RECOMENDACIONES PARA ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS
El diseño de cimentación en una edificación es importante el estudio de mecánica de suelo efectuado por el ingeniero especialista quién facilita todo los parámetros para el diseño sismorresistente, la profundidad de cimentación y el tipo de cimentación que se realizar. Se recomienda que el arquitecto al desarrollar su labor arquitectónica del proyecto debe estar asesorado por un ingeniero estructural para fijar las dimensiones de la placa, espesores adecuados, rigidez y la configuración arquitectónica o estructural. Si se trata de u edificio urbano, el diseño arquitectónico resulta muchas veces determinante del tipo de estructura, aunque siempre es recomendable que desde estas etapas preliminares exista una coordinación adecuada entre el proyecto arquitectónico y el diseño estructural y el de instalaciones. Los estudios descritos y el diseño arquitectónico se llevan a cabo siguiendo las disposiciones de los reglamentos de construcción aplicables. En la parte de estructuración, se establece la geometría general de la obra, respetando el diseño arquitectónico, se fijan los claros de las vigas, la separación y altura de las columnas, se seleccionan los materiales a emplear, se eligen sistemas de piso, etc. Esta parte suele llamarse “concepción de la estructura” o configuración estructural. Es la parte mas subjetiva del diseño estructural y aquella en que la experiencia, buen juicio o intuición del ingeniero juegan el papel mas importante. Una estructural mal concebida presentara problemas, problemas, independientemente de que tan bien o de con que tanta precisión se hagan las etapas de análisis y dimensionamiento. Durante esta parte, es necesario hacer algunas estimaciones preliminares del tamaño de los miembros estructurales, tanto para estimar su propio peso, que forma parte de las cargas actuantes, como para calcular sus rigideces relativas, las cuales se requieren en la parte del análisis. Estas estimaciones pueden hacerse utilizando ´procedimientos simplificados de análisis y dimensionamiento o únicamente con base en la experiencia del proyectista. Después de la parte de análisis de la estructura, que es el tema de este texto, la acepción mas general de la palabra “análisis” es distinción y separación de las partes de un todo hasta llegar a conocer sus principios o elementos. En el proceso de diseño se deben tomar en cuenta las características que son relevantes en el comportamiento sísmico del edificio:
Peso Planta Elevación y proporción Uniformidad y distribución del sistema estructural Separación Elementos no estructurales
Peso Definición El tamaño del edificio indica también el peso del mismo por ello debe procurarse un edificio lo más ligero posible, incluyendo el peso de los revestimientos y elementos divisorios que inducen en la respuesta, fuerzas ajustadas a su peso. Cualquier cambio en el tamaño del edificio afecta su comportamiento y las alternativas en la solución estructural a causa del efecto del tamaño y del 15 cubo cuadrado ; en el cual cada sistema sistema estructural (pórtico, muro, arco, cables etc..) llega al límite de su tipología obligando al cambio en el sistema por otro adecuado; este cambio resulta importante por la incidencia en la forma del edificio. Por ejemplo, las vigas pueden ser usadas aproximadamente, hasta una luz de 30 m, mientras mientras que la cercha soporta mayores mayores luces. (Arnold y Reitherman, 1991; Bazán y Meli, 2001)
Figura 15. Distribución irregular del peso en edificio
Problema La respuesta sísmica del edificio es difícil de cuantificar cuando la distribución de paredes es de forma complicada, las plantas presentan alas, vestíbulos, balcones, torres, techos en volado, también las que posean aberturas para escaleras, elevadores, ductos y tuberías así como los techos con vacíos para alojar claraboyas, cubos de ventilación y chimeneas.
Recomendación Se recomienda evitar las masas que sean innecesarias porque se traducen en fuerzas innecesarias. Además las masas ubicadas en las partes altas de un edificio no son favorables porque la aceleración crece con la altura, de manera que es conveniente ubicar en los pisos bajos las áreas donde se preveen mayores concentraciones de pesos (tales como archivos y bóvedas). También se debe impedir las fuertes diferencias de los pesos en pisos sucesivos y tratar que el peso del edificio esté distribuido simétricamente en la planta de cada piso, una posición asimétrica generar un mayor momento torsor. (Ambrose y Vergun, 2000; Bazán y Meli, 2001; Grases, López y Hernández, 1987). En el caso de las estructuras de madera, estas son de poco peso por lo que las fuerzas de inercia serán bajas y es posible violar ciertos principios de configuración, introduciendo irregularidades que constituirían un problema grave en un edificio grande, además, las luces son cortas por lo que habrá mayor número de elementos estructurales para distribuir las cargas en relación con el área de piso. (Arnold y Reitherman, 1991) 15
el cambio del peso no es proporcional al de sus elementos estructurales
Planta Definición La forma en planta de un edificio incide en la respuesta sísmica. Este hecho ha sido demostrado repetidamente por todos los terremotos acaecidos.
