Piso Blando y Piso Debil

IX Congreso Cong reso Venezolano de Sism olog ol ogía ía e Ing Ingeniería eniería Sísmic Sísmic a Mitigación d el riesgo sísmico mediante la reducción de la vulnerabilidad vulnerabilidad Caracas, 19-22 de mayo de 2009

El piso pi so bla bl ando y el piso pi so débil L. Teresa Guevara Pérez Proyectos V&G

Guevara Perez Ponencia 4 con encab IX CONVESIS.doc/15-may-09

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L. Teresa Guevara Pérez

IX Congreso Venezolano de Sismología e Ingeniería Sísmica

El piso blando y el piso débil

L. Teresa Guevara Pérez Proyectos V&G El grado de irregularidad en la configuración del edificio es uno de los factores importantes que se incluyen hoy día en la mayoría de las normas sísmicas vigentes internacionalmente para definir el procedimiento de análisis que se aplicará para el diseño sismorresistente de la estructura. Las irregularidades se han clasificado en dos categorías: (1) en planta, planas, o en horizontal ; y (2) en alzado, en elevación , en altura, o en vertical. Estas irregularidades se deben generalmente a decisiones arquitectónicas que se toman en el diseño original del edificio, o como consecuencia de remodelaciones posteriores. Para cada tipo de irregularidad, en las normas sísmicas se establecen los parámetros para determinar si dicha irregularidad está presente en el edificio, el procedimiento para el análisis estructural correspondiente y las consecuentes penalizaciones. En la categoría en alzado se han establecido los siguientes tipos de irregularidad: distribución de la rigidez (piso blando); distribución de la masa; configuración geométrica; discontinuidad de los componentes verticales dentro de su plano de acción; y discontinuidad en la resistencia (piso débil). En esta ponencia se resume el estudio sistemático que se realizó sobre piso blando y piso débil. La presencia de estos dos tipos de irregularidades ha sido comúnmente mencionada en los informes técnicos en los que se han evaluado los daños producidos por los sismos en los edificios modernos como factor que influye en el desempeño sísmico de los edificios y estrechamente vinculado con decisiones arquitectónicas. Estos dos conceptos suelen confundirse y a veces hasta usarse como sinónimos aún cuando cada uno de ellos está relacionado con una característica física de la estructura de tipo diferente: el piso blando o piso flexible con la rigidez y el piso débil con la resistencia a las fuerzas producidas por los sismos. Tanto la irregularidad tipo piso blando como la piso débil, en términos arquitectónicos se conocen como planta libre. El origen arquitectónico de estas configuraciones tan comunes en la ciudad contemporánea se deriva principalmente de tres de los cinco puntos para una nueva arquitectura de Le Corbusier (LC) que definen los postulados de la arquitectura moderna: (1) los pilotis: columnas muy esbeltas en el primer piso que se deja libre de paredes, con lo cual se crea un espacio “vacío” entre el terreno y la primera planta habitable, dando la sensación de que el edificio flota en el aire y permitiendo la circulación peatonal a través de este espacio; (2) la planta libre : espacio interior del edificio que no está limitado por muros estructurales inamovi bles, dando mayor libertad para la distribución de las actividades que allí se llevan a cabo y eliminando las restricciones que imponía en los edificios tradicionales la disposición de muros estructurales; (3) la fachada libre: libre de muros estructurales, que permite una mayor flexibilidad en el diseño y materiales para el cerramiento exterior del edificio, y hasta prescindir de éstos. La instauración internacional de estos postulados (1928-1959) se realizó a través del Congreso Internacional de Arquitectura Moderna (CIAM). Los postulados se basaron en el desarrollo desde finales del siglo XIX de nuevos materiales de construcción y de las estructuras porticadas de concreto armado que hicieron factible la construcción de edificios soportados por columnas muy esbeltas, dejando de lado el sistema estructural de muros, que predominó hasta principios del siglo XX. En la figura 1, LC hace una comparación entre la arquitectura tradicional y la moderna propuesta por él. A la izquierda, entre los cinco puntos (Ref. 1, pp. 36-38), se destacan los tres puntos que están vinculados con las configuraciones estudiadas y, a la derecha, LC (Ref. 2, Pág. 81) ilustra las desventajas en los edificios tradicionales de muros portantes funcionalmente inflexibles y las ventajas que proporcional la PB libre de la propuesta moderna.

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Figura 1 LC compara el diseño “paralizado”, inalterable ( plan

En la figura 2 (Ref. 3, Pág. 61), paralysé ) de los edificios tradicionales y algunas de sus desventajas: insalubridad, ineficiencia y desperdicio; con el diseño moderno que tiene una estructura independiente, planta y fachada libres; y algunas de sus ventajas: economía, higiene y circulación peatonal separada de la circulación vehicular.

Figura 2

La serie de ventajas tanto estéticas como funcionales que proporciona este concepto de diseño arquitectónico ha sido la causa por la que internacionalmente desde principios del siglo XX se ha estimulado y en algunos casos hasta se obliga su uso en la normativa urbana de la mayoría de las ciudades contemporáneas. Esta configuración ha sido ampliamente utilizada en zonas sísmicas, generando innumerables edificios con irregularidades del tipo piso blando y/o piso débil, con los consecuentes efectos desastrosos cuando ocurre un sismo. Pero los resultados de los estudios que establecen la vinculación entre esta configuración arquitectónica y los efectos que producen los sismos en los edificios han quedado restringidos al campo académico de la ingeniería estructural mientras los arquitectos y los urbanistas han seguido aplicando estos patrones modernos ampliamente, tanto en el diseño de nuevas formas arquitectónicas como en el de la normativa de zonificación urbana, sin que se les haya hecho comprender la dependencia existente entre sus decisiones y los daños que se producen por ellas en las ciudades contemporáneas. El piso blando o piso flexible

