mesa redonda planta baja débil, problemas de torsión e

MESA REDONDA

Planta baja débil, problemas de torsión e irregularidades en edificios para vivienda en zonas de alto riesgo sísmico: diseño y concepción

ARTURO TENA COLUNGA

Cuernavaca

7 /10/2011

CRÉDITOS

Las fotos presentadas en esta conferencia, además de las que son originales de un servidor, también proviene de páginas web y presentaciones públicas en internet [ssn, nisee-berkeley, EERI, Jack Moehle (2010), Miyamoto et al. (2009) en daños por sismos] y de la generosa colaboración de colegas que me han facilitado con anterioridad algunas fotos, por lo que deseo expresar mi más sincero reconocimiento y agradecimientos a:

Dra. Consuelo Gómez Soberón, Dr. Alonso Gómez Bernal, Dr. Tiziano Perea Olvera, Dr. David Murià Vila, Dr. Javier Piqué del Pozo y M. en I. Raúl Jean Perillat.

Agradezco también a mis alumnos Tomás Rosado, José Cortés y Eber Godínez, de quienes muestro algunos de sus resultados relacionados con condiciones de irregularidad estructural de las tesis que les he dirigido.

También empleamos esquemas simplificados publicados originalmente por Arnold y Reitherman (1980)

Debate

¿Debemos “concebir” y luego “diseñar” edificios para vivienda con fuertes condiciones de irregularidad estructural en zonas de alto peligro sísmico?

ó

¿Debemos evitar en la medida de lo posible, o en su defecto limitar (acotar), en zonas de alto peligro sísmico las condiciones de irregularidad estructural fuertes?

Para intentar contestar esta disyuntiva, nos apoyaremos en lo que se ha observado en sismos pasados en México y otras partes del mundo, en los resultados de algunas investigaciones, y en reflexiones un poco extremistas, para ponernos en una posición de “Abogado del Diablo”

Enseñanzas de sismos pasados

¿Qué no ha aprendido de ellos en general la ingeniería estructural mexicana?

Primero, lo más importante, los Arquitectos no tienen ni idea (NPI)

de lo que es el diseño sismorresistente y su diferencia con zonas no sísmicas. Por ende, en zonas sísmicas, ellos no deben controlar al 100% la geometría y estructuración de la edificación…

Desde el punto de vista de diseño estructural y de construcción, aparentemente, se siguen cometiendo los mismos errores o errores similares, a pesar de contar con mayor información, mejores herramientas de trabajo y una mejor normatividad.

Muchos de estos errores son por: a) sumisión con los arquitectos, b) falta de preparación, c) actos de irresponsabilidad o de soberbia.

Al parecer le estamos perdiendo el respeto a los sismos y sus efectos, error que se repite cíclicamente.

Estos puntos son los que trataremos de ilustrar en esta presentación.

¿Qué debería hacer cualquier estructurista?

Con base en la información que se incluye en los reglamentos modelo de México y lo que ya se ha difundido en libros de texto, numerosas publicaciones y conferencias a nivel nacional, me resulta claro que un buen estructurista debe saber que en el diseño de cualquier estructura en una zona de alto peligro sísmico, es fundamental lo siguiente:

Tener sólidos conocimientos de dinámica estructural, es decir, relacionar la estructuración seleccionada (sistema, periodo elástico inicial, resistencia lateral provista, detallado) con el periodo del sitio empleado (dependientes del tipo de suelo de desplante), para evitar, en medida de lo posible, respuestas resonantes.

Vigilar, en medida de lo posible, por la regularidad estructural. Si no es así, informarse de cómo afectan las distintas condiciones de irregularidad la respuesta de la estructuras, para tomar medidas preventivas. Este es el tema de nuestra mesa.

¿Se hace?

Nos consta personalmente (y a muchos otros colegas) que

existen muchos ingenieros que diseñan edificios de todo tipo (vivienda incluída) en el DF y en todo el país bajo las siguientes premisas:

Usan exclusivamente el método estático.

