criterios de estructuracion
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Criterios de estructuracin
Presenta: Ing. Aristides Mauricio Perla
Importancia de la configuracin estructural -Es frecuente en la practica
que la mayor parte del tiempo que se dedica al diseo estructural de un edificio se invierta en los procesos de anlisis y dimensionamiento y que se examinen solo con brevedad los aspectos de diseo conceptual y de estructuracin.
Importancia de la configuracin estructural -Es
evidente que la configuracin estructural queda en buena parte definida por el proyecto arquitectnico. En esta etapa es esencial la interaccin entre el responsable del proyecto arquitectnico y el del proyecto estructural.
-Constituye un reto para los proyectistas conjugar las necesidades arquitectnicas y estructurales y lograr un proyecto a la vez funcional, seguro y estticamente atractivo.
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Caractersticas relevantes del edificio para el comportamiento ssmicoPeso Debe procurarse que el edificio sea lo mas ligero posible.
Conviene ubicar en los pisos bajos las reas donde se
prevn mayores concentraciones de pesos y evitar los apndices 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.
Para que una estructura se califique como regular debe
cumplirse que: el peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseo ssmico, no es mayor que el del piso inmediato inferior ni, excepcin hecha por el ultimo nivel de la construccin es menor que 70 por ciento de dicho peso.DISTRIBUCIONES INDESEABLES DEL PESO DEL EDIFICO
a) Concentracin en pisos superiores
b) Distribuciones asimtricas
Forma del edificio en planta Algunos aspectos de la forma en planta del edificio
propician una respuesta ssmica poco conveniente y deben evitarse. Entre estos aspectos lo principal es la asimetra de la planta.Formas asimtricas indeseables
Es factible minimizar la vibracin torsional mediante una distribucin de elementos resistentes que haga coincidir el centro de masa con el centro de torsin.
Otra solucin es la subdivisin del edificio en cuerpos
independientes y regulares mediante juntas de construccin (tambin llamadas juntas ssmicas).Posibles soluciones para eliminar los problemas de plantas asimtricas.
a) Distribucin apropiada de elementos para hacer coincidir el centro de masa y centro de torsin. b) Separacin en cuerpos simtricos mediante cargas ssmicas. c) Vigas de liga entre salientes.
Problemas de edificios muy alargados en planta
Limites recomendados para los lados de la planta de un edificio
Posibles soluciones para plantas muy alargadas
Plantas con esquinas entrantes (indeseables)
Forma del edificio en elevacin La sencillez, regularidad y simetra son deseables tambin en
la elevacin del edificio para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en ciertos pisos o amplificaciones de la vibracin en las partes superiores del edificio.Posibles soluciones a la reduccin en elevacin
La esbeltez excesiva de la construccin puede provocar
problemas de volteo, de inestabilidad y de transmisin de cargas elevadas a la cimentacin y al subsuelo. Las normas ssmicas permiten considerar la estructura
como regular, solo si su relacin de esbeltez no excede de 2.5.
Limitaciones a la esbeltez del edificio
Separacin entre edificios adyacentes Al ubicar la posicin exacta del edificio dentro del terreno
correspondiente es importante una separacin que sea suficiente con respecto a edificios adyacentes para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo.Separacin entre edificios adyacentes para evitar choques.
Requisitos bsicos de estructuracin En trminos generales podemos establecer los cuatro
requisitos siguientes para el sistema estructural de edificios en zonas ssmicas: 1. El edificio debe poseer una configuracin de elementos estructurales que le confiera resistencia y rigidez a cargas laterales en cualquier direccin.2. La configuracin de los elementos estructurales debe
permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas sismicas desde el punto en que estas se generan.
3. Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las
concentraciones de solicitaciones y las vibraciones torsionales que pueden producirse por la distribucin irregular de masas o rigideces en planta. Para tal fin conviene que la estructura sea lo mas posible: sencilla, regular, simtrica y continua.4. Los
sistemas estructurales deben disponer de redundancia y de capacidad de deformacin inelstica que les permitan disipar la energa introducida por sismos de excepcional intensidad.
Sistemas estructurales bsicos para proporcionar la
resistencia a cargas laterales de los edificios. El marco tridimensional: es el que esta formado por columnas y vigas en dos direcciones, conectadas entre si de manera de permitir la transmisin de momentos flexionantes y proporcionar rigidez lateral a la estructura.
El
marco rigidizado: con diagonales de contraviento con ncleos rgidos o con muros de relleno. En estas estructuras la interaccin entre los dos sistemas bsicos produce una distribucin de las cargas laterales que es compleja y variable con el numero de pisos.
La estructura tipo cajn: de paredes de carga, esta
formada por paneles verticales y horizontales conectados para proporcionar continuidad.
Requisitos especficos de estructuracin El primer requisito bsico expuesto en la seccin anterior
es que el edificio debe poseer un sistema estructural que le proporcione rigidez y resistencia en dos direcciones ortogonales, para ser capaz de soportar los efectos ssmicos en cualquier direccin.A
continuacin veremos ejemplos frecuentemente usados en zonas no ssmicas y que no cumplen con el requisito anterior, as como tambin sus posibles soluciones.
Requisitos especficos de estructuracinEdificio estructurado con marcos en una sola direccin
Soluciones a la situacin de la figura anterior
Requisitos especficos de estructuracinEdificio con muros alineados en una sola direccin.
Edificio con muros en dos direcciones
Con respecto a la vibracin torsional deben evitarse que
se presenten excentricidades no solo cuando la estructura responde en su intervalo lineal, sino tambin cuando algunos de sus elementos responden no linealmente.Configuracin estructural con posible problema de torsin en comportamiento no lineal.