La irregularidad en la configuración del edificio conocida como piso blando se refiere a la existencia de un piso del edificio que presenta una rigidez significativamente menor que el resto de los pisos; por ello también se le llama piso flexible. Es común que el piso blando se genere accidentalmente debido a la eliminación o disminución de paredes no estructurales en uno de los pisos de un edificio; o por no considerar en el diseño y análisis estructural, la limitación a la libre


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deformación que impone en el resto de los pisos el adosamiento a los componentes estructurales de elementos rígidos que no fueron tomados en cuenta originalmente. Debido a los efectos producidos por los componentes no estructurales en el comportamiento sísmico del edificio se les ha asignado el término “no intencionalmente estructurales”. Al presentar un edificio un piso significativamente más flexible que el resto de los pisos, cuando ocurre un sismo, la mayoría de la energía será absorbida por la porción más flexible y la restante será distribuida entre los otros pisos, produciéndose en el piso flexible el mayor desplazamiento relativo entre la losa inferior y la superior (la deriva) y por tanto, las columnas de este piso se ven sometidas a grandes deformaciones. Si esto no se prevé en el diseño estructural con anticipación, generalmente se producen daños irreparables tanto en los componentes estructurales como no estructurales del piso, que pueden provocar el colapso local y, en algunos casos, hasta el colapso total del edificio. Por ello desde finales de los ochenta del siglo XX se han ido incorporando en la mayoría de las normas sísmicas vigentes internacionalmente los parámetros para identificar dicha irregularidad. Tomando como ejemplo la norma colombiana NSR-98, se ilustra en la figura 3 (Ref. 4): Tabla A.3-7

Figu ra A.3-2

Tipo 1A: Piso flexible (irregularidad en rigidez -

p =

0.9

Cuando la rigidez (K) ante fuerzas horizontales de un piso es menor del 70 por ciento de la rigidez del piso superior o menor del 80 por ciento del promedio de la rigidez de los tres pisos superiores, la estructura se considera irregular. Figura 3

Aún así, debido a la preocupación generada entre los especialistas en diseño sismorresistente, por la recurrente identificación del piso blando en edificios dañados en los sismos ocurridos a finales del siglo XX, en la nueva generación de normas sísmicas de EE.UU., a partir de la edición de 2000 del NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, (FEMA 368) y del documento ASCE 7, y de la nueva norma de construcción de EEUU, International Building Code (IBC), se incorporó en la tabla de irregularidades en alzado el nuevo tipo Piso blando extremo (Extreme Soft Story) , con el fin de restringir aún más el uso del piso blando. NEHRP 2000 (Ref. 5, Pág. 60) lo define como: Es un piso en el cual la rigidez lateral (K) es menor que el 60 por ciento de la rigidez del piso superior o menor del 70 por ciento del promedio de la rigidez de los tres pisos superiores, la estructura se considera irregular.

El piso blando puede estar presente en la PB o en un nivel intermedio Piso blando en la planta baja del edificio

Esta irregularidad, la más común en la arquitectura moderna, suele presentarse en edificios con sistemas estructurales de pórticos, en los que el nivel más bajo, la planta baja (PB), es significativamente más flexible que el resto de los pisos. Cuando en una estructura porticada de concreto armado a las columnas se les adosan componentes rígidos no intencionalmente estructurales , por ejemplo las paredes de albañilería, se restringe su capacidad de deformación y por tanto se modifica el comportamiento estructural del edificio ante fuerzas horizontales.

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Si los componentes no estructurales se distribuyen homogéneamente en todos los pisos, al ocurrir un sismo el desplazamiento total del edificio igualmente se distribuye homogéneamente entre cada piso. Sin embargo, la ausencia de estas paredes en la PB modifica el comportamiento sísmico del edificio. Se genera una gran diferencia entre la flexibilidad de la PB y los pisos superiores más rígidos y con mayor masa, por lo que las columnas del piso inferior sufrirán una mayor deformación. Al ocurrir un sismo la mayoría de la energía de entrada será absorbida por la porción más flexible y la restante será distribuida entre los pisos superiores más rígidos, produciéndose mayores deformaciones en el piso inferior. La figura 4 ilustra la diferencia entre la deformación lateral de un edificio con una distribución homogénea de las paredes en altura (a) y uno con la PB libre (b).

Figura 4

El sistema estructural y la altura de los entrepisos es igual

En un edificio estructuralmente regular en el que el sistema estructural no se modifica en ningún piso y la altura entre las losas de piso es igual, la PB flexible se puede generar cuando en los pisos superiores se presentan las condiciones que se ilustran en la figura 5: a. Paredes rígidas adosadas a los b. Aberturas más numerosas c. Menos paredes interiores componentes estructurales en y grandes en las paredes y más pequeñas que las los pisos superiores y PB sin exteriores de la PB que en de los pisos superiores. dichas paredes. los pisos superiores.

Figura 5

Uno de los ejemplos más comunes de piso flexible, se observa en las tan usadas “plantas bajas libres” en los edificios residenciales modernos. Los elementos estructurales se distribuyen homogéneamente a lo alto del edificio, pero los apartamentos se ubican en los pisos superiores, mientras el piso más bajo se deja total o parcialmente libre de tabiquería para el estacionamiento de vehículos y para las zonas sociales que requieren espacios amplios. En la figura 6 se muestra un ejemplo típico de edificio residencial con piso blando en la PB.


