criterios a considerar en un proyecto arquitectónico para conseguir un adecuado comportamiento...

"Criterios a considerar en un Proyecto Arquitectónico, para

conseguir un adecuado comportamiento estructural sismo-

resistente"

Colegio de Arquitectos del Perú

Consejo Regional Ancash

Sede Chimbote

Expositor: Ing. Oscar Fernández Cruz Ingeniero Civil Pontificia Universidad Católica del PerúDocente Universitario con cátedras ofrecidas en:

Pontificia Universidad Católica, Universidad Ricardo Palma, Universidad San Cristóbal de Huamanga y Universidad Peruana de Integración Global.

Docente SENCICOMiembro del American Concrete Institute (ACI).

Capítulo Peruano.Miembro del Instituto de Construcción y Gerencia

(ICG).Miembro de la Comisión Calificadora de Proyectos en

la especialidad de Estructuras (CODEMU) del CD Lima CIP

Miembro del Centro de Peritaje del CD Lima CIPDirector Gerente de CIEPSAT (Consultoría enIngeniería Estructural: Proyectos, Supervisiones y Asesoría Técnica), habiendo realizado el diseño de las estructuras de edificios de hasta veintiún pisos y cuatro sótanos.Consultor independiente en estructuras con servicios a ASB Contratistas Generales EIRL, Inversiones ARISO SAC, Constructora e Inmobiliaria CDR SAC, entre otros.

www.ciepsat.com

El Proyecto Arquitectónicoy

El Proyecto de Estructuras

Introducción:La estructura es y ha sido siempre un

componente esencial de la arquitectura

Ya se tratara de construir un simple refugio para sí y su familia, ya de cerrar espacios donde pudieran rendir culto a su divinidad, comerciar o entretenerse, el hombre ha tenido siempre que dar forma a ciertos materiales a fin de que su arquitectura se mantuviera en pie resistiendo la fuerza de gravedad y otras cargas peligrosas

Diseño Arquitectónicoy

Diseño Estructural

Como desde los primeros tiempos de su existencia el hombre tuvo un sentido innato de la belleza, toda la construcción se concibió conforme a ciertos postulados estéticos que muchas veces impusieron a la estructuras, exigencias mucho más estrictas que la resistencia y economía.En el pasado, sólo mediante la experiencia unida a constantes fracasos (derrumbes) se logró obtener procedimientos seguros y económicos de construcción de estructuras para edificios.

En los tiempos modernos se producen dos hechos relevantes:

1. La evolución de la ciencia físico - matemática que estudia también las estructuras (la estática) con lo cual se podían calcular estructuras sobre papel y experimentar en modelos y maquetas para evitar desagradables sorpresas.

2. La aparición de materiales nuevos: el acero, el concreto armado, con los cuales las posibilidades de formas estructurales se han ampliado mucho.

• En la actualidad han aparecido nuevas tecnologías, y con la aparición de la informática se ha reducido dramáticamente la tediosa tarea del cálculo, liberando mucho tiempo para la creatividad. La estructura, problema físico y económico, ha sido también jerarquizada como objeto estético y expresivo. Se han creado exponentes magníficos que constituyen un alarde de técnica e imaginación.

Torre Chrysler, New York, 1930

Torres Petronas

Kuala Lampur, Malasia

Hotel Burj- el Arab-Dubai

Banco de China- Pei

Principio Fundamental:

Un buen diseño arquitectónico debe tomar en cuenta la estructura resistente desde sus inicios.

No se puede creer que es posible hacer el proyecto de un edificio y después “meterle dentro” la estructura. Esto equivaldría a creer que un ser humano se forma sin huesos y, una vez nacido, podemos meterle dentro el esqueleto.

Preguntas consecuentes

1. ¿Es posible facilitar al arquitecto la comprensión y adquisición de los conocimientos estructurales necesarios para poder resolver problemas técnicos y de construcción?

2. ¿Es posible tal cosa sin un estudio exhaustivo de la matemática superior y la física? En otras palabras:¿Es posible que una persona razonablemente inteligente, sin un estudio profundo de las ciencias físicas y matemáticas, comprenda los fundamentos del comportamiento estructural?

¡Sí….!Las respuestas a las preguntas que anteceden son afirmativas si se establece una clara distinción entre la comprensión de los conceptos estructurales básicos y el conocimiento cabal del análisis estructural.

