Transcript Irregularidad de estructura en Planta y Elevación

INTRODUCCION
Las estructuras irregulares tienen discontinuidades físicas
considerables en su configuración o en sus sistemas resistentes a
las fuerzas laterales.
La forma del edificio, tamaño, naturaleza y localización de los
elementos resistentes, es decir: muros, columnas, pisos, núcleos
de servicio, escaleras; y elementos no estructurales como:
cantidad y tipo de divisiones interiores, la forma en que los
muros exteriores se disponen sólidos o con aberturas para
iluminación natural y ventilación.
El inicio de esquema en un proyecto de edificación entre
arquitecto e ingeniero, entendiendo de qué manera las
decisiones pueden afectar el comportamiento sismo resistente
de ésta, escogiendo apropiadamente los materiales básicos a
utilizarse, la configuración y la estructuración del edificio. El
ingeniero estructural no tendrá que pasar por la desagradable
situación de escoger entre proponer revisiones que pueden
llevar hasta la reformulación del proyecto inicial, o tratar de
usar soluciones estructurales muy complicadas para resolver el
problema
producido,
a
causa
de
concepciones
arquitectónicas inadecuadas.
Desde principios del siglo XX los arquitectos e ingenieros de Japón
habían comenzado a usar estructuras de concreto reforzado y de
acero, y las configuraciones arquitectónicas que en ese momento
se imponían en Europa y EE.UU. Pero también los especialistas en
ingeniería sismorresistente comenzaron a notar que la planta libre
podía influir en el comportamiento de los edificios ante los sismos. De
los cuatro principios fundamentales propuestos por Naito con
relación a aspectos de la configuración, dice el punto 3: “Se deben
usar paredes rígidas abundantemente y se deben disponer
simétricamente en planta y continuas en toda la altura del edificio”.
Las ciudades importantes de estos países crecían aceleradamente
incorporando a las zonas urbanas las edificaciones con estructuras
flexibles y paredes no estructurales de bloques de arcilla, más
rápidas de construir y más económicas que las rígidas propuestas
por los japoneses las tendencias del movimiento moderno europeo,
que venían predominante, posterior desarrollo en el este de EE.UU.
A través del estilo internacional, que se extendió a otras ciudades
que estaban en pleno crecimiento. Estas tendencias arquitectónicas
fueron desarrolladas originalmente por profesionales que venían de
zonas que no habían sido afectadas por sismos.
A principios de los años sesenta los edificios modernos de varias
ciudades nuevas habían sido afectados, a partir de los años
cincuenta se produjo un acelerado crecimiento en cuanto a edificios
altos y modernos y se habían aplicado las técnicas constructivas para
estructuras de concreto reforzado desarrolladas en EE.UU. y las
tendencias de la arquitectura moderna en boga para ese momento
en todo el mundo.


En términos de arquitectura moderna se conoce la planta libre como
un piso del edificio en el que la mayor parte de su espacio interior no
presenta paredes o muros rígidos, inamovibles o difíciles de remover. La
serie de ventajas tanto estéticas como funcionales que proporciona
este concepto de diseño arquitectónico ha sido la causa por la que
internacionalmente desde principios del siglo XX se ha estimulado y en
algunos casos hasta se obliga su uso a través de las normas de
zonificación urbana (NZU) en gran parte de las ciudades
contemporáneas. La planta libre ha sido ampliamente utilizada tanto
en zonas que nos son sísmicamente activas como en las que sí lo son,
generando innumerables edificios con irregularidades estructurales
identificadas en las normas sísmicas como de los tipos piso
blando y piso débil, con los consecuentes efectos desastrosos cuando
ocurre un sismo.
Estos dos conceptos suelen confundirse y a veces hasta usarse como
sinónimos aun cuando cada uno de ellos está relacionado con una
característica física de la estructura de tipo diferente: el piso blando o
piso flexible con la rigidez y el piso débil con la resistencia a las fuerzas
producidas por los sismos.