Figura 6

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Plantas bajas libres con gran altura

En este caso la flexibilidad de la PB se debe a la altura significativamente mayor de las columnas con relación a las de los pisos superiores, como se muestra en la figura 7. Generalmente la PB se deja total o parcialmente libre de paredes. Esta configuración es uno de los modelos característicos del movimiento moderno para los edificios de oficinas, hoteles y hospitales, en los que se le quiere dar una mayor importancia al nivel de acceso del público general. En la figura 8 (Ref. 2, pp. 74-75.) se muestra el Palacio del Ministerio de Educación Nacional y Salud Pública en Río de Janeiro, de los arquitectos Costa, Niemeyer y otros. LC fue el arquitecto consejero. También es común en aquellos edificios de usos mixtos, en los que la normativa urbana exige que los pisos bajos sean de mayor altura para alojar comercios con mezanines. En las figuras 9 y10, se pueden apreciar dos ejemplos de edificios de oficinas con dicha configuración.

Figura 7

Figura 8

Figura 9

Otro caso particular del anterior, muy común en edificios de oficinas de finales del siglo XX y con gran influencia del estilo post moderno, impone la parcial o total desconexión entre componentes estructurales, mediante la eliminación de algunos de ellos, como se ilustra en el ejemplo de la figura 11.

Figura 10

Figura 11

Ejemplos de edificios dañados

En la mayoría de los sismos de las ciudades contemporáneas se presentan casos de colapso por piso blando en la PB. En la figura 12 se pueden observar dos ejemplos de colapso por este tipo de irregularidad en los sismos de: Northridge, California, 1994 y Kobe, Japón, 1995.

Figura 12

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Un ejemplo muy conocido internacionalmente de edificio en el que se puso en evidencia la condición desfavorable de piso blando en la PB, es el Palace Corvin en el sismo de Caracas, Venezuela, en 1967. Este edifico estaba conformado por una planta en forma de H. Los dos cuerpos principales alojaban apartamentos residenciales y en el medio se unían por el bloque de circulación vertical. En el bloque ubicado al este, se dejó la PB libre para estacionamiento, mientras en el del oeste se ubicaron apartamentos, de la misma forma en que se hizo en las plantas superiores. El bloque este colapsó. En el informe Engineering Report on the Caracas Earthquake of 29 July 1967 (Ref. 6, Pág. 39) se indica: La porción del edificio correspondiente al lado este, colapsó completamente mientras la parte del lado oeste sobrevivió el sismo sin daño estructural. (...) Las razones detrás de este significativo comportamiento divergente de las dos porciones del edificio pueden estar contenidas en los dibujos arquitectónicos que muestran el diseño de la planta baja. Las paredes interiores y las exteriores hechas de bloques huecos de arcilla, fueron interrumpidas en la planta baja de la porción del lado este del edificio para dejar espacio para el estacionamiento.

Se incluyen en la figura 13, las plantas de arquitectura de la PB y de la planta tipo y un corte del edificio donde se muestra la PB libre en el ala este y en la figura 14 una foto donde se muestra al fondo el ala oeste que sobrevivió el sismo sin colapsar pero que debió ser demolida.

Figura 13

Figura 14

La acera cubierta, o porticada, o soportal

Es un pórtico, a manera de claustro, que tienen algunos edificios o manzanas de casas en sus fachadas y delante de las puertas y tiendas que hay en ellas; constituye una de las variaciones más comunes de irregularidad en la distribución de resistencia, rigidez y masa, que se incluye en la normativa urbana en los centros urbanos de las ciudades contemporáneas, como herencia de la ciudad medieval; como ejemplo de dicha herencia, se muestra en la figura 15 la calle Mayor del barrio judío en Alcalá de Henares en España.


Figura 15

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Las figuras 16 y 17 presentan: un ejemplo típico de la acera cubierta en una ciudad contemporánea y un gráfico de dicha configuración; la figura 18 expone los daños producidos por el sismo de Taiwán en 2003 en un edificio del mismo tipo y su planta arquitectónica.

Figura 16

Figura 17

Figura 18

Otro tipo de aceras cubiertas, es el de doble altura, como se muestra en las figuras 19 y 20. La mayoría de las normas urbanas de las ciudades contemporáneas incluye esta configuración en las zonas de usos mixto (comercial y residencial), la cual permite tener comercios con planta baja y la mezanine para depósito con ventanales y escaparates hacia la acera cubierta para mostrar la mercancía. Generalmente se utilizan unas columnas con una gran esbeltez y espacios vacíos, lo cual genera una distribución irregular de la masa reactiva, la resistencia y la rigidez.

Figura 19

Figura 20

Piso blando en niveles intermedios del edificio.

El piso blando también puede presentarse en pisos intermedios. Es una configuración típica de los programas oficiales de edificios de vivienda masiva que siguieron los patrones de la gran obra urbano-arquitectónica de LC, la Unidad Habitacional de Marsella (1947-1952). El concepto que predominó en el diseño de este tipo de edificio aislado fue la autosuficiencia, pues se incluían además de las funciones de residencia, los servicios comunales, tales como, biblioteca, escuela maternal, cine club, áreas para actividades recreativas, comercios y otros; algunos de ellos requerían de espacios amplios libres para lo cual se dejaba un piso completo o una gran sección de un piso, libre de paredes.

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En la figura 21 se señala en un corte y en una fachada, el piso libre de paredes para las actividades comunales en dicho edificio.

Figura 21

Las figuras 22 y 23 ilustran dos ejemplos importantes construidos en 1952 que siguen esta configuración y que en el informe El-Asnam, Algeria Earthquake of October 10, 1980 ( Ref. 7, pp. 1-19 y 1-20), se identifican como sísmicamente vulnerables y se explica que siguen el estilo moderno impuesto por las ordenanzas de los franceses en Argelia, antes del sismo de 1980.