Estructuración: Es la conjetura inicial educada (supuestos de diseño) que proviene de la experiencia y la intuición más que de cálculos científicos.

Análisis estructural: Es la verificación matemática de la resistencia de los materiales a cargas dadas

Conclusión

Los arquitectos se pueden compenetrar en el campo de las estructuras, sin recurrir a un conocimiento formal de matemáticas o física. Esto no quiere decir que se debe tratar a las estructuras de manera elemental, incompleta o simplificada: algunos conceptos estructurales son sutiles y complejos. Sin embargo el arquitecto puede captarlos y reconocerlos en situaciones generales, sobre una base puramente intuitiva. Este mejor conocimiento del comportamiento de las estructuras conducirá al arquitecto interesado, a una mejor comprensión de los puntos más delicados del diseño estructural

Alcances y metas

Es razonable entender que lo los arquitectos necesitan conocer es ESTRUCTURACIÓN, ya que no resulta lógico pretender que todos los arquitectos aprendan a CALCULAR.

La meta es que todos arquitectos manejen criterios, que permitan estructurar un proyecto desde su concepción para obtener mejores resultados que los que se consiguen al tratar de acomodar una estructura a un diseño ya acabado

Lecturas Recomendadas

1. “Razón y Ser de los Tipos Estructurales” (Eduardo Torroja)

2. “Estructuras o Por qué las cosas no se caen” (John E. Gordon)

3. “Estructuras para Arquitectos” (Mario Salvadori y Robert Heller)

Diseño Estructural

Se entiende por Diseño Estructural al conjunto de etapas y procedimientos que desarrolla el ingeniero proyectista para determinar la forma, dimensiones y características detalladas de una estructura, es decir, la parte de una construcción que tiene por función soportar las diversas solicitaciones que se presentan durante las distintas fases de su existencia.

“Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para otra finalidad o función, que lleva, como consecuencia esencial, que la construcción mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo.

La resistencia es una condición fundamental, pero no es la finalidad única. Ni siquiera es la finalidad primaria”

Eduardo Torroja

Proceso de Diseño Estructural

1. Estructuración

2. Análisis

Modelación

Determinación de las solicitaciones de diseño

Determinación de las acciones de diseño sobre el modelo → Momentos flectores, fuerzas cortantes, desplazamientos.

3. Dimensionamiento

Respuesta de los edificios a la acción sísmica

Modelación del efecto sísmico

Resultados del análisis sísmico:Fuerzas, Momentos y Desplazamientos

Consideraciones básicas del Diseño Estructural:

• El diseño estructural no es un cálculo matemático exacto (interesan más el comportamiento y los modos de falla)

• Las fuerzas de sismo deben tratarse con la misma importancia que las de gravedad (Fuerzas muy grandes con pequeña probabilidad de ocurrencia y durante tiempos muy cortos).

• La forma estructural influye decisivamente en el comportamiento sísmico.

• Se trata principalmente de evitar el colapso frágil de la estructura.

“El Diseño Estructural es el arte de usar materiales que en realidad NO conocemos, para formar estructuras que en realidad NOpodemos analizar, de manera que resistan cargas que en realidad NO podemos evaluar… y hacer todo esto de modo que el público no se dé cuenta de nuestra IGNORANCIA”

(Dr. Roberto Melli Piralla)

Objetivos del Diseño Sismo-resistente:

(Norma E-030, 1997)

1) Resistir sismos leves sin daños

2) Resistir sismos moderados, considerando la posibilidad de daños estructurales leves.

3) Resistir sismos severos con la posibilidad de daños estructurales importantes, con una posibilidad remota de ocurrencia del colapso de la edificación.

Filosofía del Diseño Sismo-resistente:

(Norma E-030, 2003)

1) Evitar pérdidas de vidas

2) Asegurar la continuidad de los servicios básicos.

3) Minimizar los daños a la propiedad.

