Piso Blando Informe

Ingeniería Antisísmica – Tema Piso Blando

Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Ambiental

PISO BLANDO

I.

DATOS GENERALES a. b. c. d. e. f. g.

Denominación de la Asignatura : Ingeniería Antisismica Ciclo de Estudios : IX Año de Estudios : 2017 Ciclo académico : 2017 - I Créditos : 04 Docente responsabl responsable/coordinad e/coordinador or : Ing. Eduardo Larrea Wong Horario de clases : Martes 13:00 pm – 15:00 pm Jueves 14:00 pm – 17:00 pm Llamo Irigoín, Neysser h. Integrantes :

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Contenido

I.

INTRODUCCIÓN: ............................................................................................................... 3

II.

OBJETIVOS: ....................................................................................................................... 4

III.

MARCO TEÓRICO:........................................................................................................ 4

3.1.

Definición: .................................................................................................................... 4

3.2.

Comportamiento del piso blando ante los sismos: ................................................ 5

3.3.

Solución al problema de piso blando:

3.4.

Forma aproximada de resolver el problema:

3.5.

Conceptos estructurales Erróneos: ....................................................................... 10

IV.

..................................................................... 6 ......................................................... 9

ANÁLISIS DE LA EDIFICACIÓN REAL: ................................................................... 11

4.1.

Descripción de la Edificación Real:

4.2.

Determinación de las Fallas de estructuración: ................................................... 12

4.3.

Representación Del Comportamiento Por Piso Blando

....................................................................... 11

..................................... 14

4.3.1.

Materiales: ......................................................................................................... 14

4.3.2.

Instrumentos ...................................................................................................... 14

4.3.3.

Procedimiento De Representación ................................................................ 14

V. CONCLUSIONES: ............................................................................................................ 15 VI.

RECOMENDACIONES:

VII.

BIBLIOGRAFÍA: ............................................................................................................ 17

Pág. 2

.............................................................................................. 16


I.

INTRODUCCIÓN: Una de las fallas más comunes en la estructuración de una edificación es la condición de piso blando, debido a que puede afectar el comportamiento global de la estructura durante sismos severos, o incluso en sismos moderados, ocasionando en la edificación un gran desplazamiento lateral, producido por una gran carga vertical, proveniente de los pisos superiores rigidizados por los tabiques, causando un gran efecto destructivo manifestado a través del colapso parcial o total de la estructura. El problema de piso blando en edificaciones, es debido a que las columnas se diseñan para resistir momentos flectores, generados por la fuerza sísmica, pero se exceptúan los producidos por el desplazamiento lateral, la misma puede ocurrir en cualquier nivel, pero es más crítico en el primer nivel, dónde las fuerzas sísmicas son más grandes. En el presente trabajo se detalla el comportamiento del piso blando, donde se conocerá conceptos básicos, causas, efectos y para un mayor entendimiento y compresión de la teoría se llevó a cabo un ejemplo aplicativo donde se representará a través de una maqueta.

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II.

OBJETIVOS: 

Definir los conceptos relacionados al comportamiento del piso blando.



Evaluar el comportamiento de un piso blando en edificaciones ante los efectos de un movimiento sísmico.



Elaborar una maqueta que simule los efectos del comportamiento de un piso blando en edificaciones ante un movimiento sísmico.

III. 3.1.

MARCO TEÓRICO: Definición:

Se denomina piso blando cuando solo hay presencia de elementos verticales y en el piso superior es vivienda con mampostería armada o no. Esto produce que un nivel tenga una rigidez mucho menor que el resto, y es más crítico cuando este se encuentra en el primer nivel, esto, debería ser al contrario las plantas inferiores deben ser más fuertes que las plantas superiores. Según San Bartolomé, surge en aquellos edificios aporticados (compuesto predominantemente por vigas y columnas), dónde el piso en mención presenta alta flexibilidad por la escasa densidad de muros que impide controlar los desplazamientos laterales impuestos por los terremotos, en tanto, que los pisos adyacentes son relativamente más rígidos por contener una mayor cantidad de muros. Este es el caso, por ejemplo, de aquellos edificios que presentan en su primer piso cocheras, tiendas o restaurantes (Fig. N°1), dónde por el uso que se le da tiene pocos muros, mientras que los pisos superiores, generalmente destinados a vivienda, contienen muchos tabiques de albañilería que los rigidizan lateralmente (Fig. N°2), al actuar el tabique durante el sismo como una especie de puntal diagonal sobre el pórtico que lo enmarca (Ref. N°1)

Fig. 1 Ejemplo de Edificios con Piso Blando Pág. 4


Fig. 2 (Ref. 1) Interacción pórtico – tabique

3.2.

