Criterios de Diseño Sísmico en Edificios

Es frecuente, en la práctica, que la mayoría del tiempo que se dedica al diseño estructural o sísmico de un edificio se invierta en los procesos de análisis y diseño, y que se examinen con brevedad los criterios o aspectos del diseño conceptual y de estructuración.

Desde el punto de vista del diseño sísmico, esta costumbre es particularmente peligrosa, puesto que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se comporte satisfactoriamente ante sismos, por mucho que se refinen los procedimientos de análisis y dimensionamiento.

Por el contrario, la experiencia obtenida en varios temblores muestra que los edificios bien concebidos estructuralmente y bien detallados han tenido un comportamiento adecuado, aunque no hayan sido objeto de cálculos elaborados y en ocasiones, aunque no hayan satisfecho rigurosamente los reglamentos.

Ningún modelo de análisis estructural, por sofisticado que sea, puede hacer que una edificación con configuración inadecuada se desempeñe bien durante un sismo.

La ingeniería estructural es el arte de moldear materiales que no entendemos del todo, en formas que no podemos analizar totalmente, a fin de que resistan fuerzas que no podemos realmente evaluar, de tal manera que la comunidad en general no tenga razón para sospechar el alcance nuestra ignorancia. – James E. Amrheim

Configuración Estructural del Edificio

Si en un principio se tiene una configuración deficiente, todo lo que el ingeniero puede hacer es poner parche (mejorar una solución básicamente deficiente lo mejor posible).

En cambio, si se empieza con una buena configuración y un esquema estructural razonable, incluso un ingeniero «poco brillante» no perjudicará demasiado el comportamiento final.

Gran parte del problema se resolvería si todas las estructuras fueran de una forma regular, pero el aprovechamiento económico de los tamaños y distribuciones de los terrenos, los diversos requisitos de planeación para el uso eficiente del espacio y las proporciones estéticas agradables, requieren que el ingeniero estructural proporcione construcciones seguras de formas variadas

• Las edificaciones con formas sencillas se comportan mejor y de manera más confiable.
• Las estructuras sencillas son más fáciles de entender.
• Los modelos matemáticos usados para el análisis tienen hipótesis simplificadoras que pueden ser válidos para estructuras sencillas.

La configuración estructural queda en buena parte definida en el proyecto arquitectónico.

Es cierto que la mayoría de las recomendaciones de estructuración para zonas sísmicas tienden a lograr edificaciones regulares y robustas limitando fuertemente la posibilidad de llegar a formas atrevidas y originales.

Constituye, por tanto, un DESAFÍO para los proyectistas conjugar las necesidad arquitectónicas y estructurales para lograr una edificación funcional, estéticamente atractiva, segura y económica.

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Criterios Estructurales

Algunas características relevantes del edificio para un buen comportamiento sísmico:

Peso

Las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa (F=ma) y, en consecuencia, al peso del edificio, por lo tanto, debe producirse que éste sea lo más liviano posible.

Una parte importante del peso de la construcción proviene de los revestimientos y de los elementos divisorios no estructurales. Es allí donde se pueden lograr reducciones.

Es importante evitar masas excesivas en las partes altas del edificio, ya que las aceleraciones introducidas en el mismo crecen con la altura.

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 el edificio.

»Libro Recomendado: Análisis y Diseño Sísmico de Edificios – Roberto Rochel Awad

Hay que tratar que el peso del edificio esté distribuido simétricamente en la planta de cada piso. Una posición fuertemente asimétrica generaría vibraciones torsionales.

Deben evitarse volados largos, así como vigas que tengan grandes luces porque la componente vertical sísmica induce fuerzas de inercia que se le agregan a las cargas de gravedad y que conviene reducir al mínimo.

Forma del Edificio en Planta

Algunos aspectos de la forma en planta del edifico propician una respuesta sísmica poco conveniente y deben evitarse.

El aspecto principal es la asimetría en planta, que tiende a provocar vibraciones torsionales del edificio.

Posibles Soluciones

• Distribución adecuada de elementos resistentes que haga coincidir el centro de masa de la planta con el centro de torsión.

• Separación de la planta en cuerpos independientes y simétricos mediante juntas de construcción.

• Uso de elementos estructurales exteriores que unan las distintas partes del edificio.

• Hay que evitar las alas muy alargadas en la planta del edificio, ya que esto tiende a producir que las alas vibren en direcciones diferentes, con lo que se producen fuertes concentraciones de esfuerzos en las esquinas interiores.

Soluciones para Plantas con Alas

• Se deben evitar edificios con plantas muy alargadas. Mientras mayor es la longitud del edificio, mayor es la probabilidad de que actúen en su base movimientos sísmicos que difieran entre los extremos de la planta.

• El problema principal de las plantas muy alargadas es que la flexibilidad del sistema de piso puede provocar vibraciones importantes en planta, las que se incrementan sustancialmente las solicitaciones en la parte central del edificio.

Debe evitarse alguna de las siguientes situaciones:

En caso de no ser posible, se debe aportar alguno de estas soluciones:

• Debe evitarse las plantas con esquinas entrantes. El problema no es muy grave a menos que las alas sean muy largas, pero se debe buscar que la planta sea lo más compacta posible, para evitar las concentraciones de esfuerzos en las esquinas entrantes.

• Deben evitarse las discontinuidades del diafragma:

• Los sistemas resistentes al sismo deben ser paralelos y actuar en dos direcciones perpendiculares.

Forma del Edificio en Elevación

La sencillez, regularidad y simetría son deseables también en la elevación del edificio, para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en algunos pisos o amplificaciones de la vibración en las partes superiores del edificio.

Posibles Soluciones

La esbeltez excesiva de la construcción puede provocar problemas de volteo, de inestabilidad (efecto P-∆) y de transmisión de cargas elevadas a la fundación y al subsuelo. Además se vuelven importantes los modos superiores de vibración.

»Según la Norma Venezolana: Si H/4 > 4, la estructura es irregular.
»Según el Reglamento de Construcciones del D.F. (México): Si H/A > 2.5, la estructura se considera irregular.

Separación entre Edificios Adyacentes

Es importante guardar una separación entre edificios adyacentes, que sea suficiente para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fases durante un sismo.

El daño puede ser particularmente grave si los pisos de los edificios adyacentes no coinciden en las mismas alturas, de manera que durante la vibración de losas de pisos de un edificio pueden golpear a media altura las columnas del otro.

Este requisito es más estricto para edificios fundados en suelo blando, donde la rotación de la base puede incrementar significativamente el desplazamiento en la punta.