“Los sismos NO matan a la gente. Los edificios pueden matar a la gente si no se diseñan para soportar sismos”. (Dr. Javier Piqué)

Se reconoce que dar protección sísmica a todas las estructuras no es técnica ni económicamente factible. En concordancia:

Principios para el Diseño:

a) La estructura debe soportar sismos severos y NO colapsar ni causar graves daños a personas durante los sismos (estado último)

b) La estructura debe soportar sismos moderados, experimentando daños aceptables (estado de servicio)

Antes y después del sismo de México 28/07/1957 (M =7.7)

Hotel Saada, antes y después del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960

Palacio Nacional de Haití, antes y después del sismo 12/01/2010 (M = 7.0)

Edificio “Alto Río”. Av. Padre Hurtado 776, Concepción, Chile. Sismo Chile, 27/02/2010

(M = 8.8)

Edificio “Alto Río”, antes del sismo

Edificio “Alto Río”, después del sismo

Sismo Chimbote (31/05/1970)

Sismo Chimbote (1970)

Bases para el Diseño Estructural en el Perú(Códigos y Normas)

Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE)• Norma E-020→ Determinación de Cargas (pesos propios, S/C)• Norma E-030→ Determinación de Fuerzas Sísmicas• Norma E-060 (Capítulo 21)→ Diseño sísmico en Concreto Armado• Norma E-070→ Diseño en Albañilería• Norma E-050→ Aspectos relativos a Suelos y Cimentaciones.• Norma E-090→ Diseño en Acero

Código de Hammurabi (Babilonia, 1760 A.C.):

“Si un constructor ha edificado una casa para otra persona y la construcción no ha resultado sólida y la casa que se construyó se cae, causando la muerte de su propietario, ese constructor debe ser ejecutado. Si causa la muerte del hijo del propietario, deberá ejecutarse al hijo del constructor”.

Requisitospara un correcto desempeño Estructural Sismo-resistente

Requisitos para el buen Desempeño Estructural:

1. Resistencia(La estructura debe ser capaz de soportar el sistema de cargas verticales y horizontales, estáticas y dinámicas, que actúen sobre ella)

2. Rigidez(Los desplazamientos horizontales deben ser pequeños)

3. Ductilidad(Para que en determinadas zonas pueda tener un comportamiento inelástico, lo que significa fisuración, sin perder su resistencia ni que se produzca una falla frágil)(Se trata de buscar un comportamiento elástico durante sismos leves e inelástico durante sismos severos)

Para que la estructura sea rígida: El proyecto arquitectónico debe permitir ubicar muros de corte (de Concreto Armado o Albañilería Confinada, que limiten los desplazamientos laterales)

Para que la estructura sea dúctil: Se deben cumplir las exigencias de la Norma de Concreto Armado, especialmente los artículos referidos al Diseño Sismo-resistente. Esto trata principalmente del tipo de estribos, su espaciamiento, longitudes de anclaje, longitudes de traslape y detalles sobre la colocación de las armaduras dentro de las vigas.

1. Acerca de la Resistencia:

Debe existir resistencia sísmica por lo menos en dos direcciones perpendiculares.

Deben existir líneas sucesivas de resistencia (Ventaja del sistema dual Pórticos-Muros de Corte)

Deben existir trayectorias continuas para las cargas, desde su punto de aplicación hasta su punto final de resistencia.

Necesidad de disponer de líneas sucesivas de resistencia

2. Acerca de la Rigidez:

Es importante proporcionar elementos que resistan fuerzas horizontales sin deformaciones importantes (¡Placas!)

Antiguamente se consideraba el criterio de diseñar estructuras flexibles sobre suelo rígido, y estructuras rígidas sobre suelo flexible (para alejar sus frecuencias de vibración). Hoy esto se considera obsoleto y se exige siempre RIGIDEZ.

Deriva o Drift

Es el desplazamiento relativo de entrepiso

Concreto armado Δ/h ≤ 0.007

Albañilería Δ/h ≤ 0.005

Acero Δ/h ≤ 0.010

3. Acerca de la Ductilidad:

Las estructuras deben ser capaces de ingresar a una etapa plástica, sin perder su resistencia y sin llegar a la falla.

Se debe prevenir la formación de rótulas plásticas en elementos que afecten menos la estabilidad de la estructura (antes en vigas que en columnas).

Deben existir conexiones entre elementos, que permitan desarrollar la ductilidad.

Deben existir adecuadas longitudes de anclaje

Considerar que la falla por corte es frágil y causa pérdida repentina de resistencia sin suficiente disipación de energía.

Concepto de Seguridad Sísmica

Ante eventos sísmicos severos, se apela a la ductilidad de la estructura para reducir las fuerzas laterales elásticas y llevarlas a niveles de diseño compatibles con la economía y la factibilidad.