Cuando ocurre un sismo, si el edificio presenta una porción más flexible en un piso
que en el resto de los pisos superiores, su deriva (D) será mayor y, por lo tanto, la
mayoría de la energía de entrada será absorbida por esa porción más flexible y la
restante será distribuida entre los pisos superiores más rígidos. Si el edificio presenta
una planta libre, principalmente en alguno de los pisos inferiores, generalmente los
componentes estructurales de ese piso se verán sometidos a grandes
deformaciones. El comportamiento inelástico se concentra en la zona de la
irregularidad. En la figura 3, se ilustra la diferencia entre la deformación lateral de
un edificio con una distribución homogénea de la rigidez en altura (a) y uno con la
planta baja libre (b).
Distribución del desplazamiento total generado por un sismo en: (a) un
edificio regular; y (b) un edificio con planta baja libre.
Si esta condición no se prevé en el diseño estructural desde el principio, se
pueden producir daños irreparables tanto en los componentes estructurales
como en los no estructurales de ese piso, pudiendo provocar el colapso
local y, en algunos casos, hasta el colapso total del edificio. La planta libre
puede estar presente en la PB o en un nivel intermedio.
Como se mencionó anteriormente, al inicio del siglo XXI, la mayoría de las
normas sísmicas vigentes internacionalmente siguen los parámetros con
relación a las irregularidades de los edificios que se establecieron
inicialmente en EE.UU. Para identificar la presencia de las irregularidades.
Se establecen los siguientes tipos de configuración en elevación.

La Tabla define posibles irregularidades verticales, y requerimientos
adicionales de detalle, que deben satisfacerse si las irregularidades
están presentes. Cinco diferentes tipos de irregularidad estructural
vertical están definidos: Irregularidad de rigidez (piso blando);
Irregularidad de peso (masa); Irregularidad vertical geométrica;
Discontinuidad en el plano de los elementos verticales resistentes a las
fuerzas laterales y Discontinuidad en capacidad (piso blando)., puede
considerarse de que no existen irregularidades de rigidez y de peso
cuando para todos los pisos, la deriva de cualquier piso es menor de 1.3
veces la deriva del piso siguiente hacia arriba.

Es conveniente que no existan cambios bruscos en las dimensiones,
masas, rigideces y resistencias del edificio, para evitar concentraciones
de esfuerzos en determinados pisos que son débiles con respecto a los
demás. Los cambios bruscos en elevación hacen también que ciertas
partes del edificio se comporten como apéndices, con el riesgo de que
se produzca el fenómeno de amplificación dinámica de fuerzas
conocido como chicoteo. En la Figura se muestran las diferentes
irregularidades con más detalle
Tipo
1A
Definición de irregularidad
Irregularidad de rigidez (piso blando)
Un piso blando es aquel cuya rigidez lateral es menor del 70% de la rigidez del piso superior o menor del 80% de
la rigidez promedio de los 3 pisos superiores al piso blando, en tal caso se considera irregular.
2A
Irregularidad de peso (masa)
Debe considerarse que existe irregularidad de masa cuando la masa efectiva de cualquier piso es mayor del
150% de la masa efectiva de uno de los pisos contiguos. No es necesario considerar un techo que sea más
liviano que el piso inferior.
3A
Irregularidad vertical geométrica
Se considera que existe irregularidad vertical geométrica cuando la dimensión horizontal del sistema de
resistencia a las fuerzas laterales en cualquier piso es mayor del 130% de la de un piso colindante. No es
necesario considerar los pisos de azotea de un solo nivel.
4A
Discontinuidad en el plano de los elementos verticales resistente a las fuerzas laterales
Se considera este tipo de irregularidad, cuando existe un desplazamiento en el plano de los elementos
resistentes a las cargas laterales mayor que la longitud de esos elementos.
5A
Discontinuidad en capacidad (piso débil)
Un piso débil es aquel en que la resistencia del piso es menor del 80% de la resistencia del piso
inmediatamente superior, en tal caso se considera irregular.
La resistencia del piso es la resistencia total de todos los elementos resistentes a las fuerzas sísmicas que
comparten el esfuerzo cortante del piso en la dirección bajo consideración.