No toman en cuenta los efectos de interacción suelo-estructura.

Usan el espectro de “la zona” y jamás se preocupan por el periodo del sitio de desplante de la estructura, etc.

No revisan que se cumplan las condiciones de regularidad estructural. Por lo tanto, si la estructura resultara irregular, pues la diseñan como regular…

Sus memorias de cálculo y planos son deficientes. La verdad, dan vergüenza ajena…

“ÁRBOL QUE NACE TORCIDO, NUNCA SU TRONCO ENDEREZA..”

Nuestro punto de vista general (desde un punto de vista

exageradamente fatalista) es que consideramos que seguirán fallando algunas estructuras a pesar de ser diseñadas “conforme a reglamentos modernos”.

Entre las razones están las malas concepciones estructurales (irregularidades innecesariamente fuertes y/o evitables), agravadas en muchos casos en función de la dinámica estructural y las características del suelo de desplante.

Lo anterior se agrava si no existe un diálogo abierto y propositivo con los responsables del proyecto arquitectónico.

También se agrava cuando muchos ingenieros no entienden que un sistema de piso que es competente a carga vertical no equivale a un diafragma rígido y resistente, ¡hay que revisarlo!

En las siguientes diapositivas expondremos nuestros puntos de vista sobre lo que deberíamos haber aprendido sobre comportamiento estructural durante sismos pasados en cuestiones de irregularidad estructural y sus posteriores estudios, pero que al parecer no todos los proyectistas han asimilado.

¿En qué estamos fallando?

Enseñanzas del sismo de septiembre de 1985

Sistemas de piso:

Losa plana aligerada: El sismo mostró la gran vulnerabilidad en la zona de lago de las estructuras de mediana altura de concreto reforzado que utilizaban como sistema de piso a losas planas reticulares, donde se observaron numerosos colapsos (125). Fue claro que el sistema era relativamente flexible y no funcionaba del todo como un diafragma rígido y resistente.


Sistemas de piso:

Losa plana aligerada: Desde ese entonces, las normas de diseño por sismo castigaron notablemente a este sistema estructural, y en parte por ello, o por el recuerdo de los colapsos, este sistema estructural había caído en desuso en la zona del lago.

Práctica actual, sistemas de piso

Losa plana aligerada:

Actualmente se construye con una variante del sistema, al apoyarse ahora esta losa en vigas peraltadas que forman marcos propios con las columnas, lo que le proporciona al edificio mayor rigidez y resistencia a cargas laterales.

Sin embargo, resulta claro que aún se sigue diseñando este sistema esencialmente por cargas verticales y no se considera mucho su potencial flexibilidad lateral.


El problema es que la nueva moda es usar casetones de un metro por lado, por lo que el firme de compresión es ahora el principal responsable de funcionar como diafragma “rígido y resistente”.

¿Se diseña y revisa para ello?, o ¿se escudan en las opciones de modelado como diafragma rígido de San ETABS, SAP-2000, STAAD-Pro y similares para decir que lo es?


En mi opinión, en la práctica profesional no se ha aprendido lo suficiente de los colapsos de los edificios con losas planas aligeradas durante el sismo de 1985.

Fue un error el haber permitido utilizar indiscriminadamente en una zona de alto peligro sísmico y en edificios de altura importante a un sistema de piso del cual se tenía muy poca información experimental y analítica sobre su comportamiento ante carga lateral. En esos tiempos sólo existía un estudio hecho por Meli y Rodríguez, que se inició como consecuencia de la masificación del uso de losas planas aligeradas.

Es un error tremendo, en zonas sísmicas, diseñar al sistema de piso exclusivamente con base en consideraciones de cargas verticales.

Es un error imperdonable considerar que todos los sistemas de piso constituyen, por decreto, un diafragma rígido y resistente ante carga lateral.

Sin embargo, todo esto ¡SE SIGUE HACIENDO!


¿Es un diafragma rígido o uno flexible?