→ Se trata de conseguir un modo de falla dúctil, con capacidad de disipar energía.

Comportamiento súper dúctil en columnas de

edificio

Sismo NorthridgeLos Angeles, U.S.A.17/01/94 (M = 6.7)

Edificio de estacionamientosCal State Campus

03 pisos, Prefabricado

Principales Sistemas Estructurales Utilizados en

nuestro País

Edificio aporticado (vigas y columnas de C⁰A⁰)

Aporticado con muros de relleno

Edificios de Albañilería

Mixto I (Pórticos y Albañilería)

Mixto II (Pórticos y Muros Estructurales)

Sólo Muros Estructurales

Edificios de muros de ductilidad limitada

Sistema dual (muros estructurales y pórticos)

Edificios de losas sin vigas

Características básicas para un Sistema Estructural

Sismo-resistente

Características básicas para un Sistema Estructural Sismo-resistente

En general, independientemente del sistema estructural empleado, puede evaluarse las características sismo-resistentes de una edificación, con el siguiente cuestionario:

I. ¿La estructura es estable ante cargas laterales?

II. ¿La estructura es liviana?

III. ¿La estructura es regular en planta y en altura?

IV. ¿La estructura es rígida?

V. ¿La cimentación es compatible con el suelo?

VI. ¿La edificación tiene un sistema estructural apropiado?

VII. ¿La edificación está construida con materiales competentes?

VIII.¿La edificación presenta buena calidad de construcción?

IX. ¿La estructura tiene capacidad de absorber y disipar energía?

Si se contestan afirmativamente estas preguntas, es probable que la estructura tenga un grado de sismo-resistencia adecuado. De lo contrario, es probable que sea vulnerable ante eventos sísmicos.

I. ¿La estructura es estable ante cargas laterales?

• Aunque a simple vista una edificación parezca sólida, o el simple hecho de haber sobrevivido muchos años, no implica que la estructura sea verdaderamente estable ante cargas laterales significativas. La estabilidad de la estructura está relacionada con aspectos que incluyen la capacidad de la cimentación para resistir empujes horizontales bajo cargas dinámicas.

Edificio colapsado por volteo.

Sismo México 1985

II. ¿La estructura es liviana?

• Las cargas sísmicas son fuerzas inerciales, es decir, dependen de la masa de la edificación, puesto que son precisamente la combinación entre la masa de cada nivel y su respuesta diferencial ante la aceleración del suelo impartida por el sismo, lo que resulta en fuerzas relativas que pueden causar daño, colapso parcial o total. Así, a menor masa, menor solicitación inercial.

Estructura con masa concentrada en nivel superior: comportamiento de péndulo

invertido

Colapso de autopista elevada de Kobe, sismo 1995

Restaurant La Réserve, antes y después del sismo de Agadir, Marruecos 29/02/1960

III. ¿La estructura es regular en planta y en altura?

• Las irregularidades en planta o en altura, en términos de masa, resistencia o rigidez, pueden ocasionar concentraciones de esfuerzos, o desviaciones entre los centros de masa y rigidez, que ponen en peligro la integridad de la estructura.

Efecto de torsión en planta, causado por tanque elevado

Torsión en planta en edificio de esquina

Irregularidad en planta

Irregularidad en elevación

Edificio de albañilería demasiado esbelto (H/B > 4) →Efecto de compresión en talones de muro

IV. ¿La estructura es rígida?

• Aunque la estructura sea estable y de forma regular, la deformación total ante cargas laterales depende en gran medida de su rigidez. A menor rigidez, mayor deformación; y a mayor deformación, mayor probabilidad de daños.

Edificación con pórticos en una sola dirección

Edificio Av. Venustiano Carranza y Gante. México 1985

V. ¿La cimentación es compatible con el suelo?

• El suelo debe ser compatible con el tipo de cimentación empleado. Así por ejemplo, un suelo blando puede no ser compatible con cimentaciones superficiales aisladas convencionales y un suelo rígido no requiere de cimentaciones profundas. Así mismo, existen taludes que pueden fallar como un conjunto, por lo que es necesario determinar la superficie de falla para garantizar que la cimentación se realice con la profundidad adecuada.

