Diseño sísmico conceptual de estructuras porticadas

Recomendaciones y detalles para la construcción de estructuras porticadas con un comportamiento aceptable en zonas sísmicas

En general el diseño es un proceso que, partiendo de ciertos requisitos en la función esperada de la obra, construcción, disponibilidades económicas y estética, da lugar a la descripción de un modelo. La descripción del modelo varía según el contexto de diseño y del grado de detalle (nivel de abstracción) que se pretende alcanzar. En la ingeniería estructural, la descripción se refiere a las características de los componentes estructurales, como pórticos, elementos de arriostramiento, uniones, etc.

La primera etapa en un proceso de diseño es el diseño conceptual, que proporciona descripciones cualitativas de soluciones de diseño partiendo de los requisitos. En ingeniería estructural, los diseñadores desarrollan soluciones conceptuales a partir de un conocimiento profundo de las leyes fundamentales del equilibrio, de la compatibilidad y de las características de los materiales y a partir de la experiencia. Etapas posteriores al diseño conceptual añaden más detalle a las alternativas propuestas y, en algunos casos las modifican. Por tanto, el diseño conceptual es una etapa muy importante en el proceso de diseño, pues determina el comportamiento estructural global.

El desarrollo del presente artículo, se centrará exclusivamente en las estructuras de edificios porticados, entendiendo las mismas como las constituidas por entramados verticales, compuestos a su vez de elementos horizontales (vigas, carreras, jácenas, dinteles o cargaderos) y de verticales (pilares, soportes o pies derechos. Su misión es la de recibir los esfuerzos de los forjados y transmitirlos al terreno a través de los cimientos (figura 1).

Entre las ventajas que presentan, estarían las siguientes:

• La inexistencia de muros (como elemento estructural resistente) da libertad en cuanto a la distribución y acristalamiento de fachadas favoreciendo así el disponer –en su caso– de una buena iluminación exterior.
  
• Aumento de la superficie en plantas superiores ante la posibilidad de emplear voladizos.
  
• Disminuyen cargas sobre el terreno.
  
• Reducen plazos de ejecución, permitiendo la utilización de elementos prefabricados.

Tipologías de edificios utilizadas en zonas sísmicas

El uso de tipologías estructurales tradicionales, cuya utilización quizás por inercia y causas diversas, no han sido abandonadas, son fuente de severos daños debido a los errores de diseño, conceptuales y de construcción que se cometen en las mismas. Por ello, el primer paso de cara a un diseño es elegir un sistema estructural que frente a las acciones sísmicas se comporte de forma satisfactoria (sin dejar de cumplir el resto de finalidades o funciones que dieron lugar a su construcción, ya que las obras no se construyen solo para que resistan). En la actualidad existe unanimidad de criterio por parte de los especialistas en diseño, según el cual, en el diseño sismorresistente de edificios antisísmicos, deben utilizarse tipologías que posean la mayor ductilidad posible, es decir que tengan gran capacidad de deformación, sin una disminución significativa de su resistencia.

Las tipologías estructurales más utilizadas hoy en día en los diseños de edificios antisísmicos son las siguientes:

• Edificios porticados, propiamente dichos, constituidos por retículas de vigas y pilares (figura 1).
  
• Edificios apantallados, constituidos por pantallas de hormigón armado o mampostería y habitualmente junto con entramados de vigas y pilares. La misión de las pantallas es soportar las acciones horizontales (predominantemente contenidas en su plano) mientras que los pórticos soportarían las cargas verticales (figura 2).
  
  Figura 2: Alzado y planta de edificio con pantallas en el perímetro exterior.

• Edificios con sistema dual, en los cuales los pórticos de hormigón armado colaboran con elementos de arriostramiento (pantallas) y/o núcleos rígidos, situados en paños ciegos de las fachadas los primeros y en las cajas de escaleras y ascensores los segundos (figura 3).
  
  Figura 3: Edificio con sistema dual, con núcleos rígiso y pórticos de hormigón armado.

