Guía Para Evaluación de Regularidad Estructural

Guía para evaluación de regularidad estructural

Preparado por: Richard Godfrey Montero Las investigaciones desarrolladas durante las últimas décadas han demostrado que la respuesta estructural de una edificación está directamente relacionada con su configuración estructural y constructiva. Es decir, depende de la distribución de la masa, la ubicación de los elementos estructurales, los elementos disipadores de energía, los detalles constructivos, entre otros. La regularidad estructural determina la distribución de fuerzas laterales sobre los elementos estructurales. Este parámetro está en función de la distribución de masa y de la rigidez tanto en planta como en elevación. Cuando una estructura posee irregularidades significativas, su respuesta podría ser vulnerable ante la solicitación de cargas laterales. Debido a lo anterior, se presentan un listado de aspectos para la evaluación de la regularidad en planta y elevación de una edificación durante una visita de inspección. Este documento servirá como una herramienta para complementar el formulario del Inventariado de Datos mediante Herramientas de Captura (IDCT, por sus siglas en inglés) del Global Earthquake Model (GEM). Regularidad en planta 1.

Efecto de torsión  Identificar el sistema de resistencia ante cargas laterales. En el caso de estructuras de concreto reforzado se deben revisar las conexiones entre los elementos de tipo pórtico y de tipo muro.  Dibujar una distribución en planta de los elementos estructurales con su ubicación.  Estimar las dimensiones de los elementos estructurales  Estimación del centro de masa:  Identificar aberturas y estructuras masivas en la planta.  Aproximar el centro de masa como el centro geométrico de la planta si el entrepiso está compuesto por un material masivo y no hay elementos arquitectónicos o estructurales que aporten una masa significativa. De lo contrario, se tendrá que considerar los elementos que aportan más masa en la planta.  Estimación del centro de resistencia (rigidez):  Con la distribución en planta definir dos ejes de resistencia ortogonales entre sí (longitudinal y transversal).  Identificar los elementos estructurales que aportan la mayor rigidez al sistema resistente en cada uno de los ejes definidos. En caso de que todos los elementos sean del mismo material únicamente se consideran los momentos de inercia.

Aproximar la ubicación del centro de rigidez. Esta estimación podría ser hecha de manera intuitiva o se podría usar una hoja de cálculo. Calcular la excentricidad existente entre el centro de masa y el centro de rigidez con respecto a cada uno de los ejes. Según el Código Sísmico de Costa Rica 2010 (CSCR2010) si la excentricidad en cada una de las direcciones ortogonales no se excede en más del 5% la dimensión en planta en la respectiva dirección. En seguida se muestran unos cuantos ejemplos de plantas en las que el centro de rigidez no coincide con el centro de masa: 

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Figura 1. Configuraciones estructurales asimétricas en términos de masa y rigidez Fuente: Perles, 2007

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Ahora, se presentan varias plantas estructurales típicas que son susceptibles al efecto de torsión:

Figura 2. Distribuciones de plantas típicas en comercios propensas al efecto de torsión Fuente: Adaptado de FEMA454, 2006

2. Efecto de esquina  Cuando una planta estructural tiene cambios bruscos en su geometría, existen secciones donde puede haber concentraciones de esfuerzos que causan el daño estructural (Figura 4). Debido a lo anterior, debe verificarse que la configuración en planta de la edificación no sea de tipo H, L, U, T, +, entre otras (Figura 3), y luego visualizar las relaciones que hay entre las dimensiones de las mismas (Figura 5).

Figura 3. Distribuciones de plantas típicas propensas a la concentración de esfuerzos Fuente: FEMA454, 2006

Figura 4. Concentración de esfuerzos producto del efecto de esquina Fuente: Adaptado de FEMA454, 2006

Figura 5. Relaciones geométricas para considerar que una planta será susceptible al efecto de esquina Fuente: Modificado de Padilla, 2010

3. Discontinuidades en el diafragma  La discontinuidad de un diafragma puede causar daños estructurales localizados. Este tipo de irregularidad se considera cuando hay discontinuidades abruptas o variaciones de rigidez, causadas por áreas abiertas mayores del 50% del área bruta encerrada del

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diafragma o si el cambio de rigidez del diafragma es mayor del 50% con respecto al siguiente nivel. En la Figura 6 se presenta un ejemplo para el cálculo del área bruta y el área abierta de una planta con diafragmas discontinuos.

Figura 6. Relaciones geométricas para considerar irregularidad por discontinuidad del diafragma Fuente: Peña & De Carvalho, 2015

4. Sistemas de resistencia ante cargas laterales no paralelos  Esta irregularidad se identifica cuando los elementos verticales que conforman el sistema de resistencia no son paralelos ni simétricos con respecto a los ejes ortogonales principales del sistema. Esto puede causar efectos de torsión e inestabilidad.

Figura 7. Ejemplo de sistemas de resistencia ante cargas laterales no paralelo Fuente: FEMA454, 2006

Figura 8. Sistemas de resistencia no paralelos Fuente: Modificado de Padilla, 2010

Regularidad en elevación 1.

