Arquitectura Moderna en Zonas Sísmicas Cap. 4.pdf

La distribución irregular entre la masa de un piso y la de los pisos sucesivos de un edificio puede conducir a los siguientes efectos:

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Desequilibrios en la distribución vertical de fuerzas gravitacionales en el edificio

Variaciones bruscas en la rigidez y la resistencia de un piso a otro

Desplazamiento del centro de masa con relación al centro de rigidez, generando excentricidad en horizontal y en alzado.

En estas figuras se muestra, un modelo simplificado de una estructura regular conformada por dos diafragmas rígidos (superior e inferior) y unas líneas verticales que representan las columnas; en ambos diafragmas el centro de masa (Cm), coincide con el centro de gravedad y en el mismo lugar se encuentra el centro de rigidez (Cr).

En esta figura se muestra cómo se genera una excentricidad (e) entre el centro de masa y el centro de rigidez, yen el tercer gráfico se observa cómo al producirse el movimiento del terreno, la resultante de las fuerzas inerciales (F) generada como reacción actúa en el centro de masa, lo cual producirá una rotación diferencial del diafragma superior, o momento torsional (M), alrededor del Cr•

se presenta un ejemplo de la irregularidad por distribución irregular de los componentes de cerramiento exterior, en el que se observa la variación de la masa en pisos contiguos de un edificio porticado. Algunos de los pisos inferiores no tienen ni antepechos ni paredes; otros tienen sólo antepechos, y uno de ellos además presenta una mayor altura

Este tipo de problemas se genera muchas veces debido al cambio de uso de los edificios de residenciales a comerciales y hasta industriales caseros, sin tomar las medidas pertinentes en cuanto a refuerzo de la estructura para soportar mayores cargas y la vibración de máquinas. Edificio que falló en el sismo de México de 1985

Se observan los efectos producidos en un edificio por el sismo de Michoacán en México en 1985, que no estaba preparado para resistir las cargas verticales generadas por una gran masa que había sido depositada en su interior, y el detalle de la falla de una de las columnas y la falta de refuerzo en la unión de la columna con la losa.

Un caso muy común de concentración de masas son los jardines en los techos y terrazas y en los extremos de los balcones de los edificios, derivado del techo jardín de los cinco puntos de Le Corbusier

En esta figura se representa una sección de una de las alas del hospital donde se observan los jardines en el nivel de entrada, sobre la losa superior del sótano.

En estas figuras se muestran fotografías de este ejemplo donde se observa la falla de la estructura por el exceso de peso y el desprendimiento de los componentes prefabricados debido a esta falla.

Cuando la estructura se sobrecarga de esta manera puede llegar a sufrirdeformaciones plásticas y, a menos que se haya tenido en cuenta en el diseño sísmico, no podrá soportar varios ciclos de deformación sin que se degrade demasiado su rigidez y resistencia.

La distribución irregular y la discontinuidad de los diferentes componentes del sistema de resistencia sísmica pueden afectar la trayectoria de las fuerzas generadas por el sismo y, por lo tanto, el comportamiento sismorresístente del edificio.

El sistema de resistencia sísmica de un edificio no sólo es el conjunto de componentes estructurales que le proporcionan la resistencia necesaria para soportar las fuerzas generadas como respuesta a los efectos de un sismo, sino también todos los componentes que contribuyen y afectan a su resistencia sísmica

El sistema de resistencia ante fuerzas laterales comprende los elementos estructurales que soportan y transmiten conjuntamente al terreno las fuerzas laterales debidas a los movimientos sísmicos, viento y presión lateral de tierras.

Se debe evitar distribuir los componentes resistentes en una misma dirección, pues si bien es cierto que el edificio resultante sería resistente a fuerzas sísmicas que se presenten en la misma dirección en que están localizados los muros, la misma distribución generaría un reparto débil de las fuerzas que actúan en la dirección perpendicular a dichos componentes, puesto que éstos no tendrían capacidad para resistirlas

Posible solución a este problema, en la que se han colocado muros perpendiculares a los muros mostrados anteriormente equilibrando la resistencia en las dos direcciones ortogonales.

Es común que el piso blando se genere accidentalmente debido a la eliminación o disminución del número de paredes no estructurales en uno de los pisos de un edificio.

o por la restricción de la deformación de los componentes estructurales en el resto de los pisos por el adosamiento a éstos de componentes rígidos que no se han tenido en cuenta en el diseño y análisis de la estructura.