Asentamientos diferenciales

Edificio de 13 pisos en Shangai, con cimentación sobre pilotes

Secuencia del colapso del edificio

VI. ¿La edificación tiene un sistema estructural apropiado?

• No todo sistema estructural es apropiado para todo tipo de cargas. Las Normas vigentes reflejan estas experiencias. Sea cual fuere el sistema estructural utilizado, debe cumplir con ciertos requisitos mínimos de configuración y continuidad para garantizar su respuesta a las solicitaciones impuestas. Por ejemplo, los elementos verticales deben ser continuos desde la cimentación.

Edificio informal de siete pisos, que originalmente fuera de tres

Edificaciones con sistema de “Piso Blando”

Sismo Pisco 15/08/2007

Entrepiso blando generado por proyecto (?) con deficiencia estructural

VII. ¿La edificación está construida con materiales competentes?

• Existen materiales que, debido a su propia naturaleza, tienen una pobre competencia ante cargas dinámicas. En cambio otros, pueden considerarse competentes para la fabricación de estructuras sismo resistentes. Además, el nivel de la resistencia y la calidad de los materiales determinan en buena parte el desempeño de la edificación durante su vida útil.

Esta lista incluye:

Concreto armado

Albañilería reforzada (confinada o armada)

Acero

Madera

Albañilería de tierra cruda: Adobe (izquierda) y Tapial

(abajo)

Colapso de viviendas de adobe

Estructuras con elementos sismo-

resistentes de madera

Edificaciones de pórticos flexibles y muros de ladrillo pandereta

Ladrillo tubular, con excesivo porcentaje de perforaciones

Vivienda de albañilería con ladrillo artesanal y ausencia total de

reforzamiento

Edificación de albañilería no reforzada

VIII. ¿La edificación presenta buena calidad de construcción?

• Es posible determinar la calidad de la construcción mediante evidencias físicas de la propia edificación, tales como la textura superficial de los elementos y la precisión de la construcción, entre muchas otras.

Vivienda de autoconstrucción, con parapetos y tabiquería de fachada sin reforzar

IX. ¿La estructura tiene capacidad de absorber y disipar energía?

• Este aspecto es el más difícil de determinar sin un estudio exhaustivo y minucioso de la estructura. Depende de su diseño y su detallado. Por ejemplo, para que un pórtico tenga capacidad de disipar energía, debe detallarse con refuerzo adecuado, no sólo en cantidad sino en configuración. Así, los estribos deben cerrarse con ganchos de 135⁰ y deben colocarse con un espaciamiento pequeño en las vecindades de las conexiones entre vigas y columnas y se debe proporcionar adecuadas longitudes de anclaje.

Columna sin refuerzo transversal. Colegio San Luis Gonzaga Ica. Sismo 15/08/2007

Columnas sin confinamiento de estribos. Sismo Sur 06/06/2001 (M = 6.9)

Falla por falta de confinamiento de estribos en columnas y posterior pandeo de refuerzo longitudinal

(Sismo Chile 27/02/10)

Falla de anclajes en unión de vigas

Columna que no llega a anclar refuerzo en zapata

(ld = ?)

Hotel Ambassador, Pisco. Sismo 15/08/2007

Caso de Hotel Ambassador(Sismo Pisco 15/08/07)

1) Baja calidad de los ladrillos, que dio lugar a una baja resistencia al corte de los muros.

2) Baja densidad de muros en la dirección corta, donde sólo habían dos muros perimetrales.

3) Mala distribución en planta de los muros, donde el muro longitudinal no aporta resistencia a fuerza cortante en la dirección corta, sino más bien genera torsión.

4) Piso blando, por existencia de cocheras.Este tipo de estructura debe evitarse.

Detallado NO dúctil de estructuras de Concreto Armado

- Refuerzo insuficiente

-Falta de continuidad en el refuerzo

-Confinamiento insuficiente

Vulnerabilidad Sísmicarelacionada con el

Proyecto de Arquitectura

Vulnerabilidad Sísmica

Es el nivel o grado de daño que la edificación está expuesta a sufrir, cuando se encuentra sometida a la acción de un sismo.

• Es inversamente proporcional a la capacidad sísmica con la que se encuentra construida.

• Es variable con el transcurrir del tiempo.

