
o o o o
o o^ o o
c) Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las concentraciones de solicitaciones y las vibraciones torsionales que pueden producirse por la distribución irregular de masas o rigideces en planta o en elevación. Para tal fin conviene que la estructura sea lo más posible
i) sencilla ii) regular iii) simétrica iv) continua
d) Los sistemas estructurales deben disponer de redundancia y de capacidad de deformación inelástica que les permitan disipar la energía introducida por sismos de excepcional intensidad, mediante elevado amortiguamiento inelástico y sin la presencia de fallas frágiles locales y globales.
De estos principios básicos derivan diversas recomendaciones específicas sobre estructuración, las que ilustraremos en la siguiente sección de este capítulo. Antes, conviene recordar brevemente cuáles son los sistemas estructurales básicos con que se cuenta para propor cionar la resistencia a cargas laterales de los edificios. El marco tridimensional (figura 5.15) es el que está formado por columnas y vigas en dos direcciones, conectadas entre sí de manera de permitir la transmisión de momentos flexionantes y proporcionar rigidez lateral a la estructura.
b ) Con núcleos. e ) Con contravientos.
El marco rigidizado con diagonales de contraviento, con núcleos rígidos o con muros de relleno (figura 5.16). En estas estructuras la interacción entre los dos sistemas básicos produce una distribución de las cargas laterales que es com- pleja y variable con el número de pisos, pero que da lugar a incrementos sustanciales de rigidez y resistencia con respecto a la estruc tura a base de marcos. La estructura tipo cajón, de paredes de carga (figura 5.17), está formada por paneles verticales y horizontales conectados para O o proporcionar continuidad. Existen variantes y combinaciones de O O estos sistemas y otros más complejos, como las estructuras espaciales a base de superfi cies continuas o trianguladas. Los anteriores
--
I
Figura 5.21 Edificio con muros en dos direcciones.
Figura 5.22 Ubicación asimé trica de elementos rígidos.
1
1
..
.
.
.
Figura 5.23 Edificios con dife rente rigidez torsional.
Figura 5.24 Configuración estructural con posible proble ma de torsión en compor tamiento no lineal.
y de que se reforzaran los muros para resistir los momentos flexionantes. El sistema es poco eficiente. La solución lógica es disponer de una longitud adecuada de muros ali neados en las dos direcciones, como se muestra en la figura 5.21. Con respecto al requisito de simetría del sistema estructural, el propósito es li mitar al mínimo la vibración torsional del edificio, la cual introduciría solicitaciones adicionales y significativas en la estructura. Aunque estas solicitaciones se pueden calcular con los procedimientos especificados por las Normas, es conveniente que la distribución de elementos resistentes sea tal que se reduzca al mínimo la excen tricidad entre el centro de masas y el de torsión. Ejemplos extremos de estruc turaciones asimétricas se ilustran en la figura 5.22, en que los elementos más rígidos se concentran en un solo lado de la planta. La Norma Técnica para Dise-
T B
1
Centro de torsión
le)'"-'Baricen
1-----ex,,,,¡
... .^ D.. .. (^).
Centro de torsión
< Baricen. 1---ex ------
SegúnRCDF si!:__.,_o� A B >Ol la estructura no es regular Evitar^.^ e,^ e y A o B > 0.