Conviene equilibrar la rigidez de marcos con la de otros marcos, la de muros de concreto con otros muros de concreto, etc.
El siguiente aspecto que hay que cuidar es la continuidad
en elevacin del sistema estructural . Los cambios bruscos de rigidez y resistencia con la altura llevan a diversos problemas que se ilustran esquemticamente en la figura.
Ventajas y limitaciones de los sistemas estructurales bsicos MARCOS RGIDOS El marco tridimensional es un sistema muy
conveniente por la gran libertad que permite en el uso del espacio interno del edificio.
Desde el punto de vista ssmico su principal ventaja es
la gran ductilidad y capacidad de disipacin de energa que se pueden lograr con este sistema.
Los edificios a base de marcos resultan en general
considerablemente flexibles y en ellos se vuelve critico el problema de mantener los desplazamientos laterales dentro de los limites prescritos por las normas. La alta flexibilidad de los edificios a base de marcos da
lugar a que su periodo fundamental resulte en general largo. Esto es favorable cuando el espectro de diseo tiene ordenadas que se reducen fuertemente para periodos largos como el que es tpico de edificios desplantados en terreno firme.
Sistemas tipo cajn 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 laterales. La falla por flexin es mas dctil que una falla por corte. El campo de aplicacin de estos sistemas se concentra en
edificios de altura baja o mediana, no por limitaciones estructurales, sino porque en edificios altos es difcil mantener en todos los pisos una misma distribucin del espacio en reas pequeas y uniformes.
Marcos rigidizados Las muchas variantes que existen de marcos rigidizados
con contravientos o con muros constituyen uno de los sistemas mas eficientes para resistir fuerzas ssmicas. Mediante
una atinada distribucin 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.
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 as se transmiten a reas concentradas de la cimentacin.
Distribuciones concentrada y uniforme de elementos rigidizantes. Hay que evitar en estos sistemas concentrar la rigidez en un pequeno numero de elementos y hay que procurar distribuir de manera uniforme en la planta de la estructura el mayor numero posible de elementos rigidos.
Los sistemas rgidos pueden ser ubicados en grandes
Otros Sistemas
ncleos centrales asociados a los servicios de escaleras y elevadores o distribuidos a lo largo de las fachadas del edificio.Estructuracin con ncleo central
Como se ha mencionado en el inciso anterior, la solucin de resistir la totalidad o la gran mayora de las fuerzas ssmicas en un solo ncleo central tiene el inconveniente de producir un fuerte momento de volteo en la base del ncleo con la transmisin de fuerzas muy elevadas a la cimentacin.
Muchas son las variantes en que puedes aprovecharse
las fachadas para rigidizar el edificio, con la ventaja de distribuir la resistencia en todo el permetro y de minimizar la transmisin de esfuerzos a la cimentacin. Las soluciones van desde usar marcos muy robustos en
la fachada por las proporciones de sus miembros.
Estructuracin con marcos robustos en fachada y muros interiores flexibles.
Tambin por el espaciamiento muy cerrado de las
columnas.Estructuracin con fachada rigidizada por columnas poco espaciadas.
No es posible usualmente cumplir con el concepto de vigas dbiles-columnas fuertes, ya que la resistencia en flexicompresion de estas ultimas resulta critica en el modo de falla. Sin embargo, por el numero elevado de columnas en los marcos de fachada, las cargas axiales sobre cada una resultan moderadas.
La rigidizacion de la fachada puede lograrse tambin mediante combinacin de marcos y crujas con contravientos o con muros de rigidez. Una forma muy eficiente de rigidizacion es mediante el uso de macromarcos en los que los muros de rigidez o contravientos, estn acoplados por elementos horizontales de toda la altura de entrepiso.
Edificios rigidizados con muros de concreto acoplados.
Estructuras con contravientos y con muros de rigidez. El mximo aprovechamiento de la fachada es mediante una rigidizacion total con contravientos, de manera que se forma una gran armadura vertical que envuelve al edificio.
Edificios rigidizados con contravientos.
Sistemas de piso y techo. Diafragmas horizontales Otros elementos que cumplen una funcin importante
para la resistencia ssmica, son las losas y los sistemas de piso y techo en general, que son los que distribuyen las fuerzas horizontales que se generan por efectos de inercia entre los elementos verticales resistentes.Transmision de fuerzas de inercia en la estructura.
La falta de diafragmas horizontales rgidos produce diversos
problemas, como los siguientes:a)
Las fuerzas de inercia y las cortantes de entrepiso no se distribuyen entre los distintos elementos resistentes, en forma proporcional a la rigidez de estos. En general, cada sistema vertical resistente recibe las fuerzas que se generan en su rea tributaria.
Distribucion de las fuerzas de inercia cuando el sistema de piso no constituye diafragma rigido
b) En sistemas a base de muros de carga las fuerzas de
inercia puede producir empujes sobre los elementos perpendiculares a la direccin de las fuerzas ssmicas. Estos quedan sujetos a fuerzas normales a su plano, para las cuales tienen escasa resistencia.
Empujes normales al plano de los muros que se generan cuando la losa no constituye diafragma rgido.
c) La ausencia de un diafragma de piso rgido puede
ocasionar la distorsin de la estructura en planta e invalidar la hiptesis de que las fuerzas ssmicas actuantes en cualquier direccin pueden descomponerse en fuerzas aplicadas sobre los sistemas ortogonales resistentes de la estructura.
Distorsin en el plano ante fuerzas ssmicas en direccin diagonal, cuando el sistema de piso no constituye un diafragma rgido.
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