Configuración Estructural y su Problemática

La configuración y diseño de una edificación está relacionada con la forma, el tipo, la disposición, la resistencia, la geometría, entre otros aspectos que puedan presentar los diferentes elementos estructurales o la edificación completa, como un conjunto dentro de un enfoque global. Los principales problemas encontrados en el diseño y configuración de las estructuras, se relacionan con asimetrías y cambios bruscos de dimensiones, masas, rigideces y flexibilidades. No existe una forma estructural ideal, pero sí existen ciertos principios básicos que pueden guiar un buen desempeño en cuanto a su configuración.  Es importante destacar que existen condiciones necesarias, pero no suficientes para lograr una configuración y una forma estructural sana y adecuada.  

Configuración Geométrica

La incidencia de la configuración geométrica en la respuesta sísmica de las edificaciones, podemos distinguirla según lo siguiente:

1. Configuración en Planta  
2. Configuración en Elevación

 

• Configuración en Planta

  La disposición de la estructura en el plano horizontal, en relación  con la forma y su relación de aspecto influye en la respuesta estructural.  Los edificios largos al igual que las plantas complejas son muy sensibles a las componentes torsionales. En las plantas con presencia de alas muy alargadas, aparecen grandes concentraciones de esfuerzos en la zona de transición y esquinas, producto de formas vibratorias en diferentes direcciones Para estos casos, la solución adoptada con mayor frecuencia consiste en la introducción de juntas de dilatación sísmica, similar a lo adoptado en edificios largos.  

• Configuración en Elevación

  Los escalonamientos en los volúmenes del edificio se presentan habitualmente por exigen-cias urbanísticas de ilumi-nación, proporción, etc. Sin embargo, desde el punto de vista sísmico, son causa de cambios bruscos de rigidez y de masa; por  lo tanto, traen consigo la concentración de fuerzas que producen daño en la zona del cambio brusco. En términos generales, debe buscarse que las transiciones sean lo más suave posible, con el fin de evitar dicha concentración, o nuevamente recurrir a juntas estructurales o de dilatación sísmica.  

Configuración Estructural

Irregularidades en altura, traducidas en cambios repentinos de rigidez entre pisos adyacentes, hacen que la absorción y disipación de energía en el momento del sismo se concentren en los pisos flexibles, donde los elementos estructurales se ven sobresolicitados. Las irregularidades en planta de masa, rigidez y resistencia pueden originar vibraciones torsionales que generan concentraciones de esfuerzos difíciles de evaluar, razón por la cual una mayor exigencia en este tipo de aspectos debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar arquitectónicamente las edificaciones. Podemos distinguir algunos casos descritos a continuación:

1. Concentraciones de masas
2. Columnas débiles
3. Pisos Blandos
4. Falta de Redundancia
5. Excesiva flexibilidad estructural
6. Excesiva flexibilidad del Diafragma
7. Riesgo Torsional

a) Concentraciones de masas El problema en cuestión es ocasionado por altas concentraciones de la masa en algún nivel determinado del edificio y se puede deber a la disposición en él de elementos pesados, tales como equipos, tanques, bodegas, archivos, etc. Por lo anterior, en el diseño arquitectónico es recomendable disponer los espacios que representen pesos inusuales en sótanos o en construcciones aisladas aledañas al cuerpo principal del edificio.   b) Columnas débiles El diseño sísmico de pórticos especiales e intermedios a momento (sistema resistente formadas por vigas y columnas) busca que el mecanismo de disipación de energía por efecto de sismos de importancia, se produzca en vigas y no en columnas. Estas fallas de columnas pueden agruparse en dos clases: Columnas de menor resistencia flexional que las vigas y efecto de Columnas cortas, que desarrolla una falla frágil por cortante.   c) Pisos Blandos Estos son pisos o niveles que son más vulnerables al daño sísmico que los restantes, debido a que tienen menor rigidez, menor resistencia o ambas cosas, los cuales se puede atribuir a la diferencia de altura entre pisos y/o a la interrupción de elementos estructurales verticales en el piso.   d) Falta de Redundancia Desde este punto de vista, el diseño de la estructura debe buscar que la resistencia a las fuerzas sísmicas dependa de un número importante de miembros resistentes, puesto que cuando se cuenta con un número reducido de miembros resistentes (poca redundancia) la falla de alguno de ellos puede tener como consecuencia el colapso parcial o total durante el sismo. En este sentido, debe buscarse que la resistencia a las acciones sísmicas se distribuya entre el mayor número de miembros resistentes posibles.   e) Excesiva flexibilidad estructural La excesiva flexibilidad de la edificación ante acciones sísmicas induce grandes deformaciones laterales entre los diferentes pisos, conocidas como derivas, cuya consecuencia directa se manifiesta en:

• • Daños en los elementos no estructurales adosados a niveles contiguos. (No se debe superar la Deriva Permisible)
  • Inestabilidad del o los pisos flexibles, o del edificio en general. (Se debe verificar el coeficiente de estabilidad «θ» e incluir efectos Pdelta)

  f) Excesiva flexibilidad del Diafragma Un comportamiento excesivamente flexible del diafragma de piso implica que la distribución de fuerzas laterales no se hará de acuerdo a la rigidez de los elementos verticales. Son varias las razones que dan origen a esta flexibilidad, entre ellas se encuentran las siguientes:

• • Flexibilidad del material del diafragma
  • Relación de aspecto (largo/ancho) del diafragma. 
  • Aberturas en el diafragma.g) Riesgo Torsional

La torsión ha sido causa de importantes daños de edificios sometidos a sismos intensos. La torsión se produce por la excentricidad existente entre el centro de masa y el centro de rigidez. Algunos de los casos que pueden dar lugar a dicha situación en planta son:

• • Posición de elementos rígidos de manera asimétrica con respecto al centro de gravedad del piso.
  • Colocación de grandes masas en forma asimétrica con respecto a la rigidez.
  • Combinación de las dos situaciones anteriores.

Autor: Luis Nuñez