F

L1

L2

F

L1

L2


¿Es suficientemente resistente para transmitir cargas laterales? F

L1

L2

Irregularidades: Flexibilidad de Diafragma

Amplifica notablemente las demandas de deformación de los elementos resistentes más centrales, además de los más flexibles lateralmente.

En muchas ocasiones estas deformaciones no uniformes producen daño en elementos resistentes en la dirección perpendicular.

Las plantas alargadas favorecen la flexibilidad del diafragma.

Enseñanzas del Sismo de San Fernando (1971)

Flexibilidad de diafragma

Enseñanzas del Sismo de Caracas (1967)

Edificio El Mirador, planta muy alargada y muy esbelto

Edificio Nuevo León, Sismo 19/09/85

Planta alargada + esbelto + columnas cortas

Enseñanzas del Sismo de Maule (2010)

Esbeltez y planta alargada. Santiago

Estudio exploratorio (Tena, Rosado y Cortés)

Losa maciza

perimetralmente

apoyada

Losa plana aligerada

con casetones

40x40 cm

Vigueta y bovedilla

(dimensiones

tradicionales)

Rosado: Marcos a momento, relaciones de aspecto de planta A/B de 1 a 3, claro menor de 4m.

Cortés: Muros de mampostería, A/B=1, 1.5, 2, claros y restricciones del método simplificado

A

B

A B C

Resultados de Rosado, losa plana casetones 40x40

A

B

A B C

Resultados de Rosado vigueta y bovedilla tradicional

A

B

A B C

Resultados de Rosado vigueta y bovedilla poliest.

OJO: Rosado consideró la bovedilla de espuma de poliestireno

inicial, de dimensiones y espesores muy similares a la bovedilla de concreto tradicional

A

B

A B C

Resultados de Rosado, Cortante Marco interior/exterior

OJO: Rosado consideró: a) casetones de 40 x40 cm y, b)

bovedilla de espuma de poliestireno inicial, de dimensiones y espesores muy similares a la bovedilla de concreto tradicional

A

B

A B C


Oh my God!, cada vez se atreven a poner bloques de espuma de poliestireno de mayores dimensiones en vivienda, cuando ¡su rigidez y resistencia lateral es prácticamente nula!


Oh my God!, ¡se están atreviendo en Edificios de Departamentos VIP de más de 20 pisos! Gente que gasta más de $4 millones por Departamento cercanos a 90 m2 ¡corren el peligro de perder su vida, o de perdida su inversión, por esta bola de irresponsables!


Esperemos que el sismo de la brecha de Guerrero que esperamos (M=8.2-8.4) no nos enseñe que nuevamente cometimos un error tremendo permitiendo la aplicación masiva de un sistema de piso sin estudios suficientes sobre su competencia ante carga lateral en edificios importantes del DF, sobre todo en la zona de terreno blando.

Ya tenemos un mega-inventario de edificios construidos con este sistema de piso en la Roma, Condesa, Juárez, Cuauhtémoc, zona centro (Doctores, Obrera, etc.), Polanco, Del Valle, Narvarte, Álamos, Azcapotzalco, municipios conurbados, etc., …


Estructuras irregulares:

Este sismo demostró lo vulnerables que son las estructuras irregulares, aún las diseñadas con las normas sísmicas de la época (1966 y 1976). Destacan por su vulnerabilidad las siguientes condiciones de irregularidad:

Piso débil y torsión (edificios de esquina), 42% de los colapsos.

Práctica actual, Edificios en Esquina

Aunque se observan algunas mejoras,

Oh my God! varios edificios recientes parecen cojear del mismo pie, y unos de plano demuestran que los diseñaron Arquitectos más Ingenieros con formación NPI o MVM ….

Irregularidades: Piso Suave

Fomenta una concentración descomunal de demandas de deformación y de resistencia en los elementos resistentes del piso suave (columnas), que en la mayor parte de los casos produce el colapso del edificio.

