UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
TAREA 2. “CONCEPTOS DE ESTRUCTURACIÓN DE EDIFICIOS EN ZONAS SÍSMICAS”
TOMÁS HIDALGO GAJARDO ALFREDO SALDAÑA SOTELO VICENTE SAN MARTIN VEJAR PROFESOR: PETER DECHENT ANGLADA AYUDANTES: SHANTAL RIVER Y FERNANDA RAMÍREZ ASIGNATURA: INGENIERÍA ANTISÍSMICA 18 DE MAYO DE 2018
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ÍNDICE ÍNDICE
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1. INTRODUCCIÓN
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2. DESARROLLO 2.1 Geometría de la planta 2.1.1 Longitud en planta 2.1.2 Forma de la planta 2.1.3 Simetría del edificio 2.1.4 Densidad de la estructura en planta. 2.2 Configuración vertical 2.2.1 Columnas cortas y débiles 2.2.3 Alineamiento, transición y orientación de columnas 2.3 Configuración estructural 2.3.1 Distribución y concentración de masa 2.3.2 Torsión
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3. CONCLUSIÓN
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4. REFERENCIAS
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1. INTRODUCCIÓN Hoy en día las grandes ciudades crecen verticalmente aumentando la cantidad de edificaciones de grandes alturas para poder suplir la necesidad de viviendas o de oficinas, que aumenta junto con el crecimiento de la población. El cálculo de estas estructuras no es de gran dificultad para zonas que no son afectadas por sismos, pero en zonas sísmicas como lo es la gran parte de Chile sí se hace difícil debido a que las cargas que generan son difíciles de predecir, cada terremoto es distinto en su magnitud, en la forma en que se libera la energía y en el tiempo de duración, por lo que existe un gran grado de incertidumbre de cómo se comportan sus elementos estructurales y cómo se comportará el edificio como un todo. Este es el mayor problema de los ingenieros al construir una estructura, dado que la mayor parte de las estructuras fallan por cargas sísmicas y no por otras posibles causas como sobrecargas o por factores como el viento o la nieve dado que estos últimos son más predecibles y por lo tanto se hace más fácil modelar la edificación. La posibilidad de un sismo hace muy vulnerable una estructura lo que puede causar muertes de personas y daños a la propiedad con pérdidas millonarias para los dueños. Con esto nace el diseño sismorresistente, el cual contiene las consideraciones para modelar una edificación en una zona sísmica, haciendo que la estructura sea menos vulnerable al colapso. Este diseño no asegura que la estructura no fallará, es muy difícil que esto no pase con un sismo de gran magnitud pero sí se pueden hacer modelos en donde el ingeniero pueda asegurar dónde y cómo hacer que se genera una falla, evitando así que la estructura falle en un lugar en donde generaría un colapso que causaría un desastre económico y pérdida de vidas humanas. Para este diseño existen varios factores principales a considerar como es la altura del edificio, la distribución de masas, la distribución de rigidez del sistema y de los elementos estructurales, la simetría del edificio, entre otros factores que se hablarán en el presente informe. Todos los factores nombrados anteriormente definirán en cómo se comportará la estructura frente a las cargas dinámicas de un sismo.
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2. DESARROLLO 2.1 Geometría de la planta 2.1.1 Longitud en planta Es sabido que la aceleración del suelo tiene un comportamiento anisotrópico por lo que si existiera un sismo las ondas de energía que llegan a la planta del edificio serán diferentes para distintos sectores de esta. Esto es un problema ya que el modelo a priori es considerar efectos equivalentes para toda la planta. Para el caso en que la planta tiene una longitud excesivamente grande, las ondas sísmicas inducen una componente torsional a la estructura, esto se puede solucionar separando la planta en dos o más secciones mediante juntas para así modelar por separado estas secciones y así evitar una posible torsión de esta losa. 2.1.2 Forma de la planta La forma de la planta determinará cómo se distribuyen los esfuerzos en cada sección de esta y por ende cómo y dónde será la posible falla. El aspecto principal a considerar son los ángulos de quiebre entre las partes de la estructura ya que estos son los lugares más propensos a fallar. Algunas configuraciones vulnerables son las mostradas en la figura 1, como solución se propone separar la estructura en estructuras menores, para que los esfuerzos no se concentren en estos vértices.
Figura 1. Ejemplos de plantas de forma irregular y su posible solución (Fuente: Arnold & Reitherman, 1982) 2.1.3 Simetría del edificio La simetría del edificio es importante dado que está relacionado con la distancia relativa entre los centros de masa y rigidez, en otras palabras la falta de simetría tiende a aumentar la excentricidad de una estructura. La excentricidad provoca momento torsor en planta y concentración de esfuerzo. Es por esto que el eje simétrico más relevante para el estudio dinámico está asociado con la forma de la planta.