→ El piso blando se refiere a la existencia de un nivel o piso del
edificio que presenta una rigidez significativamente menor que el
resto de los pisos del edificio; por ello se le llama también piso
flexible; generalmente se debe a decisiones arquitectónicas en
cuanto a la ubicación de paredes no estructurales rígidas que se
adosan a las columnas. Cuando existe una planta libre y no se
toma en cuenta en el análisis de la estructura esta diferencia de
rigidez entre ese piso y los pisos superiores, modifica el concepto
estructural original del edificio. En cambio, el piso débil tiene que
ver con la capacidad del edificio para resistir sin fallar ante las
acciones sísmicas debido a la diferencia entre la resistencia de los
componentes estructurales de un piso y la de los pisos superiores;
generalmente se debe a un diseño estructural inapropiado.
→ Con el fin de restringir aún más el uso de estas configuraciones, a
partir del NEHRP 1997 (BSSC, p. 60) se incorporó en la tabla de
irregularidades en alzado un nuevo tipo, el piso blando
extremo (Extreme Soft Story) y se prohibió su uso cerca de las fallas
activas; se define así: “Cuando la rigidez ante fuerzas horizontales
de un piso es menor del 60 por ciento de la rigidez del piso superior
o menor del 70 por ciento del promedio de la rigidez de los tres
pisos superiores.”
Y, a partir del International Building Code 2006 (IBC-06) y del ASCE 7-05, en el
capítulo 12 se incorporó el piso débil extremo (Extreme Weak Story) definido así:
“Cuando la resistencia lateral del piso es menor que el 60 por ciento de la rigidez
del piso inmediatamente superior, entendiendo la resistencia del piso como la suma
de las resistencias de todos los elementos que comparten el cortante del piso para
la dirección considerada.”
Las tan usadas plantas bajas libres son el ejemplo más común de formación de
estas irregularidades; los apartamentos residenciales u oficinas se distribuyen en los
pisos superiores, mientras en el piso más bajo se ubica los estacionamientos para los
vehículos y/o las zonas sociales que requieren espacios amplios y libres, total o
parcialmente, de tabiquería interior. Generalmente el piso blando está presente en
los edificios residenciales modernos construidos con sistema estructural porticado
donde la presencia en los pisos superiores de componentes rígidos no
intencionalmente estructurales, como es el caso de las paredes de albañilería,
adosados a los componentes estructurales flexibles y la ausencia de estas paredes
en la PB modifica el comportamiento de los componentes estructurales en este piso
por lo que los pisos superiores conformarán un volumen superior de mayor rigidez y
mayor masa y así prácticamente toda la deformación lateral se concentrará en la PB.
El piso débil generalmente se produce cuando debido a la ausencia, desplazamiento
o reducción de tamaño de los componentes de resistencia a las fuerzas laterales en
un piso, se interrumpe el flujo de fuerzas hacia las fundaciones. El piso débil se puede
generar como se ilustra en la figura 4, debido a: (a) la eliminación o debilitamiento de
componentes de resistencia sísmica en la PB, como se muestra en los dos primeros
casos; y (b) en los sistemas mixtos o duales de pórticos y muros estructurales, al
interrumpir la continuidad de los muros en la PB, como se muestra en el tercer caso.
Estos casos se pueden presentar en pisos intermedios también.
Casos de generación de piso débil en la planta baja de los edificios.
En el caso de las plantas bajas libres con gran altura, las columnas son muy flexibles, no sólo debido
a la total o parcial ausencia de componentes rígidos, sino como resultados de ser
significativamente más alta con relación a las de los pisos superiores. Esta configuración
arquitectónica es uno de los modelos característicos de los diseños modernos para oficinas, hoteles
y hospitales, en los que no sólo se diseña los pisos de acceso al público, libres de muros, sino que
generalmente este nivel, debido a su importancia, tiene mayor altura de entrepiso que la del resto
de los pisos, en los que se ubican las oficinas o las habitaciones. Existen numerosos casos de
edificios que presentan una combinación de estos dos tipos de irregularidad, piso blando y piso
débil, lo que los hace particularmente vulnerables sísmicamente.