Enseñanzas de muchos sismos

Piso suave o débil (condominios colonias Roma y Condesa, 8% de los colapsos del sismo del 19/9/85). Se repitió en Puebla en el sismo de 15 de junio de 1999 (foto).

d1

d2


Edificio con primer piso suave

Enseñanzas del Sismo de San Fernando (1971)

Colapso Hospital Olive View (Piso Suave)

Enseñanzas del Sismo de Valparaíso (1985)

Edificio con primer piso suave

Enseñanzas del Sismo de Loma Prieta (1989)

Primer piso suave o débil (Marina District)

Enseñanzas del Sismo de Northridge (1994)

Primer piso suave o débil

Enseñanzas del Sismo de Izmit (1999)


Enseñanzas del Sismo de Chi-Chi (1999)


Enseñanzas del Sismo de Java (2006)


Enseñanzas del Sismo de Pisco (2007)


Enseñanzas del Sismo de Wenchuan (2008)


Enseñanzas del Sismo de L´Aquila (2009)

Planta irregular con primer piso suave o débil

Hotel Duca D´Abruzzi

Enseñanzas del Sismo de Haití (2010)


Palacio Nacional

Reglamentación, Piso Suave

A consecuencia de lo observado en los sismos de 1985, a partir de

1987 se definieron las condiciones de regularidad estructural en nuestros reglamentos y un procedimiento de diseño simple pero más conservador para prevenirlo.

La condición de piso suave se definió con base en estudios conducidos por Sonia Ruiz y Luis Esteva en modelos idealizados.

Más adelante, un servidor ha evaluado esta condición y sus definiciones utilizando modelos más complejos de estructuras con piso suave totalmente diseñadas conforme al RCDF.

d1

d2

D

F

Q

Q

Q´

0.8Q´

Irregular

Regular

Estudio de referencia

ETABS ETABS

XY

Z

PSUAVE

DEFORMED

STATIC

LOAD A

TOP 12NIVEL

BOT 1NIVEL

MINIMA

X 0.0000E+00

Y 0.0000E+00

Z 0.0000E+00

MAXIMA

X 0.0000E+00

Y 0.0000E+00

Z 0.0000E+00

MARCO A MARCO B MARCO C MARCO D

elemento rígido de liga

Práctica Actual: Pisos Suaves

A pesar de que la mayoría de los estructuristas saben y están conscientes del mal desempeño de este sistema, muchos ceden ante las presiones de arquitectos y dueños.

Resultado: Un verdadero buffet de edificios (condominios) con piso suave por toda la ciudad de México y, por supuesto, en las colonias “más dinámicas” y resonantes con los sismos…

En otras ciudades afectadas por los sismos no debe cambiar mucho el panorama…

Práctica Actual: Pisos Suaves

Irregularidades: Torsión

Propicia que se presenten demandas no uniformes de elementos estructurales diametralmente opuestos, lo que normalmente lleva a que la estructura se dañe notablemente en el extremo y/o esquina más demandada.


Torsión: Además de los edificios de esquina, 15% de los colapsos se debieron a torsión por asimetría en rigidez y/o masa, favorecida o no por la planta (Secretaría de Comercio, Edificio Ruta 100)


Torsión: SCT


Plantas irregulares

Irregularidades: Esbeltez

Puede ocasionar problemas de transmisión de cargas elevadas en las esquinas a las columnas inferiores y la cimentación, problemas de volteo, así como inestabilidad dinámica por efectos P- y deformaciones importantes en los entrepisos intermedios.

Recientemente se ha demostrado que la ductilidad de un sistema se reduce a medida que aumenta su esbeltez (Tena y Godínez, Tena y Tapia).

Resultados de Godínez (2010)

H/L

0 1 2 3 4

glo

ba

l

0

2

4

6

8

10

modelos x25

modelos x50

modelos x75

modelos y25

modelos y50

modelos y75Qdiseño

-1000 0 1000 2000 3000 4000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

m12x50

(H/L=1.8)

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

m20x50

(H/L=3.3)


Este sismo demostró lo vulnerables que son las estructuras exageradamente esbeltas (H/L>4), sobre todo si se combinan con otras irregularidades (plantas muy alargadas, plantas irregulares, piso suave, etc.)