Figura 22

Figura 23

En una perspectiva y una maqueta del edificio Cerro Grande en Caracas, diseñado y construido durante la década de los cincuenta por el Banco Obrero (hoy día INAVI) de Venezuela, la figura 24 muestra otro ejemplo, (Ref. 8, Pág. 135).

Figura 24


Figura 25

Figura 26

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En la figura 25 se puede apreciar cómo la distribución de las paredes no estructurales es irregular, pues se dejan libres la PB y un piso intermedio, el cual se diseñó originalmente para actividades comunales, siguiendo los postulados establecidos en la Unidad Habitacional de Marsella, generando un piso blando en ambos niveles. La figura 26 muestra una isometría de la estructura en donde se ve que en donde existe el piso blando no se tomaron medidas estructurales especiales para rigidizar en el sentido transversal. El piso blando en la normativa de zonificación urbana

El uso del piso blando como configuración arquitectónica se generalizó internacionalmente desde mediados del siglo XX, en gran parte estimulada por las disposiciones incluidas en la normativa de zonificación urbana vigente en numerosas ciudades del mundo que en algunos casos hasta obligan, a incorporar el piso blando en los pisos inferiores de las edificaciones, tanto para estacionamiento de vehículos como para actividades comunales. Como ejemplo de esta práctica, se citan varios artículos contenidos en la normativa de zonificación urbana de Caracas, ciudades de Puerto Rico y Buenos Aires, los cuales promueven el uso de plantas libres en la PB del edificio como regalía al constructor estimulando la práctica común de proyectar edificios con dicha planta sin cerramientos o sólo con los necesarios para delimitar el estacionamiento de vehículos, salas de fiesta u otros espacios de uso comunitario. Esta disposición como regalía al constructor, proyectista o desarrollista, aparece en casi toda la normativa urbana vigente en las ciudades de Hispanoamérica y España. La Ordenanza de zonificación del Municipio Chacao, (Ref. 9) en Caracas, Venezuela, dice: "ARTÍCULO 95.- ESTACIONAMIENTO DE VEHICULOS: En la zona R-8 se requerirá dentro del área de la parcela un (1) espacio para estacionar vehículos por cada unidad de vivienda. Si la vivienda multifamiliar se construye sobre pilotes de una altura no mayor de dos (2) metros y veinte (20) centímetros, la planta baja podrá usarse como área de estacionamiento y dicha área no se computará dentro del área máxima de construcción, siempre y cuando no tenga acceso directo por la fachada principal."

El Reglamento de zonificación de Puerto Rico (Ref. 10) en la Sección 84.00: Disposiciones generales, diseño y provisión de espacio para el estacionamiento de vehículos: (...) en los casos en que, utilizando el solar de acuerdo con las disposiciones de ocupación para el distrito de zonificación en que ubique una pertenencia, se opta por proveer el estacionamiento requerido en un sótano o en una o varias de las plantas del edificio, o parte de éstos, el espacio ocupado o usado en éstas para proveer [sic] estacionamiento requerido, no se contará para los efectos del área bruta de piso permitida en el distrito específico.

Y en otros ejemplos como el apartado 4.2.7.4: Edificación con planta baja libre del Código de Planeamiento Urbano de Buenos Aires (Ref. 11, Pág. 6). También en edificaciones de usos mixtos, comercios y residencias, ubicadas en corredores viales importantes, generalmente la normativa de zonificación obliga a incorporar en los niveles inferiores, entrepisos con alturas mayores que las de los entrepisos superiores, muchas veces sin particiones internas para permitir así la distribución libre de locales comerciales en los pisos bajos del edificio y la construcción posterior de mezanines, las cuales son generalmente utilizadas como áreas de depósitos de los comercios. Como por ejemplo, la Ordenanza Modificatoria de la Ordenanza sobre Zonificación del Municipio Libertador (Ref. 12), con referencia a las avenidas Este 6 y Este 8 de Caracas, indican: 1. La altura de la dos (2) primeras plantas será obligatoriamente de siete con cincuenta (7.50) metros.

Si no se establecen en la normativa urbana controles descriptivos y restrictivos en cuanto a la construcción de mezanines, también puede inducir a la formación de columnas cautivas por el adosamiento de la nueva estructura de la mezanine a las columnas existentes originalmente.

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El piso débil

El efecto de piso débil, se refiere a la existencia de un nivel, o entrepiso, del edificio que presenta una menor resistencia lateral estructural que la del entrepiso inmediatamente superior o que el resto de los entrepisos del edificio. La parte más débil del edificio es la que sufrirá los mayores daños dada su incapacidad para resistir los esfuerzos generados por el movimiento sísmico. Las normas sísmicas vigentes al inicio del siglo XIX en la mayoría de los países de Hispanoamérica, siguiendo los parámetros establecidos inicialmente en el UBC-88 y recientemente en NEHRP y en las versiones del IBC, han incluido valores numéricos para la valoración del piso débil (weakstory). Como ejemplo, en la figura 27 se muestran la descripción y el gráfico correspondientes a la irregularidad Tipo 5A: Piso débil - Discontinuidad en la resistencia , en las NSR-98 (Ref. 4): Tabla A.3-7

Figu ra A.3-2

Tipo 5A: Piso débil - Discontinuidad en la resistencia - φp = 0.8 Cuando la resistencia del piso es menor del 70 por ciento de la del piso inmediatamente superior, entendiendo por resistencia del piso como la asuma de las resistencias de todos los elementos que comparten el cortante del piso para la dirección considerada, la estructura se considera irregular . Figura 27