Es importante la simplicidad para un mejor comportamiento sísmico de
conjunto de una estructura, y resulta más sencillo proyectar, dibujar,
entender y construir detalles estructurales. Otro factor importante es la
simetría respecto a sus dos ejes en planta, es decir su geometría es
idéntica en ambos lados de cualquiera de los ejes que se esté
considerando. La falta de regularidad por simetría, masa, rigidez o
resistencia en ambas direcciones en planta produce torsión, que no es
fácil de evaluar con precisión. Es necesario mencionar que a pesar de
tener una planta simétrica, puede haber irregularidades debido a una
distribución excéntrica de rigideces o masas ocasionando también
torsión.

En caso de que se tuviera entrantes y salientes, es aconsejable utilizar
juntas de construcción, dividiendo la planta global en varias formas
rectangulares y como segunda opción se puede restringir las mismas
con limites máximos, como se indica en la Figura.

Es preferible no concentrar elementos rígidos y resistentes, tales como
muros de corte, en la zona central de las plantas, porque son menos
efectivos para resistir torsión, si bien los muros ubicados en la zona
central tienen un comportamiento aceptable, las columnas estarán
sujetas a un cortante por torsión mayor que aquél proporcionado por la
ubicación de los muros en la periferia. No es nada recomendable
colocar las escaleras y elevadores en las partes externas del edificio ya
que tienden a actuar aisladamente ante los sismos, con
concentraciones de fuerzas y torsiones difíciles de predecir sin llevar a
cabo un análisis complicado.
Tipo
Definición de irregularidad
1P
Irregularidad Torsional por considerarse cuando los diafragmas no son flexibles
Se debe considerar que existe irregularidad torsional cuando el máximo desplazamiento relativo del piso (deriva),
calculado incluyendo la torsión accidental, en un extremo de la estructura transversal a un eje es más de 1.2 veces el
promedio de los desplazamientos relativos del piso de los dos extremos de la estructura.
2P
Esquinas reentrantes
La configuración del plano de una estructura y su sistema resistente a las fuerzas laterales que contienen esquinas
reentrantes, se considera irregular, cuando ambas proyecciones de la estructura, más allá de una esquina reentrante son
mayores del 150% de la dimensión en el plano de la estructura en dicha dirección,
3P
Discontinuidad de diafragma
Se considera irregular, cuando los diafragmas con discontinuidades abruptas o variaciones de rigidez, incluyendo las
causadas por áreas recortadas o abiertas mayores del 50% del área bruta encerrada del diafragma o cambios en la
rigidez efectiva del diafragma mayores del 50% de un piso al siguiente
4P
5P
Desviaciones fuera del plano
Se considera irregularidad, cuando existen discontinuidades en una trayectoria de fuerza lateral, como desviaciones
fuera del plano de los elementos verticales
Sistemas no paralelos
Se considera irregular, cuando los elementos verticales resistentes a las cargas laterales no son paralelos ni simétricos con
respecto a los ejes ortogonales principales del sistema que resiste las fuerzas laterales.

La Tabla define posibles irregularidades en planta y requerimientos
adicionales de detalles, que deben satisfacerse si las irregularidades
están presentes. Cinco diferentes tipos de irregularidades en planta
son definidos: Irregularidad torsional a ser considerado cuando los
diafragmas no son flexibles; Esquinas reentrantes; Discontinuidad de
diafragma; Desviación fuera del plano y Sistemas no paralelos. Las
estructuras regulares son definidas como aquellas que no tienen
discontinuidades físicas significativas en su configuración en planta
y vertical o en su sistema resistente a las fuerzas laterales.
A. Si el centro de masa (C d M) de un edificio no coincide con el centro
de Resistencia (C d R), un movimiento torsional actúa en el plano
horizontal causando que los diafragmas de los pisos se tuerzan en
relación al centro de resistencia. La rotación afecta las columnas más
alejadas del centro de resistencia. Estos están situados a largas
deflexiones horizontales, a veces hasta deformarlas tanto que lleguen
al colapso.