ño por Sismo (N'IDS) del RCDF especifica que para que una estructura sea considerada regular, la relación entre la excentriciad y la dimensión de la planta no debe exceder de 0.1. Las situa ciones en que esta relación excede de 0.20 son decididamente desaconsejables. Además de la si- metría es conveniente que la estructuración posea una elevada rigidez torsional para hacer frente a posibles torsiones accidentales. Por ello es preferi ble que los elementos más rígidos se encuentren colocados en la periferia, como en la figura 5.23b, y no en la parte central, como en la figura 5.23a. Finalmente, con respecto al problema de la vibración torsional, debe evitarse que se pre senten excentricidades no sólo cuando la es tructura responde en su intervalo lineal, sino también cuando algunos de sus elementos res- ponden no linealmente. Una situación típica se muestra en la figura 5.24. La
Eje con marc contraventeado
;,
Eje con marco relleno con muros de mampostería
rigidez de los marcos contraventeados de la fachada izquierda es equilibrada por los marcos rellenos con I?uros de mampostería de la fachada derecha. Po demos suponer que en el intervalo elástico la estructura responda en forma simétrica. Sin embargo, para grandes deformaciones laterales, la rigidez de los muros diafragma de mampostería se reduce mucho más drásticamente que la de los marcos contraventeados, por lo que el edificio puede comenzar a vibrar en forma asimétrica. La sección 8.6 de las NTDS llama la atención sobre este problema, aunque no da indicaciones cuantitativas específicas. Por la dificultad de tomar en cuenta este efecto en forma explícita es recomendable evitar que la simetría de la estructura dependa del equilibrio de rigidez de sistemas con ca racterísticas diferentes de comportamiento inelástico. Conviene, por ende, equi librar la rigidez de marcos con la de otros marcos, la de muros de concreto con otros muros de concreto, etcétera. El siguiente aspecto que hay que cuidar es la continuidad en elevación del sis tema estructural. Los cambios bruscos de rigidez y resistencia con la altura llevan a diversos problemas que se ilustran esquemáticamente en la figura 5.25. En el caso a) la interrupción de elementos muy rígidos a partir de cierta altura produ ce una concentración de solicitaciones en el piso inmediatamente superior a la interrupción; es deseable una disminución más gradual. Un efecto similar, aunque menos grave, se produce cuando la sección de las columnas se reduce drásti camente en los pisos superiores, como en el caso b), y cuando la altura del entre piso varía significativamente entre uno y otro nivel, como en el caso e). La causa más frecuente de irregularidad en elevación del sistema estructural es la que se muestra esquemáticamente en el caso d), y que se denomina de "plan ta baja débil". Por las necesidades de su uso, en la 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
a) Interrupción de elementos muy rígidos.
b) Reducción brusca de tamaño de columnas.
e) Diferencia drástica de altura de columnas.
d) Planta baja débil. e) Cambio de posición de elementos rígidos. (^) Figura 5.25 Discontinuidades de rigidez en elevación.
a ) Vigas cortas que rigidizan las columnas centrales.
D D D D D n
b) Vigas de acoplamiento de muros.
cionamiento de la construcción. Particularmente indeseables son situaciones como las del caso e) que dan lugar a las llamadas "columnas cortas", en que los efectos de la fuerza cortante dominan a los de flexión y se propicia una falla de tipo frágil. De manera semejante, no es conveniente que la configuración estructural presente vigas con relaciones claro a peralte muy distintas, en que las fuerzas se concentran en las crujías con las vigas más cortas (figura 5.28). Por otra parte, conviene evitar que la relación claro a peralte de las vigas sea pequeña (menor que cuatro) para que no prevalezcan los efectos de cortante sobre los de flexión.
5.5 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS SISTEMAS
ESTRUCTURALES BÁSICOS
En esta sección comentaremos las ventajas, limitaciones y campo de aplicación de los principales sistemas estructurales desde el punto de vista de los atributos básicos que la estructura debe poseer para un buen desempeño en zonas sísmicas: resistencia y rigidez a cargas laterales y capacidad de disipación de energía me diante deformaciones inelásticas.
5.5.1 Marcos rígidos
El marco tridimensional (figura 5.15) es un sistema muy conveniente por la gran libertad que permite en el uso del espacio interno del edificio y por la poca obstrucción que las secciones relativam�nte pequeñas de las columnas imponen al uso de las áreas habitables. Desde el punto de vista sísmico su principal ven taja es la gran ductilidad y capacidad de disipación de energía que se pueden lograr con este sistema, cuando se siguen los requisitos fijados para tal efecto para cada material estructural (ver capítulo 8). Dichos requisitos, además de procurar la mayor ductilidad posible de cada elemento estructural, tienden a que se proporcionen a éstos, resistencias relativas tales que se desarrollen mecanismos de falla que involucren el mayor número posible de articulaciones plásticas en aquellas secciones donde se puede disponer de mayor ductilidad. El mecanismo de falla que se pretende propiciar mediante dichos requisitos es el llamado de "viga débil-columna fuerte" que se muestra esquemáticamente en la figura 5.29.
Figura 5.28 Estructuraciones que implican concentraciones de fuerzas cortantes en vigas.
Figura 5.29 Mecanismos de deformación inelástica de viga débil-columna fuerte.