El piso débil suele utilizarse a menudo en las edificaciones hoteleras y hospitalarias, en las que no sólo se diseña la PB libre de muros, sino que generalmente este nivel, debido a su importancia, tiene mayor altura de entrepiso que la del resto de los niveles, donde se ubican las habitaciones. El piso débil se puede generar debido a: 1. La eliminación o debilitamiento de componen- 2. Sistemas mixtos: pórticos y muros tes de resistencia sísmica en la PB, como se estructurales, con interrupción de los muestra en las figuras 28 y 29. Estos casos se muros en la PB o en uno de los pisos pueden presentar en pisos intermedios también. intermedios. Se ilustra en la figura 30;

Figura 28 Figura 29 Figura 30 ARNOLD y R EITERMAN (Ref. 13, Pág. 120) explican: A menudo la condición de muro estructural discontinuo representa un caso especial, pero común, del problema de piso blando. Los requerimientos programáticos que exigen dejar una planta baja libre, resultan en la eliminación del muro estructural en ese piso y su substitución por un pórtico. Se debe enfatizar en que la discontinuidad del muro estructural es una contradicción de diseño fundamental: El propósito del muro estructural es recoger las


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cargas del diafragma en cada piso y transmitirlas a la fundación, tan directa y eficientemente como sea posible. Interrumpir este flujo de fuerzas es un error fundamental. Interrumpirlo en su base, es un pecado cardinal. Por lo tanto, el muro estructural discontinuo que se interrumpe antes de llegar a la PB representa “el peor caso” de la condición de piso blando.

Existen numerosos casos de edificios que presentan una combinación de estos tipos de irregularidad, piso blando y piso débil, lo que los hace particularmente vulnerables sísmicamente. Ejemplos de edificios dañados 1. El edificio principal del hotel Macuto Sheraton en el Litoral Central de Venezuela en el sismo de Caracas de 1967 . Las fotos de Bertero (Ref. 14) ilustran este ejemplo. La figura 31

muestra el edificio de 10 pisos, con sistema porticado de concreto armado con muros de carga en la dirección transversal (corta) desde el piso 4 al 8. En la figura 32 se observa la falla significativa de las columnas de diámetro 1,10 m. las cuales fallaron significativamente en el nivel de entrada (piso 3) donde se interrumpió la continuidad vertical de los muros estructurales. La figura 33 muestra un detalle de los pisos 2 y 3 y, sobre éste, el piso sanitario. En la figura 34 un corte de la estructura y en la figura 35 la planta de los pisos inferiores y la planta típica de los pisos superiores del edificio, reflejan el sistema estructural de muros estructurales en los pisos superiores y de pórticos con columnas de 1,10 metros de diámetro en los inferiores. En los pisos superiores se produjeron daños en las paredes no estructurales exteriores de ladrillos.

Figura 31

Figura 34

Figura 32

Figura 33

Figura 35

2. El edificio principal del hospital Olive View en Sylmar en el sismo de San Fernando, California de 1971 . Constaba de cuatro cuerpos que se unían alrededor de un patio, como se ilustra en la planta estructural tipo de los cuatro pisos superiores y en la de la PB, en las figuras 36 y 37, respectivamente. Cada cuerpo tenía seis pisos y un altillo. El sistema estructural de los

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cuatro pisos superiores era una combinación de pórticos y muros estructurales de concreto armado, mientras los dos pisos inferiores (semi-sótano y PB) tenían sólo pórticos, como se muestra en los cortes AA y BB, en las figuras 38 y 39. La losa de piso consistía principalmente de un sistema de losa plana. La forma y el refuerzo de las columnas variaban de un piso a otro. Según Bertero (Ref. 15, pp. 115-116), “la combinación de discontinuidades en rigidez, resistencia y ductilidad y el uso de masas innecesarias jugaron un papel importante en el comportamiento del edificio durante el sismo de San Fernando de febrero de 1971. (...) Las deformaciones permanentes de los dos primeros pisos fueron tan grandes (hasta 30 pulgadas de desplazamiento relativo entre la PB y el primer piso) que el daño estructural y no estructural sobrepasaba las posibilidades económicas para una reparación”. “Esta gran deriva, que causó daños no estructurales y estructurales, lo cual condujo a la demolición del edificio, fue una consecuencia de la formación de un piso blando en la PB debido a la existencia de paredes de concreto armado en los pisos superiores” (Ref. 14, texto en el slide J72)

Figura 36

Figura 37

Figura 38

Figura 39


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En las figuras 40, 41 y 42, se muestra la deformación en algunas columnas y los daños generales que se produjeron en la PB como consecuencia de la formación del piso blando.

Figura 40

Figura 41

Figura 42

4. El edificio Imperial County Services Building en el sismo del Imperial Valley, en California de 1979. Constaba de seis pisos y un altillo como se muestra en las figuras 43 y 44. La resistencia lateral de este edificio estaba provista por un sistema porticado en la dirección longitudinal (E-O) y muros estructurales en la dirección transversal (N-S). Los muros estructurales en los cinco pisos superiores se ubicaron en las fachadas este y oeste, pero en PB se retrajeron hacia el interior y se disminuyó su dimensión para dar la sensación de PB libre y seguir los preceptos arquitectónicos de Le Corbusier. Además, los componentes rígidos del muro cortina en las fachadas norte y sur de los pisos superiores fueron también eliminados en PB (figura 45), generando un piso blando. Comenta Bertero (Ref. 14, texto en los slides J76 y J77): “Esta condición, unida a la discontinuidad de los muros estructurales en sus extremos, impuesta por la configuración arquitectónica deseada, produjo daños severos en las columnas de la PB, particularmente en aquéllas ubicadas en el extremo este”.