Comportamiento del piso blando ante los sismos:

Durante los sismos severos, o incluso a veces en los sismos moderados, en el “Piso Blando” se produce un gran desplazamiento lateral (∆), que se traduce en una excentricidad de la carga vertical “P” proveniente de los pisos superiores rigidizados por los tabiques. Esto da lugar a un momento (Px∆) que debe ser

equilibrado por los momentos flectores generados en los extremos de las columnas del “Piso Blando” (m (∆)). Como se explica, a continuación, en la Fig. 3.

Fig. 3: Piso Blando o problema P- ∆

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Muchas veces los ingenieros estructurales diseñan a las columnas del “Piso Blando” como para soportar los momentos flectores generados por la fuerza sísmica (m(F) en la Fig. 4 o “análisis del primer orden”), obviando a los producidos

por el desplazamiento lateral m(∆). Con lo cual, durante el sismo, el momento flector actuante (M= m(F) + m(∆)) supera a la capacidad resistente ( m(F) ), dando lugar a la formación de rótulas en los extremos de las columnas del “Piso Blando”

(Fig. 4), lo que conduce a una mayor flexibilización del piso en mención (incremento de ∆), sobreviniendo finalmente el colapso de la edificación.

Fig. 4: Formación de rótulas y colapso de edificios con piso blando

3.3.

Solución al problema de piso blando: El problema de “Piso Blando” se ha presentado en todos los países sísmicos del mundo (Fig. 5), con lo cual la mejor solución al problema es evitándolo desde la concepción arquitectónica del edificio, haciendo que los muros presenten continuidad a lo largo de su altura (Fig. 6), por ejemplo, tratando que las cocheras estén en la parte externa del edificio.

Fig. 5 Piso Blando en países sísmicos

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Fig. 6 Muros a lo largo de su continuidad


Una solución ideal, por ejemplo, sería crear edificios destinados a cocheras (“cocheras comunitarias”) cada tres cuadras, de modo que sean ocupados por

los vehículos de los habitantes de la zona circundante, de esta manera, los edificios restantes no tendrían la necesidad de reservar espacios para estos vehículos y los muros serán continuos. Para el caso de edificios existentes con “Piso Blando”, habría que resolver el

problema mediante la rigidización de este piso, con la adición de muros de concreto armado, sin importar que se pierdan algunos espacios, en vista de que es peor perder al edificio completo incluyendo los vehículos, y, a veces, hasta las vidas humanas. Proporcionar al entrepiso blando mayor la mayor resistencia y rigidez posible (Jean, 2005). Esto se puede lograr utilizando en el análisis factores de comportamiento sísmico Q pequeños para el entrepiso blando, es decir, se haría un análisis convencional con un Q adecuado para la estructura global y después se realizaría un segundo análisis para el entrepiso blando considerando un factor de comportamiento sísmico Q más pequeño o inclusive unitario como se aprecia en la Fig. 7

Figura 7: Propuesta de utilización de factor de comportamiento sísmico Q de un edificio con entrepiso blando

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Otra opción, cuando el proyecto arquitectónico lo permite, consiste en aumentar el número de elementos resistentes o colocar la mayor cantidad posibles de muros de concreto en el entrepiso blando (Ver Figuras 8 y 9).

Figura 8: Propuesta de utilización de factor de comportamiento sísmico Q de un edificio con entrepiso blando (Jean y Hernández, 2003)

Figura 9: Propuesta arquitectónica para un estacionamiento con seis niveles vivienda en la parte superior y una posible solución estructural (Jean y Hernández, 2003).

Al proporcionar mayor resistencia y rigidez se logra una disminución de las demandas de deformación inelástica y se tendrá una configuración inelástica lo más parecida a la elástica y por tanto una mejor estimación de las deformaciones de entrepiso.

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3.4.

Forma aproximada de resolver el problema:

En forma aproximada el problema de “Piso Blando” puede resolverse aplicando un sistema de fuerzas laterales equivalentes “F’i” en cada nivel “i” del edificio, de tal modo que reproduzcan los momentos “Mi” que generan los pesos de cada nivel (Pi) al

desplazarse lateralmente la cantidad de i (Fig. 10) por efectos de la fuerza sísmica Fi. Denominado: -

i = Dígito que identifica al n ivel “i “o al piso (i=1, 2 o 3 en la Fig. 5)

-

i=

-

∆ = +1 −  = desplazamiento relativo del piso “i”

-

ℎ = altura del piso “i”

-

 = Peso del nivel “i”

-

∑  = peso acumulado en el piso “i” o suma de pesos desde “i” hasta el último nivel.

-

 = fuerza cortante en el piso “i” producida por “F’i”

desplazamiento absoluto del nivel “i” causado por la fuerza sísmica “Fi”.