Edificio Petunia


Esbeltez (Edificios Pino Suarez, Zacatecas, etc)


Esbeltez y marcos de una crujía (Edificio de Kobe invitado)


Esbeltez y planta alargada. Santiago


Esbeltez y planta alargada e irregular. Santiago


Condominio Torre Alto Río, Concepción, Antes del Sismo


Condominio Torre Alto Río, Concepción, Después del Sismo

Irregularidades: Elevación irregular

Configuración irregular en elevación:

Las reducciones bruscas en elevación en la parte superior producen el efecto de “chicoteo”. El escalonamiento ocasiona demandas poco uniformes en los entrepisos medios e inferiores, sobre todo si éste no es simétrico. En algunos casos la irregularidad en elevación puede fomentar tanto la esbeltez como la torsión.


Edificios escalonados: irregularidades en elevación)


Irregularidades en planta y elevación. Concepción

Reglamentación

A partir de 1987 se definieron las condiciones de regularidad

estructural en nuestros reglamentos y un procedimiento de diseño simple pero más conservador para prevenirlo.

Además de piso suave, se han estudiado torsión, planta irregular, escalonamiento y esbeltez, así como tener sólo una línea de defensa.

D

F

Q

Q

Q´

0.8Q´

Irregular

Regular

ETABS ETABS

XY

Z

dario6.PST

UNDEFORMED

SHAPE

TOP 21ST

BOT 1ST

OPTIONS

HIDDEN LINES

ETABS ETABS

XY

Z

IR2C

UNDEFORMED

SHAPE

TOP AZOTEA

BOT N1

OPTIONS

HIDDEN LINES

ETABS ETABS

XY

Z

IR2C

UNDEFORMED

SHAPE

TOP AZOTEA

BOT N1

OPTIONS

HIDDEN LINES

Investigación

Aunque los lineamientos de diseño para estructuras irregulares de los reglamentos mexicanos en general mejoran su desempeño, pueden ser insuficientes para estructuras fuertemente irregulares, sobre todo si tienen pocas líneas de defensa (marcos de una sola crujía y esbeltos) y/o acumulan muchas condiciones de irregularidad.

Práctica Profesional Actual

En definitiva, nos gusta construir estructuras irregulares aún en la zona de lago, muchas de ellas en vivienda y, por supuesto, unas mejor concebidas, diseñadas y construidas que otras.

Ya veremos de a cómo les va a algunas de éstas en el gran sismo que estamos esperando desde hace años.

Comentarios Finales

Se puede concluir que los malos comportamientos en estructuras irregulares en sismos pasados reflejan la falta de comunicación adecuada entre ingenieros y arquitectos sobre lo que es recomendable en el diseño de edificios en zonas sísmicas (y lo que no lo es).

Escuchando a varios ingenieros civiles de diversos países (ricos, clase medieros y pobres), en todos ellos es común tener razón de sus quejas con los arquitectos, pero como autocrítica gremial, no veo apertura a un diálogo constructivo entre ambos especialistas. Así no se podrá resolver jamás el problema de fondo.

Comentarios Finales

El desempeño sísmico satisfactorio de estructuras ante sismos intensos es asunto que compete por igual a ingenieros y arquitectos, en los que recaen las máximas responsabilidades.

La clave para lograrlo es trabajar juntos desde el inicio, con base en un diálogo abierto, respetuoso y propositivo de ambas partes, donde se sumen las fortalezas de ambas disciplinas, coadyuvando a lograr el diseño de una estructura segura ante sismos pero, al mismo tiempo, funcional y, en la medida de lo posible, atractiva (o estética).

En nuestra opinión, ¡sí se puede! ¡Ojalá pueda ser testigo de ello en los años venideros!

mesa redonda planta baja débil, problemas de torsión e

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