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29 febrero 2016

Criterios para estructuras un edificio en acero - Héctor Soto Rodriguez /México)


1.Criterios de Estructuración de Edificios

2. Este capítulo entrega recomendaciones generales para estructurar edificios de acero, de modo de evitar comportamientos poco deseables en estas estructuras. El capítulo comienza con definiciones de los conceptos principales asociados a la estructuración. 

A continuación, se presentan los distintos sistemas estructurales disponibles en la actualidad, seguido de criterios generales que permiten obtener estructuras “sanas”. Las diferentes condiciones de regularidad estructural se presentan luego, junto con los problemas asociados a la falta de esta. Disposiciones de buena práctica en la estructuración de edificios en particular se discuten a continuación.

3. Los puntos principales a considerar a la hora de diseñar con perfiles de acero se detallan en el punto 7, para finalmente entregar recomendaciones de estructuración más específicas a cada tipo de miembro estructural.

4. El objetivo principal de este capítulo es entregar orientaciones para obtener edificios de acero que estén estructurados en forma adecuada. El proceso de estructuración involucra un proceso creativo que depende mucho de la experiencia del diseñador. Por lo tanto, en este capítulo se entregan recomendaciones generales de buena práctica, las que deben ser tomadas como una base para decidir a la hora de estructurar un edificio.





5.La estructuración puede describirse en pocas palabras como el proceso de definir la forma de la estructura de una edificación, en términos de dimensiones, tipos de miembros estructurales y sistema de soporte de cargas.

6.Los criterios de diseño definen las exigencias sobre la estructura. Estas exigencias pueden ser de diferente carácter y deben ser compatibilizadas por el diseño final. Algunos de los requisitos que deben cumplir las edificaciones incluyen:
  • Estabilidad: la estructura debe ser estable bajo las condiciones de solicitación máxima esperada, de forma de evitar el colapso.
  • Resistencia: La estructura debe ser capaz de resistir las solicitaciones a que estará expuesta.
  • Rigidez: La estructura debe mantenerse dentro de ciertos límites de deformación, normalmente por condiciones de servicio.
  • Funcionalidad: La estructura debe cumplir con la función para la que fue diseñada.
  • Economía: La estructura debe ser construida con el mínimo costo, sin descuidar la seguridad o funcionalidad.
  • Constructabilidad: La estructura debe ser posible de construir con las técnicas existentes en el momento de su construcción.
  • Forma: La forma puede definir el concepto arquitectónico de la estructura. La estructura debe ser capaz de soportar la forma con el mínimo de perturbación posible.
  • Símbolo: Una edificación puede tener un significado más allá de su utilidad. Es el caso, por ejemplo de los edificios que compiten por ser los más altos del mundo, para simbolizar la supremacía de un país o grupo determinado.
  • Medio social-organizativo: La edificación debe ser aceptada por la gente que va a utilizarla o moverse en su entorno.


7.La gran mayoría de las estructuras de edificios caen dentro de uno de los tipos aquí indicados. En las siguientes láminas se presentan los tipos de sistemas estructurales más típicos usados durante los últimos 100 años.

8.Inicialmente, las conexiones entre miembros estructurales se realizaban usando remaches. El método de instalación de estos conectores, sin embargo, producía una gran variabilidad de la resistencia de la conexión y generaba detalles sensibles a fractura.





9.El proceso de soldadura significo un gran avance en la tecnología de la construcción en acero. Las vigas de armadura o alma abierta se utilizaban para permitir el paso de ductos de servicios. Si bien estas vigas son mas livianas, tienen una capacidad de carga menor que las vigas de alma llena y requieren que las columnas estén menos espaciadas.

10. Esta fue la estructura típica hasta después del terremoto de Northridge (1994). Las alas de las vigas se conectaban directamente a las alas de las columnas a través de soldadura de penetración completa, mientras que el alma se conectaba usando una placa de corte soldada a la columna y a la viga. 

Debido a una combinación de factores de diseño, construcción y detallamiento, este tipo de estructuras desarrollaban fracturas importantes incluso para sismos de mediana intensidad, lo que origino una renovación del concepto de conexión soldada viga-columna.

