Irregularidad de estructura en Planta y Elevación

1. Irregularidad de estructura en Planta y Elevación

2. 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.

3. Identificación histórica de esta configuración como causante de vulnerabilidad sísmica. 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.

4. 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.

5. Los conceptos estructurales que identifican a la planta libre como irregularidad en el comportamiento sísmico de los edificios • 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.

6. 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.

7. 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.

8. Configuración en Elevación

9. 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

10. Configuración en Elevación

11. 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 tambiénpiso 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 SoftStory) 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.”

12. Y, a partir del International BuildingCode 2006 (IBC-06) y del ASCE 7-05, en el capítulo 12 se incorporó el piso débil extremo (Extreme WeakStory) 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

13. 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.

14. Configuración en Planta

15. Configuración en Planta • 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.

16. Configuración en Planta

17. Configuración en Planta • 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.

18. Configuración en Planta IRREGULARIDAD EN TORSION 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: 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

19. 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

20. IRREGULARIDAD ESQUINA INTERIOR O ENTRANTE : • 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: • 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

21. IRREGULARIDAD DISCONTINUIDAD DE DIAFRAGMA • 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.

22. 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.

23. IRREGULARIDADSISTEMAS NO PARALELOS • 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 • IRREGULARIDAD GOLPE Y SEPARACION • 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.

24. 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.

25. IRREGULARIDAD PUENTES ENTRE EDIFICIOS • 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

26. 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.