Se puede mejorar esto:
1. Minimizar la distancia en la planta entre el centro de masa y el centro
de resistencia.
2. El espacio entre ellas debe ser largo para maximizar la resistencia y
fuerza en torsión latente. Los brazos largos entre pares de paredes
proveen la mejor resistencia ante la torsión.
3. Suavizar los muros portantes más muros de menor distancia
B. Centro de Resistencia Muro Centro de Resistencia Portante Centro
de Masa Centro de Resistencia Distancia ente puntos de resistencia.
C. Centro de Resistencia Muro Portante Rotación de Diafragma Centro
de Resistencia Rotación de Diafragma Centro de Resistencia Centro de
Masa Limite de Calle
D. Momento Flector .Muro resistente a fuego Centro de Resistencia.
Penetración Centro de Masa Material Muro.
No Unión de Liviano Estructural diafragma resistente con el muro
No fuego Estructural Centro de Masa Centro de Resistencia Momento
Flector
 una característica muy común de la configuración general de un edificio,
que en planta tiene forma de L, H, U, T o planta en cruz. Una definición típica
de una configuración irregular de esquina entrante es donde A es mayor al
15% de B.
 Deflexión Horizontal, posible daño a columna Área potencial de daño en el
diafragma Deflexión Pequeña Dirección de Sismo Estas formas plantean dos
problemas. Por un lado tienden a producir variaciones de rigidez y, por tanto,
movimientos diferenciales entre las partes del edificio, causando una
concentración de esfuerzos en la esquina entrante.
 En momentos de sismo la mayoría tienden a torcerse en direcciones del
sismo pero esto puede solucionarse dejante espacios o juntas entre ellas y
convertirlas en estructuras separadas. La solución al problema de esquine
tiene dos enfoques:
1. Unir con más fuerza la unión de los edificios mediante colectores en la
intersección, muros estructurales o usar esquinas entrantes achaflanadas en
vez de ángulos rectos, que reduzcan el problema del cambio de sección.
2. Dividir estructuralmente el edificio en formas más sencillas Junta sísmica
 El diafragma es un elemento resistente que actúa transfiriendo fuerzas
laterales entre elementos verticales, actúa como viga horizontal. Muro
Portante Diafragma Lamentablemente en la arquitectura los
diafragmas o pisos no son continuos, estos son interrumpidos por la
circulación vertical , por posos de luz o aire , etc. Perforación en
Diafragma Caso de perforación en una planta rectangular, en la que
se presenta en medio de dos muros portantes.
 Formas de solucionar la falta de rigidez por el vacío: Elemento
estructural de acero EL vacío destruye la habilidad del diafragma
para expandirse hacia el muro derecho, si el propósito del vacío es
para iluminar se podría estructura como elemento de reforzamiento.
Estructura como Celosía Si la estructura diagonal fuera la mejor
solución debido a un tema estético o funcional, también se podría
resolver por medio de un reforzamiento en forma de celosía y brindar
la misma resistencia.
 Si en el caso anterior, el propósito del vacío fuera otro que no fuera luz
y ventilación, las opciones anteriores no servirían y se tendría que
reubicar el muro portante Vacío en Diafragma Muro Portante Muro No
Estructural Enlace de muro a diafragma vacío.
para escalera Nuevo muro portante Independizar los diafragmas como
2 estructuras separadas. Se reemplaza muros portantes por momentos
flectores Momento Flector.
 La dificultad expuesta por el peldaño en el diafragma es resuelto
aumentando el numero de muros portantes eficaces en la dirección
X a cuatro, y conectando dos a cada sección de diafragma, los
momentos flectores reemplazan la dirección Y de los muros portantes
para evitar un sistema combinado una vez que el momento flector
es presentado en el peldaño, las muros portantes originales en la
dirección Y serán conservados. El Peldaño previene a las fuerzas de
inercia del lado derecho en ser transmitidas a los muros portantes en
el eje X Fuerza de Peldaño en Diafragma Inercia.