Problemas Los problemas que más se presentan en planta son: 1. Longitud de planta: Las estructuras con dimensiones considerables en planta, experimentan grandes variaciones de la vibración a lo largo de la estructura que generan fuerzas rotacionales. Estas variaciones se deben a las diferencias en las condiciones geológicas (Véase Figura 16).
Figura 16. Planta muy larga.
2. Perimetral: Los muros laterales y/o traseros están sobre los límites de la construcción por lo que no tiene aberturas, mientras la fachada frontal con ventanas hacia la calle es abierta; por lo que el techo tiende a torcerse, generando problemas sobre el edificio.
Figura 17. Planta con problema perimetral.
3. Falsa simetría: Edificios que poseen una configuración en apariencia sencilla, regular y simétrica, pero debido a la distribución de la estructura o la masa es asimétrica.
Figura 18. Falsa simetría.
4. Esquina: Plantas con formas en L, T, U, H, +, o una combinación de estas. Durante un movimiento sísmico cada ala tiene un movimiento diferente y la esquina interior o entrante que es la unión entre las dos alas adyacentes es la parte que más daño va a presentar. δ
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Figura 19. Planta con problema en la esquina interior.
Recomendaciones La principal recomendación para los problemas en planta es favorecer la simetría en ambas direcciones para disminuir los efectos torsionales. Evitar la presencia de alas muy alargadas que tienden a producir que las alas vibren en direcciones diferentes por la dificultad para responder como una unidad. La simetría en planta indica que el centro de masa y el centro de rigidez están localizados en el mismo punto y disminuye los efectos indeseados de la torsión. Asimismo, la simetría no sólo se refiere a la forma de conjunto del edificio sino también a los detalles de su construcción. (Ambrose y Vergun, 2000; Bazán y Meli, 2001; Arnold y Reitherman, 1991)
Figura 20. Planta con juntas que evita movimientos diferenciales
1. Longitud de planta: Existen dos formas de resolver estos problemas. La primera se basa en considerar los esfuerzos producidos por los movimientos diferenciales durante el diseño y la segunda en permitir los movimientos al incluir juntas. (Dowrick, 1997; Grases, López y Hernández, 1987) 2. Perimetral: El objetivo de cualquier solución para este problema consiste en reducir la posibilidad de torsión. Se pueden emplear alternativamente cuatro estrategias; pórticos con resistencia y rigidez aproximadamente iguales para todo el perímetro. Aumentar la rigidez de las fachadas abiertas mediante muros dentro o cerca de la parte abierta. Usar un pórtico muy fuerte, con diagonales en la fachada abierta. Aceptar la posibilidad de tener torsión y diseñar la estructura para resistirla. a)
(c) (d) Figura 21. Estrategias para la solución al problema perimetral.
Figura 22. Ubicación simétrica de los elementos resistentes y los componentes.
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Falsa simetría: Ubicación simétrica de los elementos resistentes, si por aspectos de planeación no es posible, se debe agregar algunos elementos resistentes en una parte del edificio que equilibren la distribución de la resistencia de forma que disminuya la excentricidad en planta. (Arnold y Reitherman, 1991).
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Esquina: La solución al problema de esquina tiene dos enfoques; dividir estructuralmente el edificio en formas más sencillas o unir con más fuerza la unión de los edificios mediante colectores en la intersección, muros estructurales o usar esquinas entrantes achaflanadas en vez de ángulos rectos, que reduzcan el problema del cambio de sección. (Arnold y Reitherman, 1991)
Figura 23. Edificio con excentricidad disminuida.
Figura 24. Edificio con juntas, con esquina más rígida y achaflanada.
Elevación y proporción Definición Las reducciones bruscas de un nivel a otro, tiende a amplificar la vibración en la parte superior y son particularmente críticas. El comportamiento de un edificio ante un sismo es similar a una viga en volado, donde el aumento de la altura implica un cambio en el período de la estructura que incide en el nivel de la respuesta y magnitud de las fuerzas. La sencillez, regularidad y simetría que se busca en planta también es importante en la elevación del edificio, para evitar que se produzcan concentraciones de esfuerzos en ciertos
pisos o amplificaciones de la vibración en las partes superiores del edificio. Son particularmente (Bazán y Meli, 2001)
Problemas
Figura 25. Edificio con proporciones inadecuadas.