Dado que el comportamiento ante cargas laterales de un marco está regido por las deformaciones de flexión de sus vigas y columnas, el sistema presenta una resistencia y rigidez a cargas laterales relativamente bajas, a menos que las sec ciones transversales de estos elementos sean extraordinariamente robustas. Los edificios a base de marcos resultan en general considerablemente flexibles y en ellos se vuelve crítico el problema de mantener los desplazamientos laterales den tro de los límites prescritos por las normas. La alta flexibilidad de los edificios a base de marcos da lugar a que su perio do fundamental resulte en general largo. Esto es favorable cuando el espectro de diseño tiene ordenadas que se reducen fuertemente para periodos largos, como el que es típico de edificios desplantados en terreno firme. Por otra parte, llega a ser desfavorable cuando hay que diseñar para espectros de diseño cuyas ordenadas crecen para periodos largos como en la zona de terreno blando del valle de México. Aun en el primer caso resulta difícil cumplir con los requisitos de limi tación de desplazamientos en edificios de gran altura, por lo que el campo de aplicación de los edificios estructurados a base exclusivamente de marcos se li mita a edificios de altura baja o mediana, a menos que se recurra a marcos espe ciales, particularmente robustos como los que se describen en la sección 5.5.4.
5.5.2 Sistemas tipo cajón
El arreglo tridimensional de muros de carga poco separados que caracteriza este sistema estructural, da lugar a edificios con gran rigidez y resistencia a cargas la terales. Las proporciones de los muros son en general tales, que domina la falla por cortante sobre la de flexión y por tanto no se pueden esperar buenas carac terísticas de disipación de energía en campo inelástico. Aunque es factible para edificios de mediana altura dimensionar los muros para que rija en ellos la falla por flexión, resulta normalmente más ventajoso aprovechar la gran capacidad de carga de estos elementos y diseñar para fuerzas laterales elevadas que no conside ran reducciones importantes por comportamiento inelástico. El campo de aplicación de estos sistemas se concentra a edificios de altura baja o mediana, no por limitaciones estructurales, sino porque en edificios altos es difícil mantener en todos los pisos una misma distribución del espacio en áreas pequeñas y uniformes, como el sistema requiere.
5.5.3 Marcos rigidizados
Las muchas variantes que existen de marcos rigidizados con contravientos o con muros (figura 5.16) constituyen uno de los sistemas más eficientes para resistir fuerzas sísmicas. Mediante una atinada distribución 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 mucho mayor rigidez y resistencia ante cargas laterales. Sin embargo, deben cuidarse algunos aspectos que pueden hacer que el com portamiento sísmico 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 dicha zonas y así se transmiten a áreas concen tradas de la cimentación. Pueden producirse, además, solicitaciones excesivas en los elementos que conectan al resto de la estructura con las zonas rigidizadas. Cualquier irregularidad de los elementos rígidos en elevación implica la transmi-
Figura 5.32 Estructuración con marcos robustos en fachada y muros interiores flexibles.
Planta
Figura 5.33 Estructuración con fachada rigidizada por colum nas poco espaciadas.
DO
DO
DO
Marco dúctil de fachada
-,
Planta
Marcos interiores
'
Muchas son las va riantes en que pueden aprovecharse las fa chadas para rigidizar al edificio, con la ven taja de distribuir la re sistencia en todo el perímetro y de mini mizar la transmisión de esfuerzos a la cimen tación, así como de permitir el libre uso del espacio interior. Las soluciones van des de usar marcos muy robustos en la fachada por las proporciones de sus miembros, como en la figura 5.32, o por el espaciamiento muy ce rrado de las columnas, como en la figura 5.33. En el primer caso hay que cuidar que las rela ciones claro a peralte de las vigas y columnas no sean tan pequeñas
Marcos interiores
Marco rigidizado en fachada
que hagan que la falla por cortante prevalezca sobre la de flexión. En el segun do, no es posible usualmente cumplir con el concepto de vigas débiles-colum nas fuertes, ya que la re�istencia en flexocompresión de estas últimas resulta crítica en el modo de falla. Sin embargo, por el número elevado de columnas en los marcos de fachada, las cargas axiales sobre cada una resultan moderadas,
CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ
D D D D D D D
D
D
D
D
D D D D D D Cinturón
a) Marcos y muros acoplados. (^) b) Muro perforado. e ) Muro con cinturón superior.
d) Macromarco de una crujía.
e) Macromarco de dos niveles.
por lo que es posible dimensionarlas para obtener un comportamiento razo
nablemente dúctil. En las dos situaciones anteriores la fachada funciona como
un gran tubo que envuelve al edificio y le proporciona alta resistencia y rigidez
a cargas laterales.
La rigidización de la fachada puede lograrse también mediante combinación
de marcos y crujías con contravientos o con muros de rigidez. Una forma muy
eficiente de rigidización es mediante el uso de macro-marcos en los que los mu
ros de rigidez, o contravientos, están acoplados por elementos horizontales de
toda la altura de entrepiso. El conjunto forma un marco equivalente de grandes
proporciones. Las figuras 5.34 y 5.35 muestran algunos ejemplos para estructu
ras con contravientos y con muros de rigidez, respectivamente.
