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