5 2.1.4 Densidad de la estructura en planta. Considerar una alta densidad en planta baja, es decir, una alta densidad de elementos estructurales verticales es un buen diseño que estará preparado para soportar mayores cargas cortantes en planta baja y la acumulada en los pisos superiores. Hoy en dia no es común encontrar edificaciones con estas características ya que predomina lo estético del edificio, por lo que lo que se realizan con menos elementos verticales, no así en las estructuras antiguas que llegan a tener más del 25% de densidad definida como el área total de todos los elementos estructurales verticales dividida por el área bruta del piso. 2.2 Configuración vertical 2.2.1 Columnas cortas y débiles Estos elementos estructurales son de vital importancia dado que son los encargados de transmitir las cargas hacia las fundaciones para que se disipen al suelo. El diseño ideal de una estructura es tener una “columna fuerte - viga débil”, esto debido a que si se produce una falla en la viga, esta será de manera local, y solo afectará al piso involucrado. En cambio si se produce una falla en la columna, ésta podría llegar a generar un colapso total de la estructura. Por otro lado si una columna posee grietas orientadas en 45 grados, es indicio de una falla frágil. Sin embargo, se tiene que siempre las columnas son diseñadas para que fallan de manera dúctil, es decir que el elemento tiene la capacidad de seguir deformándose una vez sobrepasado el límite elástico sin romperse, no obstante, como se mencionó anteriormente, se tiene que en algunas ocasiones las columnas fallan de manera frágil, y esto generalmente ocurre en columnas cortas, ya que estas al ser más rígidas, en el instante del sismo absorben la mayor parte de la fuerza lateral. 2.2.2 Flexibilidad estructural Para el diseño sísmico de edificios se debe considerar que la estructura resista los movimientos laterales del suelo, así como también se debe diseñar para que los desplazamientos laterales entrepisos o drift sean pequeños para minimizar los daños en elementos no estructurales. Teniendo en cuenta esto, si bien es necesario que las estructuras se deformen para la liberación de energía del evento sísmico, esta deformación también debe estar limitada para evitar que la estructura tenga una flexibilidad excesiva que dañe de igual forma al edificio. Para evitar esta excesiva flexibilidad o deformación, se debe tener en cuenta que tanto como la distancia de vanos o luces, la altura libre de niveles, la rigidez de los elementos y la discontinuidad de elementos verticales; contribuyen al aumento de las deformaciones, por lo que se deben evaluar de forma especial para cada estructura y/o hacerlas más conservadoras para facilitar el diseño. 2.2.3 Alineamiento, transición y orientación de columnas En una estructura se deben considerar varios aspectos al diseñar la ubicación de las columnas, cuando se quiere que el edificio tenga un buen comportamiento frente a cargas sísmicas.
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Uno de estos aspectos es considerar un buen alineamiento de las columnas en cada nivel del edificio respecto a ejes determinados, ésto facilita la determinación de la rigidez de los elementos en las distintas direcciones, y al mismo tiempo evita la existencia de cargas diferenciadas sobre el diafragma, evitando además el agrietamiento. Por otro lado también es importante considerar la transición de las columnas verticalmente, esto es, que exista una continuidad a lo largo de la estructura entre las columnas de los distintos niveles, y que éstas se dirijan directamente a las fundaciones, para no sobrecargar elementos estructurales que no están diseñados para soportar cargas mayores como vigas y losas. Finalmente se incluye la adecuada orientación de columnas, es decir, la distribución necesaria de columnas de distinta orientación para que en ambos ejes se tenga una rigidez similar, con el fin de que no exista un eje débil que vaya a colapsar fácilmente frente a cargas sísmicas. 2.3 Configuración estructural 2.3.1 Distribución y concentración de masa Es recomendable que la distribución de la masa del edificio sea uniforme. Además, la distribución en cada piso debe ir variando junto con la rigidez para así no causar una concentración de esfuerzos negativa a la estructura, la que pudiera generar alguna posible falla estructural. También es conveniente que la mayor cantidad de masa no esté concentrada en los pisos superiores para que no se produzca el efecto del péndulo invertido. Esto debido a que una gran masa a una gran altura implica una mayor aceleración sísmica de respuesta por lo que es recomendable disponer los componentes de mayor masa en la parte inferior del edificio. 2.3.2 Torsión Como se mencionó anteriormente, se presenta por la excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez. En un estructura, cuando ambos centros coinciden se tiene una simetría estructural lo que implica un análisis más exacto y predecible. La simetría toma en consideración la geometría de la estructura y la distribución de los elementos resistentes y componentes no estructurales como por ejemplo un ascensor. En la figura 2 se plantean problemas que comúnmente ocurren en la práctica y su posible solución.
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Figura 2. Torsión: Problema - Posible Solución (Fuente: Bachmann, 2003; Grases et al.1987)
3. CONCLUSIÓN Para concluir este informe, es importante destacar que existen muchas medidas sencillas de diseño que permiten asegurar un mejor comportamiento de las estructuras frente a cargas dinámicas, éstas, en el contexto actual y local tiene mucha relevancia principalmente debido a que presentan soluciones prácticas para implementar y son principios de fácil entendimiento. De acuerdo a la información recopilada, se puede ver que muchos de los conceptos mencionados tienen estrecha relación con conceptos que parecen ser recurrentes en cuanto a colapsos y fallas en eventos sísmicos, dentros de éstos están la excentricidad, el agrietamiento, distribución de masa, distribución de carga, concentraciones de esfuerzos, entre otros. Es de suma importancia incorporar estos conceptos a nuestro conocimiento del cómo afectan a las estructuras, pues nos dan una idea general del cómo responden los edificios frente a sismos y cuáles son los elementos claves que los hacen fallar, teniendo este conocimiento base permite avanzar con más facilidad hacia aspectos más elaborados y específicos en la materia, incluso, se puede avanzar hacia el cuánto afectan y de qué forma se abordan los problemas en estructuras más complejas.
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4. REFERENCIAS BLANCO, MARIANELA. (2012). Criterios fundamentales para el diseño sismorresistente. Revista de la Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela, 27(3), 071-084. Recuperado en 17 de mayo de 2018, de http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0798-40652012000300008&lng =es&tlng=es. DISEÑO SISMO RESISTENTE. (2018). http://www.um.edu.ar/um/fau/estructura5-anterior/DISENO.htm
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