Algunos factores que determinan la Vulnerabilidad Sísmica

1) Vulnerabilidad de sitio y tipo de proyecto

Amplificación de intensidades sísmicas

Posibilidad de licuefacción

Terrenos inestables

2) Vulnerabilidad estructural por configuración arquitectónica

Simetría

Continuidad y Proporcionalidad

Incumplimiento de Hipótesis de Diafragma Rígido

Columnas cortas

3) Vulnerabilidad global de la estructura

Piso blando

Torsión en planta

Incompetencia sísmica por falta de rigidez

4) Juntas de separación sísmica e interacción entre estructuras.

5) Falta de compatibilidad entre Arquitectura, Estructuras e Instalaciones

6) Mala praxis constructiva

1) Vulnerabilidad de sitio y tipo de proyecto

Amplificación de intensidades sísmicas

Posibilidad de licuefacción Terrenos inestables

Amplificación sísmica en suelos blandos

Amplificación símica en terrenos desfavorables

La topografía del terreno influye en la amplificación del movimiento sísmico cuando se trata de ubicaciones desfavorables (bordes de mesetas, cimas y laderas de cerros)

Fenómeno de licuefacción del suelo

Licuación de suelo arenoso con napa freática alta

Condiciones:

1) Suelo granular suelto

2) Napa freática superficial

3) Vibración sísmica

Afloración de agua por licuefacción del suelo

Licuefacción de suelos

Tambo de Mora,

Chincha

Sismo 15/08/2007

Tambo de Mora, Chincha. Sismo 15/08/2007

Licuefacción del suelo en Chimbote (1970)

Licuación del suelo que ha comprometido la estabilidad de las edificaciones. Sismo Nigata, Japón 16/06/1964

Deslizamiento por inestabilidad de taludes

Yungay, antes y después del aluvión (1970)

Urbanizaciones de playa (Km 111 Panamericana Sur) sobre plateas superficiales en talud pronunciado de

arena suelta.

2) Vulnerabilidad estructural por configuración arquitectónica

Simetría

Continuidad y Proporcionalidad

Incumplimiento de Hipótesis de Diafragma Rígido

Columnas cortas

Fallas relacionadas con la SIMETRÍA

oAsimetría en planta

oAsimetría en elevación

Simplicidad y Simetría.

Acerca de la simplicidad:

• Las estructuras simples son más fáciles de idealizar y de predecir su comportamiento.

• Peso mínimo (sobre todo en los pisos altos)

Acerca de la simetría:

• La simetría evita la presencia de efectos torsionales (coincidencia entre el centro de masa y el centro de rigidez).

Daños en edificación asimétrica en planta

oEdificios con asimetría en planta(Formas L, T ó H) (La asimetría ocasiona esfuerzos importantes debidos a la torsión)

Fenómeno de “aleteo”

Central de Telecomunicaciones. México

1985

Anchorage, Alaska 1964

(Plantas con esquinas entrantes)

En general, tratar de evitar las plantas con esquinas entrantes, ya que en dichos vértices se producen concentraciones de esfuerzos, por lo que deben evitarse, procurando que la planta del edificio sea lo más compacta posible.

Plantas con alas muy alargadas:

(Cuando el edificio tiene alas muy alargadas, estas tienden a vibrar en diferentes direcciones, generando grandes concentraciones de esfuerzos en las esquinas entrantes de la planta)

Posibles soluciones para edificios con alas muy largas:

o Edificios con asimetría en elevación

(Efecto de “latigazo” debido al cambio brusco de rigidez → concentración de esfuerzos)

Daños causados por sismo debido al cambio de rigidez de la estructura

Efecto de “latigazo” en vivienda con irregularidad vertical en planta

(Sismo Pisco 15/08/07)

Posibles soluciones a la reducción en elevación:

Fallas relacionadas con la CONTINUIDAD

oDiscontinuidad de elementos verticales

Acerca de la Uniformidad y Continuidad

• Evitar cambios bruscos de rigidez, que causan concentraciones de esfuerzos (caso de placas que se interrumpen en niveles inferiores)

Colapso por discontinuidad de elementos estructurales verticales

Daños en edificación con discontinuidad estructural vertical (Pisco 2007)

Efecto de concentración de

esfuerzos

Problema de transición de columna(Origina articulación en el nudo → Los momentos de la columna superior no se pueden transmitir a la inferior)

Falla en apoyo de columna sin continuidad vertical

Discontinuidad de columna en obra

Falla en columna sin continuidad

Graves deficiencias de

autoconstrucción

Falla de dintel peraltado discontinuo

Fallas relacionadas con la HIPÓTESIS DE DIAFRAGMA RÍGIDO

o Aberturas grandes en las losas de piso

o Formas rectangulares muy alargadas

Acerca de la Hipótesis de Diafragma Rígido

Permitir que la losa pueda considerarse rígida en su plano para poder distribuir las fuerzas horizontales de acuerdo a la rigidez lateral de los elementos verticales (placas y columnas).