El piso blando puede estar presente en la planta baja o en un nivel intermedio

La presencia en los pisos superiores de componentes rígidos no intencionalmente estructurales, como es el caso de las paredes de albañilería, adosados a los componentes estructurales flexibles y la ausencia de estas paredes en la planta más baja. Todo esto se concentra en la Planta baja. se ilustra la diferencia entre la deformación lateral de un edificio con una distribución homogénea de las paredes en altura (a) y uno con la planta baja libre. En las figuras se muestra: la diferencia entre la deformación lateral de un edificio con una distribución homogénea de las paredes en altura (a) y uno con la planta baja libre

Muestran dos edificios en los cuales se observa la discontinuidad de algunos componentes estructurales tanto en horizontal como en vertical.

muestran los casos incluidos en el penúltimo apartado de este capítulo, esta situación es aún más crítica cuando se presenta la falta de resistencia ante las deformaciones de las columnas perimetrales con relación a las columnas interiores.

Ilustra algunos de los casos más representativos de falsa simetría en planta como son la ubicación de los núcleos de circulación vertical -escaleras, ascensores y rampas- y de los conductos para las instalaciones sanitarias, eléctricas y mecánicas.

También puede presentarse la falsa regularidad en alzado, como ocurre en los edificios que se muestran. Cuya forma exterior es de paralelepípedo pero fueron concebidos con discontinuidades en los componentes estructurales, bien sean horizontales o verticales, generando espacios vacíos dentro del paralelepípedo correspondiente, columnas muy esbeltas y diafragmas de grandes luces y con voladizos importantes.

También se puede presentar una discontinuidad estructural debido al desplazamiento relativo de los componentes estructurales verticales, bien sea de columnas o de muros, de un piso con relación al inmediato

Se ilustra esquemáticamente el desplazamiento de componentes estructurales dentro del mismo plano de acción, mientras que en la figura 25 se ilustra el desplazamiento de unos componentes que están en un plano de acción con respecto a otros que están en otro plano de acción. Esta última condición se puede dar en componentes de pisos contiguos o en componentes de un mismo piso.

En la primera figura se muestra un edificio en construcción y en la siguiente figura, en una vista esquemática, se observa el desplazamiento en el mismo plano de fas columnas superiores con respecto a las inferiores.

En la figura 28 se ilustra la irregularidad Desplazamientos dentro del plano de acción, tanto de columnas como de muros.

En la figura 29 se ilustra la irregularidad Desplazamientos del plano de acción de elementos verticales, tanto de columnas o de muros.

Los dos conceptos se usan indistintamente en la literatura sobre edificios sismorresistentes; sin embargo, aunque ambos están relacionados con la variación en la configuración de las columnas de un edificio, en este libro se han separado para diferenciar las causas estructurales que los generan.

En estas figuras se ilustra, en la parte superior, cómo se deforma el pórtico cuando está libre en toda su altura y, en la inferior, cómo se altera radicalmente su comportamiento estructural por la concentración de la deformación en la luz libre de las restricciones impuestas por el componente constructivo adosado.

Una de las configuraciones que ha producido mayores daños como consecuencia de los sismos en los edificios porticados de concreto de la ciudad contemporánea, ha sido la relación columna débilviga fuerte.

Daños producidos por los sismos es habitual encontrar imágenes de edificios colapsados donde se observa el conocido "efecto panqueque", es decir, La falla total de las columnas de varios pisos, mientras que las losas, casi enteras, están apiladas unas sobre otras, como los edificios en: Caracas, Venezuela (1967) Michoacán, México (1985)

En este grafico se muestra el diagrama de momentos de un pórtico al ser sometido a las fuerzas horizontales.

Allí se puede ver que los momentos flectores causados por las fuerzas horizontales son máximos en los extremos de los elementos, siendo este el lugar donde se va a presentar la disipación de energía y esta es la razón por la cual es allí donde se coloca el refuerzo de confinamiento.

En las siguientes figuras muestran cómo en el sismo de 1985 fallaron las columnas de dos pisos completos en el edificio del Banco de México.

La figura 37 presenta un detalle de las columnas fracturadas entre las vigas de dos pisos.

Los cambios abruptos de sección y configuración entre componentes estructurales contiguos pueden ser peligrosos en la zona de transición, bien sea debido a los cambios de rigidez y de resistencia.

Debido a requisitos arquitectónicos, para ocultar la viga alta muchas veces se transforma lo que debía haber sido la continuación de una viga alta en una viga plana, como se observa en la figura 39.