  En algunas zonas sísmicas –además de las tipologias citadas– es bastante utilizada otra tipología estructural de edificio de placas planas y columnas, la cual no se comporta de forma satisfactoria frente a las acciones sísmicas, ya que presenta:
  

• Desplazamientos horizontales excesivos, debido a que la rigidez de la unión placa pilar no es suficientemente alta, a lo que hay que añadir que las placas –en el caso de que no estén aligeradas (por ejemplo con elementos cerámicos)– presentan con relación a los forjados una masa mucho mayor, lo cual favorece estos desplazamientos.
  
• Dificultades en la transmisión de los esfuerzos cortantes entre columnas y placas dado que el canto de estas últimas, es generalmente menor que el de las vigas correspondientes a una planta de forjados, lo que puede llevar a un fallo frágil.

Otra tipología que prácticamente no se utiliza en los diseños actuales, pero en la que sin embargo continúan los estudios sobre la misma –por el hecho de que la mayoría de construcciones antiguas situadas en zonas sísmicas son de este tipo– es la de edificios de paredes de carga, constituidas por mampostería o fábrica (de ladrillo o bloques).

Criterios de diseño

Si se pretende obtener una estructura bien diseñada, el empleo del diseño conceptual –basado en soluciones cualitativas– es obligado. Dada la gran cantidad de soluciones que el técnico puede crear para una misma necesidad y con el fin de evaluar el comportamiento de las mismas al objeto de decantarse por la mejor opción, existen fundamentalmente dos alternativas:

• Emplear criterios heurísticos, basados en experiencias con diseños previos.

• Utilizar criterios cualitativos, basados en leyes físicas.

En lo que resta del presente artículo, se desarrollarán exclusivamente los primeros.

Forma y disposición de conjunto

Con el objeto de obtener un comportamiento más adecuado frente al sismo, es muy conveniente seguir las recomendaciones de diseño –referentes a la forma y disposición del edificio– que a continuación se indican.

Disposición en planta

La experiencia ha demostrado que las estructuras simétricas (tanto en planta como en alzado) frente a una respuesta lineal o no lineal, tienden a distribuir bien los esfuerzos, evitando concentraciones de daño.

La disposición en planta debe ser lo más simétrica que sea posible, tanto en lo que respecta al conjunto, como al esqueleto resistente vertical (incluidos todo tipo de arriostramientos) y a elementos no intencionadamente estructurales (como muros de cerramiento, tabiques, etc.). Lo ideal sería buscar una disposición en planta con dos ejes de simetría ortogonales (figura 2). Disposiciones en planta con un único eje de simetría (figura 4) o con ninguno (figura 5) separan el centro de masas del de rigidez (también llamado centro de torsión o de cortante) no siendo aptas para cálculos por los métodos simplificados descritos por diversas normativas y dando lugar a esfuerzos internos de difícil evaluación, como consecuencia de la aparición de acciones de flexión acopladas con otras de torsión. Es decir, en cualquier nivel de un edificio, la fuerza de inercia inducida en un sismo actúa a través del centro de masas de los niveles superiores, mientras que la resultante de las fuerzas resistentes actúa en el centro de rigidez de los elementos resistentes del nivel en consideración. Si la estructura no tiene simetría dinámica, el centro de rigidez en un piso dado y el centro de masas por encima de ese piso no coinciden. En estas circunstancias se desarrolla un momento de torsión en el piso. Este momento de torsión en un piso es igual al producto del esfuerzo cortante del piso multiplicado por la excentricidad, que es la distancia entre el centro de masas superior y el centro de rigidez del piso. Esta distancia se mide en la dirección normal a la dirección de la acción del sismo. La figura 6 muestra las excentricidades ex y ey entre el centro de masas G y el centro de rigidez C para el sismo actuando en al dirección Norte-Sur y en la dirección Este-Oeste, respectivamente.

En los casos representados en las figuras 4 y 5, cada uno de los cuerpos de la construcción tiene en general características dinámicas diferentes. Si por necesidades de ubicación en planta, forma de la parcela u otras, fuese necesario la utilización de disposiciones no simétricas, es aconsejable independizar cuerpos de la construcción mediante juntas verticales.