Evitar grandes aberturas, reducciones en planta, formas alargadas en planta, formas T, L ó H.

o Edificios con aberturas importantes en las losas de piso

(Comportamiento no unitario de la estructura) (Ej: Edificios de bloques unidos por “puente”)

Colapso de edificio FourSeasons (06 pisos)

Sismo Anchorage, Alaska, 1964

oEdificios de formas rectangulares muy alargadas.

La hipótesis de diafragma rígido NO es válida y el efecto de la torsión accidental es muy importante.Además, ante la acción del movimiento del terreno, los movimientos de la base difieren de un extremo a otro. Las vibraciones en planta, incrementan las solicitaciones en la parte central del edificio.

Sismo México 1985

Posibles soluciones para plantas muy alargadas o con aberturas importantes:

Conclusión:

Muchas veces, las exigencias y caprichos de los dueños de los proyectos y la gran imaginación de los encargados del diseño arquitectónico, parecen carecer de los aspectos principales y criterios de diseño sismo-resistente, y no parecen estar conscientes del peligro que sus atrevidos diseños pueden representar en zonas sísmicamente activas.

o Falla de columna corta(Efecto de tabiques de ladrillo con ventanas altas)

(La porción libre de la columna adquiere mucha mayor rigidez que las no restringidas, generando sobre ella elevada demanda de corte → Falla frágil por tracción diagonal ante elevados esfuerzos cortantes)

Como la rigidez lateral es:

La columna de menor longitud tendrá mayor rigidez y por tanto asumirá mayor fuerza cortante.

Deformación de columna corta confinada parcialmente por muros

Problema de “Columna Corta”

Sismo Nazca 1996A pesar de tener tecnoport separando 2 cm, las columnas de los tabiques de los colegios sufrieron daño porque la deformación era mayor.

Solución al problema de columna corta en centros educativos: independización de tabiques y uso de

columnas estructurales más rígidas

3) Vulnerabilidad Global de la Estructura

Torsión en planta

Piso blando

Incompetencia sísmica por falta de rigidez

Torsión en planta

Hotel Embassy. Sismo Pisco 15/08/2007 (M = 7.9)

Sismo Armenia, Colombia 25/01/1999

(M= 6.2)

Sismo México 19/09/1985 (M = 8.1)

Falla de columna esquinera por

efecto de la torsión en planta

Daño en columna perimetral por vibración

torsional

Efecto de “piso blando”

Muros o placas que se eliminan en el primer piso, concentrando demandas de ductilidad excesivas para las columnas del primer piso, dado el comportamiento de sólido rígido de las placas superiores

(Las deformaciones por desplazamientos laterales se concentran en un solo piso y pueden exceder la capacidad de deformación de dicho piso)

Edificio “Don Tristán”, Maipú, Santiago,

Sismo Chile 27/02/2010

Sismo Popayán, Colombia(31/03/1983)

Sismo El Salvador 10/10/1986 (M = 7.5)

Sismo Managua, Nicaragua 23/12/1972

(M = 6.2)

Hospital Olive ViewSismo San Fernando, California, E.E.U.U.

09/02/1971 (M = 6.6)

(Izq.sup. e inf.)Sismo México

19/09/1985 (M = 8.2)

(Abajo)Sismo Erzinkan, Turquía,

1992

Colapso de pisos blandos intermedios(Sismo de Kobe, 1995)

Edificios que han colapsado debido a mala competencia sísmica en una dirección

(Ej: Pórticos de vigas chatas y columnas de poco peralte en la denominada dirección “secundaria” → excesiva deriva en dicha dirección)

Daños por mala competencia sísmica en una dirección

Edificación de pórticos flexibles en la dirección transversal

Edificaciones con insuficiente rigidez lateral en la dirección transversal

Sismo Huaraz 31/05/70 (M = 7.6)

4) Juntas de separación sísmica e interacción entre estructuras

Junta de separación sísmica

Casos de presencia y ausencia de junta

Choque entre edificios

Si no existe suficiente separación sísmica entre edificios adyacentes, su manera distinta de vibrar ante la solicitación sísmica puede producir el choque entre ellos. Esto es más peligroso cuando los edificios adyacentes no coinciden en sus alturas de entrepiso.