La figura 38 ilustra un detalle de un caso muy común de una unión de vigas y columna en edificios de concreto armado con losas de piso nervadas.

Si no se estudia cuidadosamente esta disposición de las columnas puede presentarse un patrón confuso en la dirección de las líneas de resistencia.

En esta figura se observa una configuración muy frecuente en los edificios comunes: en un mismo piso, columnas de sección rectangular en direcciones ortogonales.

Se muestra el desplazamiento que sufrió un grupo de columnas que fallaron en el nivel de acceso del hospital Olive View en el sismo de San Fernando, California, en 1971.

se observa con mayor detalle la diferencia en el comportamiento de la columna de la esquina y las interiores en el plano perimetral ante las deformaciones impuestas por la formación de un piso blando en ese nivel.

Se observa la falla en la parte superior de una columna interna en el plano perimetral: debido a un detallado deficiente de la unión entre la columna y la viga, la espiral quedó interrumpida antes de llegar a la viga.

Se muestra un detalle de esta unión. se ilustra claramente cómo el concreto se fracturó en esa zona tan crítica, como consecuencia de la interrupción prematura del refuerzo en forma de espiral.

En estas figuras se muestran sólo dos ejemplos de los múltiples casos que fallaron en el sismo de Kobe de 1995, justo en la zona donde cambiaba el tipo de estructura. En estos casos, al cambiar la configuración del acero del refuerzo se pone en evidencia que hubo un cambio significativo de rigidez y resistencia.

1. Hotel Terminal en el sismo de Guatemala de 1976 Poseia fallas en sus Columnas

Era un edificio porticada de concreto armado de seis pisos, ubicado en una esquina. Era geométricamente regular; tenía una planta rectangular, pero con un núcleo de servicios muy rígido ubicado asimétricamente cerca de uno de los extremos. En los cuatro pisos superiores, la excentricidad inducida por el núcleo de servicios estaba equilibrada de alguna manera en el extremo contrario por la rigidez de las paredes exteriores de mampostería de arcilla que rellenaban los pórticos de concreto armado, conformando una fachada ciega.

2. Hotel New Society en el sismo de Mindanao, Filipinas en 1976

Era un edificio con una estructura de pórticos, losas de piso y techo de concreto armado y muros estructurales de mampostería reforzada. Fue construido en 1968 y estaba ubicado en la esquina de una manzana en Cotabato City. Según el informe del Instituto de Investigación en Ingeniería Sísmica estadounidense (EERI)

La altura del entrepiso inmediatamente superior era de 3,50 m y los dos entrepisos siguientes, de 3,30 m. de altura. La losa de los pisos superiores cubría la misma superficie que la planta baja pero sin las columnas de losejes E y 5, excepto la columna E5.

Los muros de la fachada este tenían pequeñas aberturas para puertas y ventanas; se observa también, en ambas figuras, la viga "parasol" ubicada a dos tercios de la altura de las columnas de doble altura de la planta baja, lo cual es típico de la arquitectura de esa zona.

Las fachadas de lindero (sur y este) contaban con muros portantes entre las columnas, mientras que las dos fachadas que daban a la calle tenían, en los pisos superiores, antepechos y grandes ventanales y, en la planta baja, pórticos de doble altura sin paredes

Este edificio presentaba las siguientes irregularidades en la configuración:

1. Distribución irregular de la rigidez en

planta, debida a la ubicación de muros en las fachadas de lindero (sur y este), dejando unas fachadas muy flexibles hacia la calle (norte y oeste), originadas por los pórticos de doble altura en la planta baja, anteriormente descritos, y por los grandes ventanales de los tres pisos superiores, lo cual, generó la rotación de las cuatro losas superiores.

2. Distribución irregular de la rigidez y de la resistencia en vertical Los daños se produjeron debido a la ausencia de paredes no estructurales de mampostería en la planta baja y en la mezzanina, que sí estaban presentes a partir del primer piso de habitaciones. Se generó un volumen rígido en la parte superior, apoyado sobre los pisos inferiores más flexibles, generando este conjunto el efecto de piso blando. Al rotar las losas superiores debido a la irregularidad anterior, la parte inferior de la estructura, más débil que la superior, no resistió la deformación y colapsó.

3. Discontinuidad entre los componentes estructurales horizontales y columnas de diferente altura en la planta baja, debido a la existencia de una losa de piso parcial para generar la mezzanina, y un doble pórtico de doble altura en las dos fachadas que daban a la calle; como consecuencia, en la planta baja todas las columnas exteriores y las columnas interiores El, E2, E3, E4, 85, C5 y D5 tenían doble altura y no tenían continuidad en los pisos superiores.