La importancia de la disposición simétrica en planta, aumenta con la altura de la construcción. En edificos “rígidos”, como son los de no más de tres plantas o, los de paredes de carga, no son generalmente de temer estos efectos.

Incluso en algunas situaciones, en las que el centro de masas coincide con el de torsión, como es en plantas muy alargadas (figura 7), se pueden dar frecuencias naturales de traslación acopladas con las de torsión; por lo que ésta es también una disposición a evitar.

El efecto negativo de la torsión glo-bal de la estructura, ha sido observado en casi todos los terremotos severos del pasado siglo XX. En el esquema de la (figura 8) se representa la planta de un edificio de 17 pisos construido en Ancón, Lima. La simetría de la estructura porticada está interrumpida por un núcleo rígido vinculado a ella que contiene los ascensores. Durante el terremoto peruano de 1970, este edificio sufrió severos daños, los cuales se localizaron fundamentalmente en la conexión entre el núcleo y el sistema porticado, debido a la torsión global en la estructura motivada por la asimetría citada; lo que obligó a demoler los últimos 7 pisos del edificio. El fallo de la estructura –desde el punto de vista del diseño– se podría haber evitado mediante la adopción de una de las dos alternativas siguientes:

• desconectando ambos sistemas estructurales,

• aumentando la rigidez de los pilares opuestos al núcleo rígido. Creando de esta forma simetría en cuanto a la rigidez estructural en dos direcciones ortogonales en planta.

Sin embargo, las disposiciones en L y U vistas, así como otras en T, Z, etc., o la presente, en las cuales la simetría en la rigidez se introduce de forma ficticia –es decir incrementando la rigidez de algunos elementos con el fin de compensar una distribución no del todo regular–, es posible que no resulten bien representadas (a efectos de cálculo) por dos modelos planos ortogonales, además, si se trata de una esbeltez elevada, tampoco por tres grados de libertad por planta (figura 9) por lo que tampoco son aptos para el cálculo por métodos simplificados.

En la figura 9, se puede observar un modelo dinámico con torsión simplificado, de edificio porticado tridimensional, de tres grados de libertad por planta, dos traslaciones X e Y ortogonales entre sí y un giro ? que permite incluir en el análisis la posibilidad de giro de las plantas en su propio plano, considerando claro está las hipótesis de (1.º) la totalidad de la masa de la estructura está concentrada al nivel de los pisos, (2.º) que las vigas en los pisos son infinitamente rígidas con relación a la rigidez de los pilares y (3.ª) que la deformación de la estructura es independiente de los esfuerzos axiales presentes en las columnas.

Continuando con el apartado de disposición en planta, en la figura 10 se puede apreciar la planta de un edificio con un eje de simetría (el contorno del edificio está delimitado en la planta baja por los puntos t, u, v, w, x, z, mientras que a partir de la primera planta corresponde a los t, u, v, w, x, y, z), el cual presenta algunas disposiciones en planta, que deben evitarse:

• La viga A solicita axialmente el forjado F a través del pilar P, localizándose los esfuerzos en las proximidades del mismo, lo que podría dar lugar a daños en el forjado o –en caso de que éste presentara una rigidez en su plano suficiente– transmitir el empuje horizontal a la viga B, de mayor luz que las contiguas dada la inexistencia de un pilar central.

• El punto w puede soportar los empujes axiales inducidos por la alineación de la viga C, que soportará la viga D.

• En el punto y los esfuerzos horizontales actuarán sobre la viga E o la G, según que la dirección de la oscilación horizontal coincida con el eje de la viga E o G respectivamente.