Los problemas que más se presentan en elevación son: 1. Proporción: Este aspecto puede ser más importante que el tamaño o altura, ya que mientras más esbelto es el edificio mayor es el efecto de voltearse ante un sismo, la contribución de los modos superiores es importante y el edificio puede hacerse inestable por el efecto P- Δ. 2. Escalonamiento: consiste en una o mas reducciones abruptas en el tamaño de un piso de un nivel con respecto al siguiente. También en hacer el edificio más grande a medida que se eleva, lo que se conoce como escalonamiento invertido.
Figura 26. Configuraciones con escalonamientos bruscos.
3. Piso débil: El piso débil se refiere a los edificios donde una planta es más débil que las plantas superiores, causado por la discontinuidad de resistencia y rigidez. Este problema es más grave cuando el piso débil es el primero o segundo, niveles donde las fuerzas sísmicas son mayores.
Figura 27. Configuraciones con piso débil.
4. Muro discontinuo: Cuando los muros de cortante no cumplen con los requisitos de diseño se puede considerar que generan un problema como el de piso débil. Por otra parte, un muro de cortante discontinuo es una contradicción fundamental de diseño; el propósito de un muro de cortante es resistir las fuerzas de inercia que se originan en los diafragmas y transmitirlas hacia la fundación en la forma más directa posible, por lo que interrumpir esta trayectoria se convierte en un error y realizarlo en la base es un problema aún mayor, siendo el peor caso de la condición de planta baja débil. (Arnold y Reitherman, 1991)
Figura 28. Muros de cortante colocados de forma que originan problemas.
5. Variación en la rigidez: El origen de este problema por lo general reside en consideraciones arquitectónicas realizadas sobre terrenos en colinas, relleno de porciones con material no estructural pero rigidizante para crear una faja de ventanas altas, elevación de una porción del edificio sobre el nivel del terreno mediante elementos altos, en tanto que otras áreas se apoyan sobre columnas más cortas, o bien, rigidización de algunas columnas con una mezzanina o desván, mientras otras se dejan de doble altura sin rigidizarlas. Estas configuraciones generan una columna corta que es mas rigida bajo cargas laterales16, atraerá fuerzas que pueden estar desproporcionadas con su resistencia.
Figura 29. Configuración con columnas de diferentes alturas que generan problemas de rigidez variable.
Recomendaciones 1. Proporción: Para evitar los problemas de proporción Dowrick (1997) sugiere que se procure limitar la relación altura/anchura a 3 ó 4, (Arnold y Reitherman, 1991; Bazán y Meli, 2001; Dowrick, 1997)
Figura 30. Solución a los problemas de proporción.
2. Escalonamiento: Como primera estrategia es utilizar cambios de sección en un escalonamiento normal o invertido pequeños. Las soluciones para la configuración
escalonada son similares a las de su contraparte en planta con esquinas entrantes. El primer tipo de solución consiste en una separación sísmica en planta. Se debe evitar la discontinuidad vertical de las columnas, un acartelamiento suave evita totalmente el problema del cambio de sección. Por último, en áreas de alto riesgo sísmico se deben evitar las configuraciones escalonadas invertidas. (Arnold y Reitherman, 1991)
Figura 31. Configuraciones sin escalonamientos bruscos.
3. Piso débil: Las soluciones para el problema del piso débil comienzan por su eliminación, es decir evitar la discontinuidad modificando el diseño arquitectónico. Si esto no es posible, el siguiente paso es investigar la forma para reducir la discontinuidad por otros medios, como son aumentar el número de columnas o agregar diagonales. Alternativamente, se puede lograr una planta baja alta eliminando la discontinuidad dinámica mediante un marco vertical que abarque varios pisos, en el cual la estructura tenga uniformidad de rigidez en toda su altura, agregando pisos adicionales ligeros de tal modo que tengan tan poco efecto como sea posible en las características de la estructura principal. (Arnold y Reitherman, 1991)
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Cargas que se distribuyen según la rigidez de los elementos resistentes.
Figura 32. Soluciones al problema del piso débil.
Figura 33. Muros de cortante colocados de forma adecuada.