4. Efecto de viga fuerte-columna débil.

3. El edificio Miramar en el sismo de Cariaco, Venezuela, en 1997 En la figura muestra las fachadas norte y oeste. En el techo se observa un volumen que alojaba la sala de máquinas de los ascensores y, además, un gran anuncio publicitario. Unido a la planta rectangular en la esquina nororiental, estaba el núcleo de escaleras y, adyacente a éste, un volumen de un piso por donde se entraba a la zona residencial. En la fachada este, cerca del núcleo de escaleras, había un pequeño volumen de un piso.

Fue el único edificio que colapsó en la ciudad de Cumaná. Constaba de un sótano para el aparcamiento de los vehículos de los residentes, una planta baja y una mezzanina para oficinas y seis pisos de apartamentos.

En esa misma zona, en el interior del edificio, se encontraba el núcleo de ascensores que, al igual que el de escaleras, se prolongaba desde el sótano hasta el último piso.

Desde la planta baja, cerca de los núcleos de circulación vertical, el hueco de un patio interior llegaba hasta la losa de techo. La escalera de caracol para subir de la planta baja a la mezzanina estaba en el cruce entre el eje B y el eje 2.

Este edificio presentaba las siguientes irregularidades:

1. Distribución irregular de la rigidez en planta, debida a la concentración en la esquina nororiental de los núcleos rígidos de escalera y ascensor.

2. Discontinuidad del diafragma en las losas ubicadas cerca de los núcleos de circulación vertical de todos los pisos en voladizo, debido a la presencia

de un patio interior entre los ejes 1 y 2, YA YB.

3. Distribución irregular de la rigidez y de la resistencia en vertical, debido a la ausencia en planta baja y mezzanina de las paredes no estructurales de mampostería presentes a partir del primer piso residencial, lo cualgeneró un volumen rígido en la parte superior.

La primera, una casa alpina en un clima frío y seco, diseñada con un techo de gran pendiente para evitar la acumulación de la nieve, con paredes gruesas de materiales que absorban el calor durante el día y lo mantengan hasta la noche, con ventanas pequeñas para evitar que se filtre el frío y con chimenea para calentar los ambientes.

La segunda, una casa de playa en un terreno plano de clima cálido y húmedo, diseñada con un techo con suficiente pendiente para que no se acumule el agua pluvial pero que al mismo tiempo permita que el agua refresque el material, con materiales en las paredes que no acumulen calor; que esté levantada y aislada del terreno para permitir la ventilación por la parte inferior de la casa, evitar la transmisión de la humedad y la entrada de animales rastreros.

Si intercambiamos los contextos de estas casas, obtendríamos los ejemplos ilustrados en las figuras 3 y 4, de los cuales sólo se mencionan algunos de sus aspectos no apropiados para el contexto.

La casa de playa en una montaña con nieve requeriría de una estructura especial, probablemente muy costosa, para adaptarla a la pendiente. El material de sus paredes no sería eficiente para proteger los ambientes interiores del clima frío y seco; se acumularía la nieve en el techo y el aire frío se colaría por sus aberturas.

La casa alpina, a su vez, en la playa, almacenaría calor en sus paredes y lo mantendría durante la noche, la humedad se trasmitiría del suelo al piso inferior y a toda la casa y, debido a sus ventanas pequeñas, no entraría el aire fresco y se acumularía la humedad en los espacios interiores; los animales rastreros podrían entrar fácilmente, al no estar elevada del suelo.

Entonces, de la misma manera que se utiliza la creatividad para diseñar edificios apropiados para un determinado contexto ambiental natural. ¿no sería también importante utilizar tan mencionada creatividad para reducir el número de víctimas humanas y la suma de pérdidas económicas en las ciudades en zonas sísmicas?

En la figura se incluyen dos fotografías aéreas tomadas días después del sismo, que muestran claramente los efectos producidos por dichas irregularidades: en la imagen superior, se remarcaron las esquinas de los diafragmas para ilustrar la significativa rotación horizontal de éstos en el sentido inverso de las agujas del reloj, debido a la distribución irregular de la rigidez en planta y el vuelco hacia la fachada principal del edificio (oeste)por la falla de las columnas del eje A de los pisos inferiores; y en la fotografía inferior, desde el sureste, la rotación horizontal de los diafragmas alrededor de la esquina rígida del edificio.