Disposición en altura

Un aspecto de singular importancia, al objeto de evitar concentraciones de esfuerzo, reside en evitar los cambios bruscos de rigidez en alzado (fotos 1, 2 y 3); es decir, se debe procurar una disposición geométrica en altura lo más regular posible, realizando –en su caso– las transiciones de forma y/o rigidez entre  un piso y el siguiente de forma gradual (foto 4). De esta forma se evita la aparición de daños locales a consecuencia del sismo, los cuales son motivados por las citadas concentraciones de esfuerzos. Además debe tenerse presente que las normativas sólo contemplan la posibilidad del diseño y cálculo sismorresistente de estructuras que posean una cierta distribución regular. Como tal, debe evitarse una planta baja mucho más alta que las demás, dado que es de esperar desplazamientos en la misma mayores, como consecuencia de su mayor flexibilidad; una solución de este tipo puede necesitar de una ductilidad de las columnas tan alta que llegue incluso a superar su capacidad. En la ingeniería sísmica este caso es conocido como de planta débil.

Otra recomendación relacionada con la disposición regular global en altura –en cuanto a variaciones de rigidez– es la de evitar diseñar pórticos de mayor resistencia en una dirección y más débiles en otra. Las frecuentes denominaciones de pórticos principales (cuya función es transmitir carga) y pórticos secundarios (encargados de arriostrar la estructura) continuan siendo utilizadas actualmente por algunos proyectistas en sus diseños. Pues bien, los terremotos no entienden de pórticos principales y secundarios; no saben que dirección, de las múltiples posibles contenidas en la planta de un edificio presenta mayor resistencia. Dentro de la aleatoriedad de los mismos, cuando su dirección principal de actuación coincide con la de los citados pórticos débiles de una estructura, pueden ocasionar graves daños.

Dado que la dirección de ocurrencia de un terremoto puede ser totalmente arbitraria con respecto a la estructura, al objeto de estudiar sus efectos, normal-mente la aceleración del terreno a_(t) se descompone en sus componentes a_x(t), a_y(t) y a_z(t). Hasta la fecha, generalmente se ha venido prescindiendo de la acciones provocadas por las fuerzas sísmicas verticales (sin lugar a dudas debido a su desconocimiento, ya que si la magnitud de la componente vertical del sismo tiene un valor apreciable puede generar esfuerzos verticales notables), a no ser –para el caso que nos ocupa– en vigas de grandes luces y vigas ménsula. El daño observado en terremotos californianos recientes como el de Loma Prieta en 1986 y, más claramente, el de Northridge en 1994 indica que la componente vertical de los terremotos no puede ignorarse. Durante el terremoto de Northridge se midieron aceleraciones verticales mayores a la grave-dad y, en general, de magnitud similar a la magnitud de las componentes horizontales. Estas observaciones seguramente modificarán la normativas de diseño americanas, por lo menos con respecto a puentes y a voladizos, donde la importancia de la componente vertical es mayor.

Otro aspecto de singular importancia, en lo que a disposición en altura se refiere, es el constituido por la totalidad de elementos de arriostramiento; dada la importancia del mismo frente a las acciones horizontales (del sismo y también del viento) merece la pena detenerse en los aspectos referentes a su organización estructural.

Como el lector sabe, a fin de evitar desplazamientos horizontales excesivos es necesario rigidizar los pórticos con la ayuda de los forjados –los cuales en su plano por la condición de monolitismo se comportan como una laja de gran rigidez– y de pórticos de arriostramiento; como tales pueden utilizarse pantallas de hormigón, pórticos triangulados metálicos (figura 11) y también otros pórticos de nudos rígidos, aunque generalmente los desplazamientos horizontales de estos últimos son mayores que los de aquellos, lo que podría ocasionar daños a elementos secundarios, a las juntas y a los edificios contiguos.

• Número: puesto que a efectos de cálculo deben considerarse las acciones horizontales actuando según las dos direcciones principales que determinan la planta del edificio (y en ambos sentidos) el número mínimo de elementos de arriostramiento es de uno en cada dirección. Esta solución sólo es posible adoptarla si las dimensiones en planta del edificio son reducidas y la misma es simétrica, en caso contrario deberán disponerse al menos dos, según cada dirección principal, a fin de evitar efectos de torsión.

• Situación: los elementos de arriostramiento deben situarse como se ha mencionado en los paños ciegos de fachadas y en las cajas de escaleras y ascensores.