 La habilidad de cada configuración para resistir fuerzas Ejemplos de
Sistemas No Paralelos horizontales y torsión es entendida considerando
la longitud de Muro Portante cada sistema vertical como un vector de
fuerza. Un vector puede ser resuelto por componentes paralelos a un
conjunto de ejes. Componente Y de Fuerza de Muro Componente X
de Fuerza de Muro Cuando estos Tensión interna sistemas Reacción en
el diafragma desde el muro resisten fuerzas horizontales su orientación
lleva a fuerzas secundarias que demandan mantener un equilibrio
Dirección de la Fuerza de Inercia
 Los edificios se golpean entre si durante un terremoto cuando la junta
de separación noes lo suficientemente ancha . Esta separación
depende dela flexibilidad de un edificio y de su altura. Separación
sísmica entre edificios y Junta limite del lote sísmica y deflexión
máxima El ancho de separación de la junta
sísmica depende de la flexibilidad del edificio y su altura y se considera
tanto en elevación como en planta.
 Se debe decidir entre elementos de separación largos y altos o buscar
un ancho apropiado. Estructura Longitudinal de Techo Protección de
hoja de metal Soportes 100 mm Detalle de Sección de la Separación en
el Techo permitiendo el movimiento del edificio en dos direcciones El
ancho de separación también es requerido cuando un solo edificio es
dividido en dos estructuras independientes.
 Detalle permite placa salir fácilmente Piso Placa de Metal Unión al
Concreto A B Cámara de Fuego Sección También existen juntas sísmicas
para separar los pisos de un edificio así como otros muros y techos.
 Existen dos métodos para apoyar el piso en una separación sísmica
Planta de separación sísmica con vigas y Piso columnas en un lado
Soporte Separación sísmica Columna Viga A Planta de Separación
sísmica y columnas en ambos lado de la Separación sísmica abertura
Soporte Corredizo.
 Están formados fundamentalmente por elementos horizontales que se
apoyan en sus extremos sobre soportes o pilares. Mientras que la fuerza
que se transmite a través de los pilares es vertical y hacia abajo y, por lo
tanto, éstos se ven sometidos a esfuerzos de compresión, las vigas o
elementos horizontales tienden a flexionarse como consecuencia delas
cargas que soportan. El esfuerzo de flexión supone una compresión en
la zona superior de las vigas y una tracción en la inferior.
 Establecer un elemento estructural rígido y no permitir la caída del
puente Moderador Normal al Puente pero libre de moverse en
dirección del puente y rotar Moderador en Mayor Movimiento ambas
direcciones en Eje Y A B Puente Corredizo Fijo Elevación mostrando el
movimiento máximo en relación a los edificios acercándose Menor
Movimiento en Eje Y Planta demostrando la dirección en eje Y
relacionada al movimiento entre edificios Junta corrediza de Corredizo
superficies Fijo de metal y teflón. Elevación mostrando el movimiento
máximo en relación a los Detalle A Detalle B edificios separados
En Resumen.
La irregularidad en la configuración es uno de los factores que
se incluyen actualmente en la mayoría de las normas sísmicas
para definir el procedimiento de análisis que se aplicará en el
diseño sismorresistente de los edificios. Estas irregularidades se
deben generalmente a decisiones arquitectónicas tomadas en
el diseño original del edificio, o en remodelaciones posteriores.
Las normas establecen dos categorías de irregularidades: en
planta y en alzado. Entre los tipos en alzado se han
establecido: piso blando (distribución irregular de la rigidez) y
piso débil (distribución irregular de la resistencia). Ambas
configuraciones se conocen en términos arquitectónicos
como planta libre. El origen arquitectónico de estas
configuraciones se deriva principalmente de los postulados de
la arquitectura moderna que se establecieron desde mediados
del siglo XX y se adoptaron mundialmente tanto en zonas no
sísmicamente activas como activas.