Figura 43

Figura 44

ARNOLD y R EITERMAN, (Ref. 13, Pág. 124) explican: (…) este edificio sufrió fallas estructurales graves, lo cual resultó en la fractura y acortamiento de las columnas por compresión- en el extremo oriental del edificio [figura 44]. Esta falla se atribuye a la discontinuidad del muro estructural en este extremo del edificio. Como consecuencia el edificio completo fue demolido. La diferencia arquitectónica entre los extremos oriental y occidental, puso en evidencia que la falla se originó en la configuración. La diferencia en la ubicación de los muros estructurales en la PB fue suficiente para crear una mayor diferencia en la respuesta a las fuerzas rotacionales o de vuelco de los grandes muros de los extremos. [Ver Figura 45 (Ref. 16)]

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Figura 45

Figura 46

Figura 47

Un factor importante que resalta Bertero (Ref. 17), es el diseño de las columnas en la PB. En la parte inferior de la columna se redujo la sección produciendo un entrante o retroceso alrededor, con el consecuente desvío del acero vertical para no interferir con dicho retroceso; así se redujo la rigidez en esta sección. Además, el confinamiento lo colocaron en los extremos de la columna y el de abajo quedó sepultado en el terreno, como se ilustra en las figuras 46 y 47; En las figuras 48 y 49 se observan los daños producidos en las columnas por compresión y corte.

Figura 48

Figura 49

Conclusiones

Cuando los arquitectos diseñan edificaciones porticadas de varios pisos, generalmente realizan planos iniciales en los que se establecen tentativamente la ubicación y el predimensionado de los principales componentes estructurales. Luego son enviados estos planos al ingeniero estructural para realizar el diseño y análisis estructural. En esa etapa del proyecto el arquitecto todavía no ha definido la ubicación y características de las paredes, suponiendo que estas decisiones no afectan a la estructura. El ingeniero realiza los cálculos suponiendo que la estructura de todos los pisos tendrá las mismas características. De allí que el diseño se convierte en una serie de supuestos malentendidos, generalizados mundialmente, que ha traído como consecuencia la generación de daños graves y hasta el colapso de las edificaciones cada vez que ocurre un movimiento sísmico severo o moderado. Desde 1988, UCB, IBC y NEHRP, base de la normativa sísmica internacional, han incluido sanciones para este tipo de irregularidad que se traducen en el aumento de la fuerza de diseño. Sin embargo, la normativa urbana de la mayoría de las ciudades contemporáneas en zonas sísmicas sigue incluyendo estímulos y en algunos casos la imposición en el uso de dichas configuraciones arquitectónicas sin ningún tipo de prescripción o restricción estructural. A continuación se presenta el comentario y una tabla comparativa entre los edificios con piso blando y otros en el sismo de Kobe de 1995 elaborada por Shunsuke Otani, Profesor del Departamento de Arquitectura de la Universidad de Tokio: (Ref. 18, pp. 631-646).


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(2) En la Tabla 8, se compara el daño entre los edificios con piso blando en PB y otros. Menos de tres cuartas partes de los edificios del primer tipo quedaron operacionales comparados con noventa (90.2) por ciento de los otros edificios. El colapso de las estructuras con piso blando en PB fue causado por una falla frágil por corte en las columnas de dicho nivel. La resistencia y ductilidad tiene que ser mejorada en este tipo de construcción. Tabla 8: Daños por piso débil en PB durante el sismo de Kobe Estructuras Daño operacional Daño importante Edificios con piso 275 54 blando en PB (72.3) (14.2) Otros edificios 3,186 174 (90.2) (4.9)

Colapso 51 (13.4) 171 (4.8)

Total 380 (100) 3,531 (100)

Recomendaciones

Si en las ciudades contemporáneas en zonas sísmicas es inevitable el extendido uso de la configuración arquitectónica de PB libre, se recomienda que se incluyan prescripciones en las normas de zonificación urbana y la obligatoriedad de tomar medidas para la evitar a toda costa la formación del piso blando y del piso débil en el diseño de nuevos edificios. De igual manera se recomienda estimular a través de dicha normativa, la eliminación de estas condiciones en las edificaciones existentes. ARNOLD y R EITERMAN (Ref. 13, Pág. 124) recomiendan: La solución para el problema del muro estructural discontinuo es, indiscutiblemente, eliminar la condición. Hacer esto puede acarrear problemas arquitectónicos de planificación, circulación o imagen. Si esto ocurre, entonces significa que la decisión de usar muros estructurales como elementos resistentes era inadecuada desde la concepción del diseño. En cambio, si se toma la decisión de usar muros estructurales, entonces su presencia se debe reconocer desde el principio del diseño esquemático y, la decisión de su tamaño y ubicación, debe someterse desde temprano a una cuidadosa coordinación arquitectónica e ingenieril.

A continuación se presentan algunas soluciones propuestas por Paparoni para dos situaciones diferentes en GUEVARA, L. T. y M. PAPARONI, (Ref.19 ): • Para solucionar el problema de piso blando creado por la ausencia de paredes rígidas en la PB, produciendo la discontinuidad de la rigidez existente en los pisos superiores, se recomienda: (1) Usar núcleos de ascensores y escaleras a toda lo alto del edificio y ubicados simétricamente, que sean suficientemente resistentes y rígidos, para que sean capaces de tomar la casi totalidad del cortante basal, dejando las columnas de planta baja prácticamente sólo con solicitaciones axiales importantes y momentos y cortantes bajos; (2) Usar diagonales para rigidizar la PB, lo cual requiere de un diseño muy cuidadoso y completo; (3) Diseñar el primer piso para fuerzas mucho mayores que las de diseño y para desplazamientos mucho menores que los del resto de la estructura, manteniendo la características estructurales de los edificios puramente porticados; (4) Distribuir las "blanduras" entre varios pisos a través de cambios graduales de la rigidez. Estas soluciones deben siempre iterarse, utilizando análisis dinámicos sucesivos y verificaciones no lineales, ambas realizables con relativa facilidad con los programas modernos de computación.