• Forma: en lo referente a elementos de arriostramiento constituidos por entramados triangulados metálicos, ya comentados, la forma más racional (en cuanto a obtener menores esfuerzos y deformaciones) corresponde a la Cruz de San Andrés (figura 11), a no ser que sea necesaria la presencia de huecos a través de ellos, en cuyo caso se pueden adoptar alguna de las disposiciones que se indican en la figura 12 correspondientes a la cuadrícula del pórtico triangulado. En el caso de pantallas de rigidización de hormigón armado, se recomienda que: su espesor y ancho se mantengan constantes o en su defecto la variación sea gradual y poco significativa, sean continuas en toda la altura de la construcción y, en el caso de que sea necesario la presencia de huecos, estos se alineen verticalmente.

Un ejemplo de estructura que no cumple una disposición en altura de rigidez uniforme, es la que se muestra en la figura 13 la cual corresponde a la “Sierra Tower”, ubicada en el Campus de la Universidad de California, en Northridge. La estructura de ocho pisos está resuelta en hormigón armado, formada por pilares en el primer nivel y pantallas a partir del segundo hasta su coronación, las cuales van dispuestas en las dos crujías externas, unidas entre si por vigas cortas. Los esfuerzos horizontales y verticales deben canalizarse hasta la cimentación a través de los pilares del primer nivel. Aspectos llamativos que van en contra de un diseño sísmico conceptual son:

• la transición pilares-pantallas a partir del segundo nivel origina un cambio brusco en la rigidez.

• sobre los pilares del primer nivel enlazan vigas de poca longitud y por tanto con una deformabilidad limitada, las cuales además se presume que deben soportar unos esfuerzos cortantes notables, por lo que si alcanzasen un E.L.U. se podría originar un colapso de la estructura.

Esta estructura se comportó adecuadamente durante los terremotos de Sylmar en 1971 y de Northridge en 1994 (teniendo en cuenta la magnitud de los mismos y la proximidad del epicentro), el daño se localizó en elementos no estructurales y en la maquinaria; incluso durante el sismo de Northridge en el que la última planta llegó a desplazarse hasta unos 10 cm, tampoco se observó daño estructural significativo. Aunque esta estructura no verifica las dos recomendaciones de diseño citadas, se la hizo cumplir con el resto de requisitos relativos a un diseño sísmico conceptual y se efectuó un análisis sísmico detallado de la misma. A pesar de todo, el coste económico fue posiblemente mayor al de una estructura regular que cumpliese con los requisitos indicados.

Deben evitarse, en la medida de lo posible, diseños que presenten soportes descansando sobre vigas (muy sensibles a las componentes verticales de los sismos) y vigas embrochaladas que son soportadas por otras (a las que pueden transmitir esfuerzos horizontales). Si esto no fuese posible, el modelo dinámico de la estructura debe contener en ese nudo un grado de libertad vertical, al objeto de tener en cuenta las acciones sísmicas verticales (figura 14). A pesar de que la disposición en planta –del edificio de la figura citada– fuese rectangular (y por tanto con dos ejes de simetría ortogonales), un análisis dinámico utilizando métodos simplificados según un plano vertical y perpendicular al de la figura 14, se complicaría notablemente, ya que las propiedades estructurales no son uniformes a lo largo del mismo y el análisis de un pórtico interior difícilmente suministraría una respuesta extrapolable a los demás (foto 5).

Foto 5. La ubicación de una alineación de pilare permite resolver la papeleta (en lo que respecta a un diseño sismorresistente más adecuado) pero, castigando claro está, la estética global del edificio.

En las fotos 6 y 7 se puede apreciar un edificio con un diseño ciertamente particular, constituido por dos sistemas estructurales diferenciados; una parte central porticada de forma cuadrada en planta y un núcleo exterior destinado a la ubicación de ascensores y escaleras. En el mismo, se ha conseguido un considerable aumento de los metros cuadrados de superficie útil mediante (1.º) el ensanchamiento lateral a partir de la primera planta de la estructura porticada (foto 8) y (2.º) a través de los cuatro voladizos situados en las esquinas de la última planta, como se puede apreciar en las fotografías.