La losa de hormigón armado fue reemplazada por una losa de hormigón sobre una placa de acero corrugada, la que permitió mayor velocidad de construcción al ser autosoportante.

11. Posterior al sismo de Northridge, se desarrollaron detalles soldados mas adecuados y se comenzó a privilegiar el uso de marcos contraventeados, los que sufren deformaciones más pequeñas que los marcos rígidos equivalentes.

En edificios de mediana altura y altos, se recomienda el uso de contraventeos verticales para obtener estructuras más económicas (menos pesadas) y limitar los desplazamientos laterales.

12. En la búsqueda de un mejor aprovechamiento de los materiales y de una mayor resistencia a las altas temperaturas, se desarrollaron columnas compuestas donde el perfil de acero estaba embebido en hormigón, o bien el hormigón rellenaba un perfil tubular. Las conexiones en este tipo de estructuración representan la mayor complicación a la hora de obtener comportamiento dúctil del sistema estructural.






13. Así como se buscó el uso de materiales compuestos, también se ha explorado la utilización de sistemas mixtos. En este ejemplo, el muro provee la mayor parte de la rigidez lateral del sistema en los primeros pisos, mientras que el marco rígido hace lo suyo en los pisos superiores. De esta forma se obtiene estructuras con miembros mas livianos en los pisos inferiores. Además, se aumenta la seguridad estructural ya que si falla el marco rígido, todavía esta el muro y viceversa.

14. Otro tipo de sistema mixto es el que combina marcos contraventeados con muros de albañilería.

15. Nuevos sistemas estructurales aparecieron también después de Northridge. Entre ellos, los marcos con contraventeos excéntricos, donde el segmento corto de viga que queda entre el extremo del contraventeo y la columna o entre los dos contraventeos hace las veces de fusible, limitando el daño de los otros miembros estructurales. Además, el mecanismo de falla de este segmento es muy dúctil, con lo que el desempeño de la estructura mejora.

16. En las últimas décadas se ha producido un nuevo cambio de enfoque del diseño. Este nuevo enfoque apunta a diseñar estructuras que restrinjan el daño a elementos de reemplazo simple y que cuenten con dispositivos que disminuyan la respuesta estructural ante solicitaciones sísmicas o de viento. Es así como han surgido dispositivos activos y pasivos de aislación sísmica, de disipación adicional de energía y de modificación de la respuesta en general.





17. En esta lámina se entrega recomendaciones, considerando criterios universalmente aceptados, de los materiales más adecuados para construir de acuerdo a la altura del edificio. Se puede observar que el acero es una opción para cualquier altura.

18. Los criterios de estructuración no aparecen en los códigos de construcción, en éstos documentos únicamente se establecen recomendaciones generales para garantizar que una estructura tenga una seguridad estructural razonable dentro de ciertos límites.

Los criterios de estructuración para edificios de acero son similares que para estructuras construidas con otros materiales. Estos criterios dependen del criterio del proyectista y el diseño definitivo puede variar.

Se debe tener mucho cuidado en esta etapa, ya que errores inducidos en la estructuración de la estructura difícilmente pueden ser corregidos después en las etapas de análisis y diseño.

19. Pocas veces el proyecto arquitectónico se respeta, por lo que se recomienda orientar al arquitecto para evitar cambios en la estructura, una vez definido el proyecto definitivo. La figura muestra un edificio cuyo proyecto arquitectónico está incompleto o indefinido, lo que puede ocasionar cambios en la obra y aumentar su costo.

20. Si bien siempre se debe ser cuidadoso en la estructuración elegida, deben tomarse precauciones adicionales cuando hay circunstancias especiales con respecto a las solicitaciones o las condiciones locales, como los casos indicados aquí.





21. La estructura de acero puede ser demasiado flexible, aún cuando éste bien diseñada. Las vibraciones y deflexiones un poco mayores que las permisibles, no afectan su capacidad de carga, sin embargo pueden impedir que la edificación cumpla con el desempeño esperado bajo condiciones de servicio (Millennium Bridge) o en casos extremos causar el colapso de la estructura por deformaciones excesivas o vibraciones en resonancia (Tacoma Narrows).

22. Un aspecto común a estructuras de cualquier material, y que debe constituir el principio fundamental del proyecto estructural es el que se refiere a la forma general de las edificaciones, principalmente cuando se trata de edificios de mediana altura y altos. 

