28.3.11

ESTRUCTURAS SISMO RESISTENTES (III)

Distribución de las masas
Al igual que en el caso de la rigidez, es muy conveniente una distribución tan simétrica y regular de las masas (tanto en planta como en altura) como sea posible, a fin de evitar concentraciones de esfuerzo.
Las aceleraciones de un sismo provocan sobre las masas de la estructura unas fuerzas de inercia que son directamente proporcionales a las mismas, esto es, si para una misma acción sísmica, la masa se reduce a la mitad, la fuerza de inercia correspondiente disminuirá en la misma proporción; lo que a su vez originara un ahorro en los elementos estructurales resistentes. En este sentido, es favorable la reducción de todas las masas que componen y/o soporta la estructura. Masas significativas presentes en la misma son las que constituyen el piso de cada planta: placas alveolares (cuyo uso aumenta día a día) y fundamentalmente forjados (la elección con menor peso propio) y en algunas ocasiones, toda la serie de elementos prefabricados repetidos en un numero más o menos grande que intervienen en ella. Es muy conveniente la reducción de toda clase de elementos prefabricados, sobre todo si apoyan en voladizos, por lo esfuerzos que pueden inducir sobre los mismos en caso de sismo.
Debe evitarse la ubicación de masas significativas con respecto:
- Al resto de masas que gravitan sobre la misma planta.
- Las restantes de cada planta del edificio.
Esta situación de favorece con un trazado de plantas semejantes y con una distribución de cargas uniforme en cada planta, agrupando usos para cada una de ellas.
En el caso de ser necesaria la ubicación de una masa que exceda de la media, debe colocarse en una posición central en planta, la disposición irregular de masas dentro de la misma planta ocasiona excentricidades de torsión, por lo que situarla cerca del centro reduce este efecto; por otra parte, cuanto menor sea la cota de la planta en la que se sitúe, tanto mejor a fin de obtener un comportamiento más satisfactorio de la construcción ante el sismo. También deben evitarse situaciones en las que existan plantas muy diáfanas, es decir, con pocas columnas y compartimentaciones –realizadas por tabiques u otros- y la planta inmediata superior muy cargada.
Separación entre edificios
El choque entre fachadas de edificios colindantes durante un sismo –debido a una separación entre ellos insuficiente- puede producir daños importantes; asimismo, la respuesta estructural suele ser –cuando menos- más difícil de estimar. Frente a este problema, las soluciones más comunes son:
- Diseñas estructuras más rígidas, con lo que el coste se podría elevar notablemente.
- Emplear dispositivos de disipación de energía entre edificios.
- Separar adecuadamente los edificios.
En lo que respecta a esta última opción, conviene señalar que:
- Se deben adoptar juntas verticales y planas en toda su altura, no siendo recomendables formas quebradas en panta.
- No debe existir vinculación alguna entre los bloques de una construcción separados por una junta; las juntas de apoyo deslizantes o móviles son por tanto prohibitivas. En caso de canalizaciones que deban atravesar de un bloque a otro, se resolverán mediante enlaces flexibles, siendo aconsejable su ubicación en la parte inferior.
- Dado que los modelos de oscilación son aproximados, el ancho de la junta en cada nivel no debe ser inferior a la suma de los desplazamientos laterales máximos de las construcciones colindantes calculadas para dichos niveles; a pesar de que con ello, cabe la posibilidad de realizar soluciones constructivas con juntas de anchos variables, es más recomendable desde el punto de vista de la seguridad, mantener el ancho constante en toda su altura, aun a sabiendas de que en algunas zonas es excesivo.
- Al objeto de evitar daños añadidos en la colisión de edificios durante un sismo (los cuales son complicados de predecir), es recomendable que las construcciones colindantes posean los forjados de cada planta al mismo nivel.
- Dado que los efectos de un impacto son difíciles de cuantificar, debe prestarse especial atención al ancho de la junta cuando uno o más edificios de los que constituyen las construcciones colindantes tienen partes de los mismos de diferente altura y rigidez.
- Los tapajuntas y materiales de rellenos empleados en el sellado u ocultación de las juntas deben ser de un modulo de elasticidad bajo y poseer una deformabilidad adecuada, a fin de no transmitir esfuerzos importantes.
Interacción entre distintos sistemas estructurales
Si el diseño de una construcción se realiza utilizando más de un sistema estructural (como pueden ser muros de fabrica, pantallas de rigidizacion, etc.) durante el análisis, será preceptivo considerar la interacción entre ellos, particularmente en lo referente a la compatibilidad de las deformaciones.
La figura representa la planta de una tipología de construcciones empleada para garajes de vehículos, formadas por dos sistemas estructurales bien diferenciados, uno constituido por pantallas de rigidizacion perimetrales y otro por pórticos interiores, ambos sistemas conectados entre sí a través del piso de cada planta, que colapsan en caso de sismos. El motivo de dicho colapso se encuentra en que no se ha considerado la interacción, al menos totalmente, de los dos sistemas; a pesar de que los diafragmas rígidos formados por la losa de hormigón de piso de cada planta, aseguran que las deformaciones debidas a desplazamientos horizontales sean compatibles, no ocurre lo mismo con las verticales. La componente sísmica vertical da lugar a un comportamiento inadecuado de estas construcciones, al provocar en las vigas centrales de la planta, una falta de apoyo vertical.