El diseñador de estructuras, concibe las mismas a partir de dos puntos de apoyo fundamentales: la forma y los materiales. Si por razones diversas (entre ellas la de mayor peso: la económica) no se adopta una forma racional para la estructura, es necesario solicitar de los materiales toda su capacidad resistente para resolverla estáticamente.

Las consecuencias negativas más notables de este diseño, desde un punto de vista sismorresistente son:

• El núcleo exterior rompe la simetría en planta con los inconvenientes ya citados,

• Las soluciones en voladizo inducen esfuerzos verticales sobre los mismos (independientemente de que el movimiento sísmico tenga componente vertical, pero ciertamente más significativos en ese caso), los cuales, para una carga distribuida aumentan de forma dramática, con el cuadrado de la luz.

• Las fuerzas laterales a la altura de los pisos crean unos momentos de vuelco alternativos, que deben ser soportados por unos pares de esfuerzos axiles en los pilares, especialmente en los situados en el perímetro exterior. Estos esfuerzos aumentan alternativamente a uno y otro lado del edificio el efecto de las fuerzas gravitatorias en las columnas exteriores, durante la vibración de la estructura. Como el lector sabe, es en la base del edificio donde estos esfuerzos axiles presentan mayor magnitud, tanto por car-gas horizontales (sísmicas y de viento) como por el resto de acciones verticales. Pero además, y en este caso –he aquí la consecuencia final de este punto– estos esfuerzos axiles en los pilares se ven fuertemente incrementados debido a la reducción del brazo de los pares estabilizantes (longitud d, figura 15).

Distribución de 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 idéntica proporción; lo que a su vez originará 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 fuera de España aumenta día a día) y fundamentalmente forjados (es conveniente la elección de estos elementos con menor peso propio) y en algunas ocasiones, toda la serie de elementos prefabricados repetidos en un número más o menos grande que intervienen en ella. En la foto 9 se pueden apreciar los elementos prefabricados presentes en el contorno de cada planta. Es muy conveniente la reducción –en la medida de lo posible– de estas masas, especialmente si apoyan en elementos resistentes en voladizo, por los 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 una misma planta,

• las restantes de cada planta del edificio.

Esta situación se favorece con un trazado de plantas semejantes y con una distribución uniforme de las masas en cada planta, agrupando usos para cada una de ellas (figura 16).

En el caso de ser necesaria la ubicación de una masa que excede a la media, debe colocarse en una posición central en planta, la disposición irregular de masas dentro de una misma planta ocasiona excentricidades de torsión, por lo que situarlas 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 un 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 inmediatamente superior muy cargada.

Separación entre edificios

El choque entre las 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 dificil de estimar. Frente a este problema, las soluciones más comunes son:

• Emplear dispositivos de disipación de energía entre edificios. Separar adecuadamente los edificios.
  
• Diseñar estructuras más rígidas, con lo que el coste se podría elevar notable-mente.
  
• 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 planta.
  
• 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 el caso de canalizaciones que deban atravesar de un bloque a otro, se resolverán mediante enlaces flexibles, siendo aconsejable su ubicación en la planta 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, aún a sabiendas de que en algunas zonas es excesivo.
  
• Al objeto de evitar efectos 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 relleno empleados en el sellado u ocultación de las juntas, deben de ser de un módulo 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 fábrica, pantallas de rigidización, etc.) durante el análisis, será preceptivo considerar la interacción entre ellos, particularmente en lo referente a la compatibilidad de deformaciones.

La figura 17 representa la planta de un tipología de construcciones empleadas para garajes de vehículos, formadas por dos sistemas estructurales bien diferenciados; uno constituido por pantallas de rigidización perimetrales y el otro por pórticos interiores. Ambos sistemas están conectados entre sí a través del piso de cada planta. Construcciones de este estilo colapsaron durante el terremoto de Northridge de 1994. El motivo de dicho colapso, fue que no se consideró la interacción –al menos totalmente– de los dos sistemas estructurales; a pesar de que los diafragmas rígidos formados por la losa 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 del terremoto de Northridge poseía un valor notable, lo que dio lugar a un comportamiento sísmico inadecuado en esta tipología de construcciones, al provocar en las vigas centrales de la planta, una falta de apoyo vertical.