Choque de edificios, Sismo México 1985

Sismo Tokachi-Oki, Japón, 1968

Sismo Pisco15/08/2007

5) Falta de compatibilidad entre Arquitectura, Estructuras e

Instalaciones

Juntas de construcción

Juntas de llenado

Junta de construcción que se transformó en rótula plástica

Generación de rótula plástica en viga

Falla de conexión en nudos sin ductilidad por

ausencia de estribos

Empalme en zona inadecuada de columna

Exceso de cuantía en refuerzo de columna (1% ≤ρ≤ 6 %)

Tubos para instalaciones sanitarias. (¿Y el

muro portante de ladrillo?)

Tubería en medio de núcleo confinado de placa

Ductos y cajas para instalaciones

eléctricas. (Del muro de

concreto no quedó nada)

Tubería que atraviesa viga en zona inadecuada

Tubería en sección crítica de volado

6) Mala praxis constructiva

Falta de vibrado en el concreto de la columna

Estribos abiertos

Estribos deficientes(Mala habilitación del

fierro)

.

Falta de recubrimientos

Insuficiente recubrimiento en refuerzo de viga

Insuficiente recubrimiento en refuerzo de columna

Cangrejeras y falta de recubrimiento

Cangrejera en una vigueta de aligerado

Cangrejeras en columna (f´c = ??)

Falta de protección temporal en las armaduras. → Futuro problema de corrosión

Columnas con alto grado de

oxidación

Alto grado de corrosión por acción

de la brisa marina

Daños en tabique en encuentro con viga

Falla en unión de tabique con placa

Falla en tabique no independizado de estructura sismo-resistente

Colapso total de tabiques divisorios

Grieta en zona de unión de alféizar, por falta de

independización

Grieta por efecto de “muro corto”

Aislamiento adecuado de alféizares (albañilería armada y confinada)

Conexión dentada (insuficiente) y arriostrada (correcta) en tabiques en aleros

Falla de tabique no arriostrado

Falla de parapeto

(Observar desprendimiento de reparaciones ejecutadas por daños de sismos anteriores)

Técnica tradicional de reparación de muros de albañilería confinada

1. Reemplazo de ladrillos

2. Reparación de columnas

3. Resane de fisuras

4. Relleno de zona central con concreto simple

Colapso de edificación de albañilería con ausencia de solera

Procedimiento incorrecto: vaciado de la solera en dos etapas

Consecuencias de técnica constructiva inadecuada

(Sismo Pisco 15/08/2007)

Aplastamiento en muro de albañilería

Falla en muro de albañilería por punzonamiento de descanso de escalera

Comportamiento sísmico de muros no confinados

Daño por falta de reforzamiento en

aberturas

Daño por falta de separación en

ventanas y puertas

Trituración de celdas vacías en muro armado parcialmente relleno

Falla en unión de vigas fuera del plomo de la columna

Estructuras inestables

Colapso de escalera por formación de articulación

Ejemplos de Proyectoscon una adecuada Estructuración

Sismo-resistente

Edificio Residencial Óvalo Pardo

• Tres sótanos y dieciséis pisos

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y Percy Vivas Vélez

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Óvalo Pardo, (Av. Pardo Nº 1085) Esq. Av. José Pardo, M. Napanga y A. León, Miraflores

• Área : 10297.40 m2

Edificio Residencial Pardo II

• Cuatro sótanos y veintiún pisos

• Arquitectura : Edwin Colonia Villarreal y Carlos Romero Luna

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Av. Pardo Nº 1001 (Esquina Av. Pardo y Calle Ramón Zavala) Miraflores.

• Área : 8331.91 m2

Edificio Residencial Alexander

• Dieciocho pisos (muros de ductilidad limitada)

• Arquitectura : Edgardo Flores Díaz y PercyVivas Vélez

• Estructuras : Oscar Fernández Cruz

• Ubicación : Av. Alberto Alexander 2263-2267, Lince.

• Área : 6858.21 m2

Muchas gracias por su atención

Ing. Oscar Fernández Cruz

www.ciepsat.com