• Para los edificios en los que en los primeros pisos no sólo existe un piso blando sino que en algunos pórticos de fachadas se utilizaron alturas dobles o se discontinuaron las vigas de un pórtico a otro para crear espacios vacíos de varias alturas, como los ilustrados en la figura 11, se recomienda: La segunda situación (piso débil), relacionada pero no equivalente a la primera, surge cuando el arquitecto sólo quiere modificar los pórticos de fachada, dejando los pórticos interiores como pórticos regulares. Estas modificaciones pueden ser por ejemplo la utilización de alturas dobles en los pórticos de fachada, o por ejemplo suprimiendo vigas de fachada para crear escalonamientos interiores, o rompiendo las conectividades esquineras entre fachadas mutuamente perpendiculares, impidiendo su acción conjunta como pórticos espaciales. Se pudo mostrar en Blum y Parra (Ref. 20), que se requiere de al menos un 60% de pórticos regulares para lograr un comportamiento satisfactorio para movimientos de traslación solamente. La torsión sísmica podría obligar a usar porcentajes de regularidad sustancialmente mayores. Otra solución es la de hacer fachadas no estructurales, conectadas

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"blandamente", es decir, con una unión flexible, con la estructura regular interior. Los escalonamientos interiores por supresión de vigas son particularmente peligrosos, pues concentran cortantes en las columnas más cortas del escalonamiento, por lo que se recomienda no usarlos. En Gamal, Barreiro y Faraco, (Ref. 21) se concluyó que en estructuras totalmente porticadas (sin núcleos colaborantes), si se logra mantener tan constante como sea posible el siguiente cociente entre pisos sucesivos, los efectos de las irregularidades se minimizan: [Suma del total de las rigideces seccionales de las columnas de un piso (EI)] [ Rigidez Total a Cortante de ese piso]. Todas las afirmaciones anteriores pueden ser consideradas como confiables siempre y cuando las paredes de los pisos superiores puedan considerarse, como "muy débiles" y "poco rígidas". En edificios de oficinas, las tabiquerías que se utilizan generalmente cumplen con estas condiciones. Pero en el caso de las tabiquerías de mampostería, debido al empleo de bloques de arcilla con un porcentaje de agujeros de aligeramiento cercano al 80%, porcentaje que surgió por considerarse inicialmente que no tendrían funciones portantes, se puede hablar de paredes "débiles" pero no de paredes "blandas".

(…) Una influencia que en muchos casos se ignora es el gran incremento en los esfuerzos flectores y axiales de las columnas del nivel de fundación, debido a los efectos torsionales. Además de las influencias dinámicas, el simple hecho de considerar como empotradas las columnas del primer piso (nivel de arranque), como si las fundaciones fueran rígidas, induce a una concentración de esfuerzos en esa zona. La torsión sísmica induce también el alabeo vertical de los pisos de la estructura, debido al peculiar comportamiento de la mayoría de los esquemas de pórticos que utilizamos en la práctica, por ello se producen efectos que se suman al de la desaparición de las tabiquerías, esto se puede observar con claridad si usamos pórticos espaciales con pisos diafragmados y si, además hacemos un análisis no lineal de Push-Over (método del empujón) sobre la estructura y observamos donde aparecen las primeras articulaciones plásticas. Estos comentarios quieren llamar la atención sobre la coexistencia de dos efectos indeseables que se manifiestan en el mismo lugar, haciendo aún más difícil el tratamiento del caso del "piso blando" o del "piso fuerte". Estos efectos adquieren importancia al desconectar entre sí las fachadas perpendiculares o al alterar las conectividades (supresión de vigas) en las plantas inferiores, por razones puramente arquitectónicas. Quizá la única recomendación práctica que se puede hacer es la necesidad de complementar los pórticos de fachada debilitados con pórticos interiores con rigidez y resistencia suficientes. (…). No se puede entrar en demasiados detalles en esta problemática, pero se quiere llamar la atención de que la IMPOSICIÓN, expresa o tácita, de las plantas bajas libres por parte de las normas de urbanismo, es en sí misma, una invitación a caer en el problema que tratamos, si no van acompañadas de recomendaciones o acciones específicas, o limitaciones, por parte de las normas de diseño sismorresistente. Como estas últimas no están dirigidas específicamente a los arquitectos, es necesario que en las normas de urbanismo se haga mención de la problemática que enfrentamos, haciéndolo de forma EXPLICITA, para tenerlo en cuenta desde el inicio de los proyectos.

Para las edificaciones existentes Bertero (Ref. 14, texto en el slide J80) recomienda: Existen muchas edificaciones construidas en regiones de alto riesgo sísmico que, debido a sus sistemas estructurales y/o a la interacción con los componentes no estructurales, tienen piso blando con una resistencia a corte o con una ductilidad (capacidad de absorción de energía) inadecuadas, si se viesen sometidas a las vibraciones del terreno producidas por un sismo severo. De allí la necesidad de reforzarlos. Generalmente la forma más económica para reforzar estas edificaciones es agregándoles muros estructurales apropiados o diagonales en los pisos blandos.