Las experiencias derivadas de los últimos sismos fuertes ocurridos alrededor del mundo (Santiago de Chile, 1985; Ciudad de México, 1985; Northridge, Cal., 1994; Kobe, Japón, 1995; Estambul, Turquía; Atenas, Grecia; Taiwán; Colima, México; Irán; etc.) han recalcado el buen comportamiento de las edificaciones simétricas y regulares: en geometría (elevación y planta), en distribución de masas, en rigideces y en resistencia.

23. Se ha observado que los daños se concentran en estructuras atrevidamente irregulares, esbeltas y con cambios bruscos en rigidez y/o resistencia.

24. La mayoría de los códigos de construcción en el mundo incluyen disposiciones relativas a las condiciones de regularidad. En caso de incumplimiento, dichas estructuras deben ser diseñadas con fuerzas sísmicas mayores para que tengan un nivel de seguridad adecuado contra alguna probable falla estructural. Como consecuencia, las estructuras irregulares tienen un mayor costo asociado, ya que necesitan secciones más robustas.

Es recomendable, entonces, cumplir con las recomendaciones de los códigos y evitar que existan irregularidades en planta o en elevación.Con estas recomendaciones la estructura “tendrá un comportamiento adecuado durante sismos fuertes”.






25. Existen problemas de comportamiento asociados con el no cumplimiento de cada uno de los requisitos de regularidad estipulados previamente por parte de la estructura. También hay problemas de comportamiento asociados a aspectos constructivos que deben preverse en la estructuración y el posterior desarrollo del proyecto. En esta sección se presentan ejemplos de cada una de estas fuentes de estructuración inadecuada, los problemas de comportamiento típicos asociados con ellas y posibles soluciones para evitar estos problemas.

26. Formas en planta como las mostradas tienen una rigidez y resistencia a la torsión muy limitada, por lo que cualquier excentricidad que genere torsión en planta puede desencadenar fallas por sobrecarga de los elementos estructurales debido a los esfuerzos adicionales asociados. 

Esta torsión puede ser causada por: tolerancias de construcción, las que generan excentricidades accidentales; falla prematura de un elemento, lo que desplaza el centro de rigidez; diferencia de posición del centro de rigidez con respecto al centro de corte, como en el caso de las dos plantas de más a la derecha; etc.
Adicionalmente, se pueden generar concentraciones de esfuerzo en los puntos de intersección de los elementos que conforman la planta.

27. La figura muestra un ejemplo de una edificación con disposición en planta en forma de I o H.

28. Los problemas asociados con una distribución en planta inadecuada se pueden resolver dividiendo el edificio en componentes independientes y usando juntas de expansión o juntas sísmicas entre los distintos cuerpos resultantes.







29. La figura muestra un junta sísmica en un edificio. Estas juntas pueden ser disimuladas para evitar que se vean, si es que el proyecto arquitectónico así lo requiere. Además, es importante que los elementos no estructurales también respeten la junta, para, por un lado, evitar la falla de estos elementos y el consiguiente peligro para los ocupantes del edificio, y por otro, si estos elementos son muy rígidos, evitar la interacción que puedan generar entre los cuerpos del edificio.

30. Otra causa de torsión en planta es la excentricidad entre el centro de gravedad de la planta y el centro de rigidez originado por una disposición asimétrica de los elementos resistentes en planta, como se muestra en la figura.

31. La torsión generada por la excentricidad hace que los miembros estructurales más alejados se vean sometidos a esfuerzos mayores, los cuales pueden causar la falla de estos miembros. La figura muestra un edificio cuyo centro de rigidez estaba desplazado hacia la caja de escalas de la esquina posterior derecha, lo que causó que el muro en el lado más cercano fallara al estar sometido a fuerzas cortantes más grandes que para las que fue diseñado.

32. Otra fuente de problemas de comportamiento lo constituye la irregularidad en altura. La figura muestra casos de irregularidad en altura ocasionados por cambios en la geometría de la edificación. Estas irregularidades pueden llevar a la concentración de esfuerzos en pisos específicos, los que pueden fallar ocasionando el colapso parcial o total de la edificación.