Es posible lograr F’i con la expresión ′ = ′ − ′+ … (en el último nivel ′ = 0)

Dónde: ′ =

∑  ∆ ℎ

En esta última expresión, es conveniente amplificar al desplazamiento relativo del “Piso Blando” (usualmente el primer piso), por ¾ R, dónde “R” es el factor de reducción de las fuerzas sísmicas elásticas, para de esta madera contemplar la incursión del “Piso Blando” en el régimen inelástico.

Fig.10: Fuerzas equivalentes F’i para producir el efecto P -∆

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Luego “F’i” se suma a la fuerza sísmica “F’i” y se vuelve a resolver el edificio. Esta nueva

solución proporcionaría desplazamientos laterales ( i) diferentes a los del primer análisis, con lo cual habría que repetir el proceso hasta lograr la convergencia de ( i), sin embargo, para efectos aproximados, se ejecuta sólo un ciclo de este proceso iterativo.

3.5.

Conceptos estructurales Erróneos:

Muchas veces se cree que los muros longitudinales, como el que aparece a la derecha en la Fig. 4, proporcionan rigidez al “Piso Blando”, lo cual no es cierto, puesto que estos

muros largos, sean de albañilería o de concreto armado, se comportan como láminas que proporcionan rigidez y resistencia sólo para cargas contenidas en su plano. Otras veces se utilizan programas de cómputo que contemplan como opción la solución del problema P- ∆; sin embargo, estos programas resuelven el problema sólo a nivel elástico, mientras que a nivel elasto-plástico ante los sismos severos, los desplazamientos laterales del “Piso Blando” son mucho mayores. También algunos suponen que la existencia de tabiques en el “Piso Blando”, podría

solucionar el problema, lo cual es cierto siempre y cuando el tabique se comporte en el rango elástico y esté lo suficientemente arriostrado para evitar su colapso ante cargas sísmicas perpendiculares a su plano. Pero, si el tabique llegase a f allar (Fig. 6), se pierde su acción de puntal (Fig. 11) y el problema de P- ∆ continuará subsistiendo.

Fig. 11 Piso blando causado por falla de tabiques

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Antiguamente se suponía que el “Piso Blando” podría trabajar como una especie de

fusible sísmico (como aisladores de hoy en día, Fig. 12), que permita la transmisión de fuerzas hacía los niveles superiores no más allá de la capacidad resistente del “Piso Blando”; sin embargo, una cosa es una columna de gran altura y otra cosa es un aislador

de poca altura, diseñado como para absorber la carga vertical excéntrica.

Fig. 12 Estructura con aislador en la base

IV.

ANÁLISIS DE LA EDIFICACIÓN REAL: 4.1. Descripción de la Edificación Real:

Un caso muy interesante para analizar es el comportamiento estructural mostrado por el edificio del hospital Olive View como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971. El edificio principal, de concreto reforzado, de 5 pisos y sótanos, tuvo masas grandes innecesarias (Fig. 13), así como discontinuidades significativas en elevación (Fig. 14) ,pues, mientras los cuatro niveles superiores se construyeron de muros de rigidez confinados por marcos rígidos, los dos pisos inferiores se estructuraron mediante marcos rígidos. Todas las columnas en planta baja fueron zunchadas, con excepción de la esquina, las que se reforzaron con estribos. La forma y el refuerzo de las columnas variaban de un nivel a otro.

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Fig. 13 Elevación mostrando la presencia de

masas innecesarias

Fig. 14 Elevación mostrando las discontinuidades en

rigidez, resistencia y ductilidad

4.2. Determinación de las Fallas de estructuración: La discontinuidad de la rigidez, resistencia y ductilidad, así como la presencia de las masas innecesarias, jugaron un papel importante en la respuesta estructural del edifico ante el sismo. Éste no se colapsó, pero por razones de funcionalidad tuvo que ser demolido ya que las deformaciones permanentes de las columnas de los dos primeros niveles fueron tan grandes (del orden de 75 cm) en el segundo nivel (Fig. 15), que la reparación de los daños tanto estructurales como no estructurales, resultaba antieconómica. Los pequeños y muy separados estribos de la columna de esquina no proporcionaron el confinamiento adecuado al núcleo de concreto ni la resistencia suficiente a tensión diagonal por cortante (Fig. 16). Como resultado, la columna no tuvo ductilidad y falló frágilmente.

Fig. 15 Vista del daño general en columnas de primer nivel.