Algunos ejemplos de adecuación estructural

A continuación se ilustran algunos métodos que se han utilizado para la adecuación de edificios en los que existe piso blando. En la figura 50 (Ref. 14, slide J80), Bertero muestra la forma como dos de los pórticos de un edificio que presenta una acera cubierta de doble altura se rigidizaron con diagonales de acero. La figura 51 muestra otro ejemplo de disipadores de energía utilizados en la adecuación de un edificio de San Francisco después del sismo de Loma Prieta por E. Fierro y R. Scholl y revisado el proyecto por Bertero en 1990-91. En la figura 52, se rigidizó el estacionamiento con diagonales en dos direcciones distribuidas por la planta libre.


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Figura 50

Figura 51

Figura 52

Referencias

1 BENEVOLO, L., ET AL. La proyectación de la ciudad moderna. GG Reprints, 3ª Edición, Editorial Gustavo Gili. Barcelona, España. 2000. 2 BOESIGER , W., Le Corbusier , Colección Estudio Paperback, Editorial Gustavo Gili, Barcelona, 1974. 3 LE CORBUSIER . Precisiones: Respecto a un estado actual de la urbanismo. Ediciones

arquitectura

y

del

Apóstrofe, Colección Poseidón, Barcelona, 1999. 4 Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, 5

Normas colombianas de diseño y construcción sismo resistente NSR-98 , Bogotá, 1998. Building Seismic Safety Council, NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures. Part 1: Provisions (FEMA 368 ).

2000. 6 SOZEN, M.A., ET AL, Engineering Report on the Caracas Earthquake of 29 July 1967 . National Academy of Sciences. Washington, D.C. 1968. 7 BERTERO, V. ET AL, El-Asnam, Algeria Earthquake of October 10, 1980: A Reconnaissance and Engineering Report , NRC-

EERI, National Academy Press Washington D.C., 1983. 8 VENEZUELA, Banco Obrero, Vivienda popular en Venezuela, 1928-1952, Ministerio de Obras Públicas. Caracas. 1952. 9 VENEZUELA, Concejo Municipal del Municipio Chacao del Estado Miranda. “Ordenanza de reforma parcial a la ordenanza de zonificación del Municipio Sucre, Número Extraordinario 382-10/92, en jurisdicción del Municipio Chacao” en Gaceta Municipal del Municipio Chacao, Número Extraordinario: 2272, Artículo 95, Caracas. 1998.

18

10 P UERTO R ICO, Reglamento de zonificación de Puerto Rico (Reglamento de Planificación Núm. 4), Resolución Núm. RP-4-15-92 , párrafo 7 de la

Sección 84.00, Santurce, Puerto Rico, 1992. 11 A RGENTINA, Poder Ejecutivo de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires. Código de Planeamiento Urbano. Edición Actualizada al: 31 de diciembre de 2002, Buenos Aires. 2002. 12 V ENEZUELA, Consejo Municipal del Distrito Federal. La Ordenanza Modificatoria de la Ordenanza sobre zonificación del Municipio Libertador , Gaceta Municipal del Distrito

Federal, No. Extra 851-A. Caracas. 1989 13 A RNOLD, CH. Y R. R EITHERMAN, Building Configuration and Seismic Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1982. 14 B ERTERO, V.V. en “Distribution of Mass, Stiffness & Strength”, Structural Engineering Slide Library, W. G. Godden, Editor. Set J: Earthquake Engineering, V. V. Bertero. NISEE,

University of California, Berkeley, en http://nisee.berkeley.edu/bertero/html/uniform_d istribution_of_mass_stiffness_strength_and_duct ility.html. 15 B ERTERO, V. V., "Seismic Performance of Reinforced Concrete Structures", ponencia presentada en las Sesiones Científicas 'Doctor Abel Sánchez Díaz' sobre Ingeniería Sismorresistente, Nov., 1978, publicado en los Anal Acad. Ci. Ex. Fis. Nat., Buenos Aires,

Tomo 31, Buenos Aires, 1979. 16 Composición de la Fig. 8.18 en A RNOLD, CH. Y R EITHERMAN, R., Configuración y diseño sísmico de edificios , Editorial Limusa, México, D. F., 1987. Pág. 134 y del slide J78 en BERTERO (Ref. 14)


17 B ERTERO, V.V., comunicación personal, abril 2006. 18 O TANI, SHUNSUKE, "Lessons Learned From Past Earthquakes," en Proceedings, Fourth Turkish National Conference of Earthquake Engineering , Ankara , Turkey. 1997. 19 L. T. GUEVARA y M. PAPARONI, “Soft First Stories Treatment in the Municipal Ordinances of a Hazardous Sector of Caracas, Venezuela, Paper No. 1065”, en Proceedings of the 11 th World Conference on Earthquake Engineering , Acapulco, International Association for Earthquake Engineering, Elsevier Science Ltd, 1996.


20 B LUM,

J.

G. PARRA-MONTESINOS, Y Configuración verticales de edificaciones sismoresistentes, Trabajo de Grado de Ingeniero Civil,

Escuela de Ingeniería Civil, Fac. de Ingeniería, Univ. Metropolitana, Caracas, 1994. 21 G AMAL, A.H., B. BARREIRO Y A. FARACO, Análisis de una población de estructuras semi prismáticas y otra de ensamblajes de estructuras prismáticas por los métodos del continuo equivalente y discreto, Trabajo de Grado de

Ingeniero Civil, Escuela de Ingeniería Civil, Fac. de Ingeniería, Univ. Central de Venezuela, Caracas, 1988.

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Piso Blando y Piso Debil

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