33. Así como la geometría puede variar, también pueden producirse concentración de masas en algunos pisos, como efecto del uso de esos pisos. Un ejemplo es la utilización de pisos para almacenamiento en un edificio, o la ubicación de grandes masas de agua en los pisos superiores, tales como estanques o piscinas.

34. La figura muestra la falla de un edificio debido a concentraciones de masa. En particular se puede observar el colapso de uno de los estanques ubicados en el techo.

35. Otra posibilidad de irregularidad en altura la constituyen los cambios de rigidez entre pisos. La figura muestra tres casos más o menos frecuentes: un primer nivel de doble altura, muy común en hoteles, en la izquierda; un piso intermedio de mayor altura en el medio; y la transformación de un muro lleno en dos muros de menor tamaño con una abertura en el primer nivel, a la derecha.

36. Problemas similares ocurren por interrupción de miembros estructurales, cuya carga debe ser transferida a otros elementos, generando puntos de concentración de esfuerzos y sobrecarga en aquellos elementos que no se descontinúan.






37. La figura muestra los efectos de una discontinuidad donde el muro de los pisos superiores desaparece para convertirse en pilares mucho menos rígidos y resistentes. Esto lleva al colapso de estos pilares, los que arrastran el muro al perder este sus puntos de apoyo.

38. Las irregularidades en altura pueden generar la formación de pisos débiles. Estos pisos débiles poseen una menor rigidez y resistencia y, por tanto, el daño y la deformación se concentran en ellos, generando la falla o incluso colapsos parciales o totales de estructuras.

39. La figura muestra la falla debido a la formación de un piso débil en el primer piso del edificio, debido a la discontinuidad de muros en este piso.

40. Para minimizar las discontinuidades en altura y la aparición de pisos débiles, se recomienda:

Evitar concentraciones de masa en pisos determinados.
Usar estructuraciones continuas en altura, como las mostradas en la figura, que eviten cambios bruscos de rigidez entre pisos.






41. Uno de los problemas asociados a aspectos constructivos tiene que ver con la interacción entre elementos estructurales y no estructurales. Esta interacción puede originar fallas en ambos tipos de elementos.

42. La figura muestra el vaciamiento de tabiquería de ladrillos debido a la interacción de esta con las columnas y vigas de la estructura. Si bien esta falla no causa la falla de la estructura, puede provocar daños considerables al contenido de los edificios y representar un peligro para la integridad física de las personas en su interior.

43. También puede ocurrir que la interacción entre elementos estructurales y no estructurales resulte en la falla de los primeros. La figura muestra una falla por columna corta que ocurre debido a que el muro de albañilería de altura parcial restringe la deformación de la columna de hormigón. Esto hace que se generen momentos más grandes que los esperados en el segmento libre de la columna, además de una mayor predominancia del efecto del cortante, lo que genera la falla prematura de la columna.

44. La figura muestra el caso de una falla por columna corta.






45 .La figura ilustra en los pisos inferiores la condición en que elementos estructurales y no estructurales están unidos y pueden interactuar, mientras en el piso superior se muestra una posible solución para desacoplar los tabiques de albañilería de la estructura usando juntas de dilatación. Los topes en el borde superior del tabique evitan que este se cimbre fuera del plano como un voladizo, disminuyendo los momentos flectores a que está sometido.

46. Otro comportamiento indeseable tiene que ver con el choque entre edificios vecinos. La figura muestra el colapso de los pisos superiores del edificio de la izquierda debido al impacto de este con el edificio a su lado.

47. La figura (a) muestra una situación similar a la de los edificios en la lámina anterior. Para prevenir el problema de choque entre edificios vecinos existen dos soluciones posibles:
  • Proveer una separación adecuada entre edificios que considere los desplazamientos máximos que puede tener cada estructura. Esto sólo es posible si se trata de nuevas construcciones.
  • Rigidizar los edificios en los niveles críticos para disminuir los desplazamientos en esos pisos. Esto debe hacerse con mucho cuidado, ya que se debe evitar crear una irregularidad en altura.


48. La foto muestra el caso de una adecuada separación entre edificios. Ambos edificios han mantenido su integridad estructural después del evento.








CONTINUA EN EL PRÓXIMO NUMERO


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