Cimentación
En el caso de que la estructura esté constituida en su perímetro por muros de sótano, de rigidez adecuada, como para asegurar a la misma un comportamiento rígido, será posible considerarla en la modelización dinámica como estructura oscilante a la existente por encima de la coronación de dicho muro.
Cuando la primera planta descanse sobre pilares cortos (en comparación con el resto de pilares de cada planta), obviamente sus correspondientes esfuerzos se transmitirán a la cimentación a través de los mismos, por lo que es preceptivo considerar en el modo dinámico la oscilación inducida por las masas de la mencionada planta.
Es recomendable que el nivel de apoyo sea homogéneo, en el caso de que el terreno presente características geotécnicas no homogéneas, como variaciones en su naturaleza o discontinuidades por fallas, deberá fraccionarse el conjunto de la construcción en bloque aislados, mediante juntad de asiento de forma que cada uno de los bloques situados a uno y otro lado se constituyan como independientes. Asimismo, en cada uno de los bloques, la tipología de cimentación debe ser homogénea, estando prohibida la elección de cimentaciones profundas con superficiales.
Debe prestarse especial atención a la vinculación entre pilares y zapatas, ya que en caso de sismo la concentración de esfuerzos en estos lugares suele ser generalmente mayor que en el resto de la estructura.
Si la cimentación se resuelve mediante sistemas discontinuos (zapatas aisladas, pilotes, etc.), al objeto de evitar corrimientos horizontales relativos entre elementos, deberán enlazarse entra si mediante vigas de atado. El atado de la cimentación se efectuará según que la zona de ubicación de la construcción sea de una sismicidad:
- Moderada: enlazando los elementos de la cimentación situados en el perímetro, a lo largo de la fachada, que junto con el comportamiento como diafragma rígido por parte de la solera, garanticen una respuesta adecuada. Este cerco que constituye el atado perimetral, ejerce una coacción sobre la totalidad del bloque del edificio, similar a la que se produce en las armaduras longitudinales de un pilar por sus cercos y estribos. Sin embargo, otra recomendación más exigente aconseja el atado bidireccional en las zapatas perimetrales y el unidireccional para las interiores, por supuesto orientado este ultimo en una de las dos direcciones principales.
- Alta: el atado debe vincular a todos los elementos de la cimentación en dos direcciones sensiblemente ortogonal; en el caso de cimentación por pilotes profundos, esta forma de atado es también aplicable.
Condiciones locales del suelo
Debido a la influencia de las condiciones locales del suelo, sobre el daño estructural, se recomienda la utilización de:
- Estructuras rígidas en suelo blando, a pesar de los problemas de cimentación de las mismas condicionada por la aja resistencia del suelo, y análogamente,
- Estructuras flexibles en suelo firme, las estructuras porticadas, aparte de ser mas económicas, son también mas dúctiles y flexibles que as concebidas a base de pantallas; sin embargo, debe limitarse la capacidad de desplazamiento lateral de las mismas, al objeto de evitar daño en los elementos no estructurales.
En general, en condiciones locales de suelo firme, se observa una mayor concentración de daño en estructuras rígidas, mientras que en la situación de suelo blando, el mayor daño se produce en las estructuras flexibles.
Proporcionar un comportamiento flexible y dúctil
Se debe actuar a través del diseño, al objeto de evitar un fallo frágil que diera lugar a la perdida de la capacidad portante. Esto se favorece manteniendo una armonía en el diseño, evitando disposiciones rígidas –dentro de ciertos límites- y – en el caso de las mismas- transiciones bruscas entre zonas flexibles y otras que lo sean menos.
A pesar de que los detalles para obtener una estructura de hormigón armado dúctil (confinamiento de nudos, longitudes mínimas de anclaje, disminución del diámetro de las barras al objeto de obtener una mayor superficie de adherencia, etc.) también incrementan su coste; dentro de ciertos límites de flexibilidad y en función de acción sísmica, mientras mas dúctil sea el sistema estructural –según las normativas modernas de diseño sismo resistente- mas se podrán reducir las cargas sísmicas, y por ello, el coste del conjunto de la construcción será menor. Continuando con la estructura de hormigón armado, un tipo de fallo frágil muy típico de las mismas, es el producido por esfuerzo cortante. Una situación que debe evitarse en lo posible, es la producida en las vigas y pilares cortos, debido al incremento de esfuerzo cortante motivado por la rigidez del elemento con respecto a otros análogos de mayor longitud. Como conclusión, se debe evitar el uso de vigas y/o pilares cortos; si a pesar de todo se utilizan, se deberá prestar especial atención al diseño y análisis, a fin de garantizar que en caso de fallo, este sea dúctil. En el caso de vigas, por ejemplo, una forma de conseguir esto es disminuir la sección de su armadura longitudinal de forma que alcance antes el E.L.U. de agotamiento resistente por flexión y no por cortante.
Otros defectos bastante comunes se producen involuntariamente debido a elementos no estructurales. Frecuentemente, los locales destinados a labores docentes, como aulas, laboratorios y similares, son cerrados solo hasta una cierta altura, dejando libre la parte superior para iluminación y/o ventilación, creándose de esta forma una columna corta.

Extraido de Diseño sísmico conceptual de estructuras porticadas, de Luis Manuel Villa García