Cimentación

En el caso de que la infraestructura esté constituida en su perímetro por muros de sótano, de rigidez adecuada, como para asegurar a la misma un comportamiento rígido, será posible considerar 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 se entiende), obviamente sus correspondientes esfuerzos se transmitirán a la cimentación a través de los mismos, por lo que es preceptivo considerar en el modelo dinámico la oscilación inducida por las masas de la mencionada planta (figura 18). Por ejemplo, esta situación se suele dar, cuando por motivos de humedad se pretende aislar la planta baja del suelo mediante un forjado colocado a pequeña distancia de éste, en vez de resolver el piso con una losa armada.

Tipología de la infraestructura

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 discontinuidad por fallas, deberá fraccionarse el conjunto de la construcción en bloques aislados, mediante juntas de asiento de forma que cada uno de los bloques situados a uno y otro lado de la discontinuidad constituyan unidades independientes (figura 19). Asimismo, en cada uno de los bloques, la tipología de cimentación utilizada ha de ser homogénea, siendo prohibitivo la elección de cimentaciones superficiales o directas con profundas. A tal efecto, no se considerarán sistemas diferentes de cimentación a los conjuntos constituidos por cimentaciones con zapatas aisladas y vigas flotantes o zapatas corridas, ni tam-poco la combinación de pilotes y pantallas profundas (figura 20).

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. Terremotos recientes han puesto de manifiesto que habitualmente estas uniones constituyen la primera zona de colapso de los edificios, manteniéndose incluso la integridad geométrica del resto de la construcción.

Al igual que se ha mencionado al principio de este artículo, es necesario también independizar la totalidad de la construcción en bloques independientes cuando se presenten cambios en el tipo de cimentación (figura 21) y variaciones significativas en las sobrecargas de uso de edificios contiguos.

Atado de la cimentación

Si la infraestructura se resuelve mediante cimentaciones discontinuas (zapatas aisladas, pilotes, etc.), al objeto de evitar corrimientos horizontales relativos entre los citados elementos, deberán enlazarse entre 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 infraestructura situados en el perímetro, a lo largo de la fachada (figura 22), 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, otras recomendaciones más exigentes aconsejan el atado bidireccional en las zapatas perimetrales y el unidireccional para las interiores, por supuesto orientado este último en una de las dos direcciones principales (figura 23).

• alta: el atado debe vincular a todos los elementos de la cimentación en dos direcciones sensiblemente ortogonales (figura 24); en el caso de cimentación por pilotes profundos, esta forma de atado es también aplicable.

Condiciones locales de suelo

Debido a la influencia de las condiciones locales de 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 baja resistencia del suelo, y análogamente,

• estructuras flexibles en suelo firme, las estructuras porticadas, aparte de ser más económicas, son también más dúctiles y flexibles que las 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 pérdida brusca 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 los redondos al objeto de obtener una mayor superficie de adherencia, etc.) también incrementan su coste; dentro de ciertos límites de flexibilidad y en función de la acción sísmica, mientras más dúctil sea el sistema estructural –según las normativas modernas de diseño sismorresistente– más se podrán reducir las cargas sísmicas, y por ello, el coste del conjunto de la construcción será menor. Continuando con las estructuras de hormigón armado, un tipo de fallo frágil muy típico en las mismas, es el producido por esfuerzo cortante. Una situación que debe evitarse en lo posible, es la producida en pilares y vigas cortas, debido al incremento de esfuerzo cortante motivado por la mayor rigidez del elemento con respecto a otros análogos de mayor longitud (figura 25). 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, éste sea dúctil. En el caso de vigas, por ejemplo, una forma de conseguir que el fallo sea dúctil 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.