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Cerca de la columna de esquina se encuentra una zunchada, misma que permaneció intacta. A pesar de la extrema deformación plástica de la columna, ésta no se colapsó y siguió resistiendo la carga muerta de los cuatro pisos tras la ocurrencia del evento sísmico. Este estupendo comportamiento denota una fantástica ductilidad del elemento debido a que el confinamiento proporcionado por el zuncho incrementó enormemente la resistencia última y redujo la deformación del núcleo de concreto habiendo, también proporcionado una elevada resistencia a cortante o tensión diagonal.

Fig. 16 Columna de esquina severamente dañada

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4.3. Representación Del Comportamiento Por Piso Blando 4.3.1. Materiales: -

Instrumentos 4.3.3. Procedimiento De Representación 4.3.2.

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V.

CONCLUSIONES: Uno de los errores más típicos que se comenten al momento de estructurar son piso blando, el cual se considera muy perjudicial debido a que compromete el comportamiento global de la estructura. La falla por piso blando, puede ocurrir en cualquier nivel, pero es más crítico cuando ocurre en el primer nivel debido a los grandes desplazamientos laterales en este, producido por la excentricidad de la carga vertical proveniente de la discontinuidad de la rigidez o resistencia, producida en las conexiones con los demás niveles. Se concluye que si se proporciona mayor resistencia y rigidez se logra una disminución de las demandas de deformación inelástica dando una mejor estimación de las deformaciones de entrepiso. A través de la simulación de una maqueta con dos representaciones, una con el que el primer nivel que solo presenta columnas verticales y en sus 4 niveles superiores presenta muros de confinamiento o albañilería, y el otro presenta en sus 5 niveles muros de confinamiento o albañilería desde su primer nivel, hemos comprobado que si la estructura no tiene una correcta distribución de muros desde su primer nivel, va a tener como resultado el colapso parcial o total de la estructura debido a un gran desplazamiento lateral en el primer nivel de la estructura.

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VI.

RECOMENDACIONES: De acuerdo al comportamiento y la problemática de las estructuras de entrepisos blandos comentados anteriormente se emiten las siguientes recomendaciones generales: Estimar lo mejor posible la deformación lateral. Proporcionar al entrepiso blando la mayor capacidad de deformación posible. Esto se consigue evitando fallas frágiles, proporcionando capacidad a cortante realizando un diseño por capacidad de los muros, columnas y vigas, así como incrementando la capacidad de rotación de los elementos con fluencia a flexión. El uso de columnas zunchadas, para los muros se puede disminuir la carga axial hasta un 15 o 10 por ciento de f’c , de, disminuyendo el impacto de la

fuerza sísmica. Tomar en cuenta todas las posibles fuentes de rigidez y sobre resistencia. Es muy importante definir correctamente el módulo elasticidad E de la mampostería. Adicionalmente es necesario definir la sobre resistencia del acero de refuerzo y del concreto de los elementos que forman el entrepiso blando para tener una mejor estimación de la concentración de deformación y de la resistencia por proporcionar. Evitar la presencia de columnas cortas. Cuando se tienen semisótanos se pueden tener columnas cortas. Una alternativa es colocar las columnas adosadas a los muros de colindancias incorporando aberturas en los muros de concreto.

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VII. BIBLIOGRAFÍA: 

Gobierno

del

Distrito

Federal

(GDF,

2004),

“Normas

Técnicas

Complementarias para el Diseño por Sismo del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal,” Gaceta Oficial del Gobierno del Distrito Federal , México,

D.F., 6 de octubre, 53 pp. 

Jean R. y Cesín J. (2000), “Recomendaciones para el diseño y construcción de estructuras de mampostería”, memorias del XIII Congreso Nacional de

Ingeniería Estructural, León, Gto., México, noviembre, artículo 37 en disco compacto. 

Jean R. y Pérez J. A. (2002), “Análisis, revisión y detallado de estructuras de mampostería”, Fundación ICA -Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, México, agosto, capitulo 7 del libro digital “Edificaciones de mampostería para vivienda”, 221-224.



Jean R. y Hernández A. (2003), “Variables que intervienen en los sis temas de mampostería y su aplicación en la construcción”, memorias del XIV Congreso

Nacional de Ingeniería Sísmica, León, Gto., México, noviembre, artículo IX-06. 

Jean R. (2005), “Diseño y revisión de estructuras de mampostería”, memorias del 40 Simposio Nacional y curso de Ingeniería Estructural en la vivienda, Veracruz, Ver., México, diciembre, ponencia.



Miranda E. (2005), “Aspectos fundamentales de la respuesta sísmica de edificios con entrepisos blandos“, memorias del 40 Simposio Nacional de

Ingeniería Estructural en la vivienda, Veracruz, Ver., México, diciembre, ponencia. 

Meli R., (2001), “Diseño Estructural,” segunda Edición, Editorial Limusa.

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Piso Blando Informe

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