Continuidad de elementos estructurales  Verificar que todos los elementos estructurales sean continuos a lo largo de los diferentes niveles que componen a la estructura. Esto para que exista una transmisión adecuada de cargas hasta las cimentaciones.

Figura 9. Discontinuidad de elementos estructurales Fuente: Soto, 2006

2. Efecto de piso blando o flexible  El efecto de piso blando puede ocurrir cuando la rigidez de un piso es inferior al 60% de la rigidez del nivel superior (CCSR-2010). El ASCE 41-13 señala que la rigidez del piso no debe ser menor que el 70% de la rigidez del piso superior o menor que el 80% de la rigidez promedio de los tres niveles superiores.  En campo esto se puede determinar de la siguiente manera:  Estimar la separación entre niveles.  Conociendo la rigidez de los elementos estructurales, se puede identificar si existen cambios abruptos en la rigidez de los niveles. Esta variación de la rigidez ocurre cuando existen cambios significativos en las dimensiones de los muros o de las columnas entre dos niveles consecutivos.  Por ejemplo, en las figuras mostradas el primer nivel cuenta una mayor altura con respecto a los demás. Debido a esto las columnas inferiores son más esbeltas en comparación a las superiores, si las dimensiones geométricas de dichas columnas a lo

largo de toda la estructura, la rigidez del nivel inferior será menor que la de los niveles superiores.

Figura 10. Estructuras propensas a pisos flexibles o blandos Fuente: Perles, 2007

3. Efecto de columna corta  Este tipo de irregularidad puede ocurrir principalmente cuando hay pórticos estructurales rellenos con muros de concreto o mampostería.  Como regla de dedo, se dice que una edificación tiene columnas cortas si existen muros no estructurales que reducen la longitud de la altura sin soportar de la columna en al menos la mitad.  Es decir, si la longitud de la abertura entre la columna y el muro no estructural es menor que la mitad de la altura de la columna se dice que la columna es corta.

Figura 11. Regla de dedo para efecto de columna corta Fuente: Adaptado de Charleson, 2008

4. Efecto de reducción de longitud de niveles (‘setback’)  Este tipo de irregularidad vertical es similar a la del efecto esquinero en planta. Se dice que cuando la dimensión horizontal del sistema sismorresistente en cualquier planta es mayor que el 130% de dicha dimensión en el nivel adyacente hay un cambio brusco en el perfil de elevación.  En la Figura 12 se presentan los límites establecidos por el ASCE para este tipo de irregularidad.

Figura 12. Límites del Código del ASCE para reducción de longitud de niveles Fuente: Srinivasan et al., 2013

Figura 13. Ejemplos de reducción de longitud de niveles Fuente: FEMA P154, 2015

5. Potencial de impacto entre edificaciones  En este aspecto se debe inspeccionar los alrededores de la edificación y medir la separación que hay entre la estructura inventariada y las que se encuentran junto a ella. Se considera que existe la posibilidad de impacto entre dos edificaciones adyacentes cuando la separación entre los mismos es menor que:  2’’ por la cantidad de niveles en el edificio de menor altura para zonas de muy alta sismicidad.  1 ½’’ por la cantidad de niveles en el edificio de menor altura para regiones de alta sismicidad.

1’’ por la cantidad de niveles en el edificio de menor altura para regiones de sismicidad moderada alta.  1/2’’ por la cantidad de niveles en el edificio de menor altura para regiones de sismicidad moderada y baja. También se considera que existe este potencial si una edificación tiene dos o más niveles que la otra. 

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Figura 14. Distancia de separación entre edificaciones Fuente: FEMA P154, 2015

Fuentes bibliográficas Arnold, C. (2006). Seismic issues in architectural design. In F. E. Agency, FEMA 454: Designing for Earthquakes: A Manual for Architects (pp. 5-1 - 5-53). Washington: FEMA. Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos. (2014). Código Sísmico de Costa Rica 2010: Revisión 2014. San José: Editorial Tecnológica de Costa Rica. Federal Emergency Management Agency. (2015). Rapid Visual Screening of Buildings for Potential Seismic Hazards: A Handbook . Washington: FEMA. Padilla, G. (Agosto de 2010). Propuesta para considerar la irregularidad estructural en la resistencia lateral de las estructuras en Perú. Tesis para optar por el título de bachiller en Ingeniería Civil. Lima, Perú: Pontificia Universidad Católica del Perú. Peña, L., & De Carvalho, G. (2015). Influence of the concrete structural configuration in the seismic response. Revista IBRACON de Estruturas e Materiais. Retrieved from http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S198341952015000600813&script=sci_arttext&tlng=en Perles, S. (2007). Arquitectura Sismorresistente. En S. Perles, Temas de Estructuras Especiales (págs. 78-80). Buenos Aires: nobuKo.

Soto, H. (Febrero de 2006). Criterios de Estructuración de Edificos. Obtenido de https://es.slideshare.net/JuAn10juan10/1-criterios-estructuracion Srinivasan, V. (2013). Fundamental time period of RC moment resisting setback frames. Archives of Civil and Mechanical Engineering .