Las figuras 25 y 13 ya mencionadas, presentan defectos de diseño muy típicos relacionados con pilares y vigas de poca longitud. Otros defectos bastante comunes y de la misma tipología se producen involuntariamente debido a los elementos no estructurales, o mejor dicho, a los elementos no intencionadamente estructurales. Frecuentemente, los locales destinados a labores docentes –como aulas, laboratorios y similares– son cerrados, rellenando las cuadrículas verticales formadas por las vigas y pilares, con fábricas de ladrillo y/o de bloques solo hasta una cierta altura, dejando libre la parte superior para iluminación y/o ventilación (figura 26); creándose de esta forma una columna corta.

Desviaciones entre el comportamiento previsto y el real

Los muros de cerramiento, tabiques, etc., generalmente no considerados en el modelo de análisis dinámico como elementos estructurales (es decir, elementos resistentes) aportan a la estructura real rigidez y resistencia adicionales, siendo suficientes para alterar la respuesta de la misma con respecto a los resultados que se obtienen del modelo dinámico teórico o ideal utilizado para el análisis. Por tanto, ante la ocurrencia de un sismo, estos elementos no estructurales –al aportar rigidez a la construcción– se convierten en estructurales y frente a la acción de un sismo de baja magnitud reducen las vibraciones y oscilaciones del edificio; en cambio si el sismo es severo, las ventajas citadas se transforman en inconvenientes, ya que constituyen una limitación para que la estructura alcance sus estados límites y provocan un comportamiento frágil del conjunto.

Las desviaciones entre el comportamiento previsto y el real, radican en que, al ser la rigidez real de la estructura mayor que la considerada en el modelo dinámico, con el mismo se obtienen periodos naturales de oscilación más altos que los reales y su aplicación conduce a estimar cargas sísmicas más bajas que las reales. De lo citado se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• No se debe considerar del lado de la seguridad la rigidez y resistencia adicionales que proporciona la tabiquería.

• En el caso de que, en una edificación coexistan plantas muy compartimentadas con una o más planta/s diáfana/s –ubicada en la planta baja o intercaladas a lo largo de la altura del edificio– debe tenerse en cuenta el comportamiento más flexible de estas últimas, a no ser que se actúe a través del diseño con el objeto de evitar un comportamiento no regular.
  
• Es necesario tener en cuenta este efecto en los cálculos. Un método aproximado de hacerlo consiste en estimar la variación de periodo que producen.

Finalmente, una recomendación ya de carácter general, es que globalmente la estructura presente un grado homogéneo de seguridad, de tal forma que ante un sismo severo, se alcance la cedencia en un gran número de secciones simultáneamente; para ello se debe evitar la existencia de elemento/s y/o sección/es, con un coeficiente de seguridad mucho menor que el resto de la estructura.

El conjunto de recomendaciones citadas no deben tomarse como una limitación del diseño, con ellas, simplemente se asegura que el comportamiento global de la estructura sea aceptable, sin necesidad de emplear un diseño y cálculo más rigurosos; a pesar de todo, es posible diseñar estructuras que no cumplan alguna de estas recomendaciones, pero en estos casos sería obligado un análisis que informase con mayor exactitud del comportamiento real de la estructura, para ello se podrían emplear desde un análisis lineal modal con espectros de respuesta a un análisis paso a paso no lineal. Sin embargo, es muy posible que el costo final de una estructura, con una armonía de diseño basado en los criterios que se han citado, sea menor.

Resumen

En el presente artículo, se clasifican las tipologías de edificios utilizados en zonas sísmicas y se exponen un conjunto de recomendaciones, comentarios y detalles de construcción relativos a: la forma y disposición de conjunto, proporcionar un comportamiento flexible y dúctil y las desviaciones entre el comportamiento previsto y el real, orientadas todas ellas a lograr una armonía en el diseño de estructuras porticadas, frente a las acciones sísmicas, de forma que el comportamiento global de las mismas sea aceptable, sin necesidad de recurrir a un diseño y cálculo más rigurosos.

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