El máximo aprovechamiento de la fachada es mediante una rigidización
total con contravientos, de manera que se forma una gran armadura vertical que
envuelve al edificio. Aunque no es fácil llegar a soluciones estéticas y funcional-
Figura 5.34 Edificios rigidiza dos con muros de concreto acoplados.
a) Contraviento en X.
b) Contraviento e) Contraviento en K. (^) en doble X.
En los métodos de análisis sísmico comúnmente adoptados, se da por sen tado que los sistemas de piso y techo constituyen diafragmas horizontales infinitamente rígidos y capaces de realizar dicha distribución de fuerzas sin deformarse. Esta hipótesis es generalmente válida, ya que los sistemas usuales de losas de concreto poseen alta rigidez para fuerzas en su plano. No siempre es así 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 drásticamente la rigidez. Existen sistemas de piso que tienen muy baja rigidez para fuerzas en su plano, como son los que están formados por vigas en una dirección con una cu bierta de lámina delgada, o los que son a base de placas prefabricadas adosadas. La falta de diafragmas horizontales rígidos produce diversos problemas, como los siguientes:
�� Dirección de la (^) [ fuerza sísmica
J.;
Fuerzas de inercia Fuerzas en columnas
Fuerzas en la r cimentación
7-__.-!�
Diafragmas horizontales
Figura 5.36 Ejemplos de edi ficios reales con fachadas rigidizadas con contraviento completo.
Figura 5.37 Transmisión de fuerzas de inercia en la estruc tura.
Figura 5.38 Distribución de las fuerzas de inercia cuando el sis tema de piso no constituye diafragma rígido.
Figura 5.39 Empujes normales al plano de los muros que se generan cuando la losa no cons tituye diafragma rígido.
Sistema de piso de vigas paralelas con cubierta flexible Marco resistente a carga lateral El marco del eje C toma las fuerzas de inercia que se generan en su área L.1....L-'--'--!........!...J....1.-'--L- tributaria, independientemente de la A
):
rigidez relativa de los cuatro marcos B C D
Dirección de la fuerza sísmica
a) Las fuerzas de inercia y las cortantes de entrepiso no se dis tribuyen entre los distintos elementos resistentes, en forma pro porcional a la rigidez de éstos. En general, cada sistema vertical resistente recibe las fuerzas que se generan en su área tributaria (figura 5.38). b) En sistemas a base de muros de carga las fuerzas de inercia pueden producir empujes sobre los elementos perpendiculares a la di rección de las fuerzas sísmicas. Éstos quedan sujetos a fuerzas normales a su plano, para las cuales tienen escasa resistencia (figura 5.39). e) La ausencia de un diafragma de piso rígido puede ocasionar la distorsión de la estructura en planta e invalidar la hipótesis de que las fuerzas sísmicas actuantes en cualquier dirección pueden descomponerse en fuerzas aplicadas sobre los sistemas ortogo nales resistentes de la estructura (figura 5.40).
Para evitar los problemas anteriores es recomendable formar diafragmas ho rizontales en cada nivel. En los sistemas de piso o techo que no lo sean en forma natural, deben colocarse elementos rigidizantes, como contravientos horizontales sobre vigas paralelas o firmes de concreto armado sobre elementos pre colados. Cuando no sea factible lograr efecto de diafragma, deberán emplearse métodos de análisis que tengan en cuenta las deformaciones en su plano de los elementos de piso. También debe prestarse atención a que los sistemas de piso y techo Distorsión de la planta ___,,
posean la resistencia a cortante suficiente para poder transmitir sin fa llar las fuerzas horizontales que se generan. Una situación que llega a ser crítica es la presencia de huecos cerca de muros o crujías contra-
L--'
venteadas. La figura 5.41 muestra esquemáticamente la distribución de fuerzas en un caso de este tipo. El tramo de losa adyacente al hueco debe resistir una fuerza cortante elevada en un área reducida. Es nece- Dirección de la (^). Planta original fuerza sísmica
sario revisar que se cuente con la capacidad suficiente.
Figura 5.40 Distorsión en el plano ante fuerzas sísmicas en dirección diagonal, cuando el sistema de piso no constituye un diafragma rígido.
5. 7 CIMENTACIONES
El cometido de una cimentación durante un sismo es proporcionar al edificio una base rígida capaz de transmitir adecuadamente las acciones que se producen por la interacción entre el movimiento del suelo y el de la estructura, sin que se generen fallas o deformaciones excesivas en el suelo de apoyo.