4. Muro de cortante discontinuo: La solución para el problema del muro de cortante discontinuo consiste en eliminar dicha condición. El hacerlo puede crear problemas arquitectónicos de planeación, circulación o aspecto. Si así ocurre, entonces significa que la decisión de usar muros de cortante como elementos resistentes es inconveniente. Cuando se toma la decisión de usar muros de cortante, se tiene que reconocer su presencia desde el principio del diseño esquemático, donde el tamaño y la
localización debe ser objeto de una cuidadosa coordinación entre la arquitectura y la ingeniería, por lo que se recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos: − Hacer una distribución regular de los muros, estableciendo preferentemente la simetría. −
Procurar que los centros de masas y rigideces estén los más cerca posibles.
−
Para mejor resistencia torsional se deben colocar en la periferia de la planta.
−
En edificios de muchos pisos sobre zonas de alto riesgo sísmico, una concentración de toda la fuerza lateral en solamente uno o dos muros implica introducir grandes fuerzas a las fundaciones, por lo que se requiere una fundación muy grande.
−
En edificios de altura media, la sección transversal no deben variar con la altura. En dado caso se puede reducir el espesor del muro.
−
Los grandes muros tienden a limitar la flexibilidad en la distribución de los espacios internos, por lo que se recomienda en edificios de oficina, colocar las pantallas limitando las áreas de circulación vertical y de servicios. Los sistemas de fachada resistente, si bien condicionan bastante el aspecto externo del edificio, facilitan mucho la organización del espacio interno. (Arnal y Epelboim, 1985; Arnold y Reitherman, 1991; Paulay y Priestley, 1992)
5. Variación en la rigidez: Si no se puede evitar la situación planteada, una solución consiste en igualar las rigideces de las columnas mediante puntales que aumenten la rigidez de las columnas más largas o aumentando las dimensiones de los elementos menos rígidos. (Arnold y Reitherman, 1991)
Figura 34. Columnas que igualan las rigideces.
Uniformidad y distribución del sistema estructural Definición La influencia del sistema estructural en la respuesta sísmica es indiscutible ya que suministra la resistencia y rigidez necesaria para evitar daños no estructurales durante sismos moderados, así como garantiza la integridad del edificio. Por lo tanto, es importante que el arquitecto proponga un sistema adecuado para lo cual debe considerar la simplicidad y simetría, igualmente es conviene tomar en cuenta aspectos tales como: cambios de secciones, redundancia, densidad en planta, diafragma rígido, columna fuerte – viga débil, interacción pórtico – muro.
Cambios de secciones Los cambios bruscos de sección en los miembros son un tipo de problema de variación de rigidez que se debe evitar. De igual forma los muros y/o columnas que no siguen una misma línea, no son recomendables por lo que estas líneas de resistencia deben ser continuas.
Figura 35. Las configuraciones uniformes poseen mejor comportamiento.
Redundancia La redundancia se refiere a la existencia de abundantes líneas resistentes continuas y monolíticas, proporciona un alto grado de hiperestaticidad que cumple con el requisito básico para la supervivencia de la edificación, ya que posee múltiples mecanismos de defensa que garantizan la redistribución de esfuerzos una vez que algunos miembros hayan fallado. En cada una de las direcciones principales de la edificación y salvo que se trate de edificios de dos o tres plantas, es conveniente disponer como mínimo, tres líneas de resistencia. (Grases, López y Hernández, 1987)
Figura 36. La hiperestaticidad favorece las líneas alternas de carga (redundancia).
Densidad en planta La densidad de la estructura en planta a nivel del terreno, se define como el área total de todos los elementos estructurales verticales (columnas, muros, diagonales) dividida entre el área bruta del piso. En un edificio contemporáneo típico, este porcentaje se reduce al mínimo valor en pórticos. Por ejemplo, en un edificio típico de 10 a 20 pisos, con pórticos de concreto o acero resistentes a momentos, las columnas ocuparán el 1% o menos del área de su planta y los diseños en que se usa una combinación de pórticos-muros de cortante alcanzarán típicamente una densidad de estructuras en planta a nivel del suelo de cerca del 2%. Incluso para un edificio de oficinas de muchos pisos, que se apoyen solamente en muros de cortante, probablemente la relación llegará sólo al 3%. Las densidades en planta de edificios construidos antes del siglo XIX presentan un sorprendente contraste, la densidad de la estructura en planta a nivel del suelo puede alcanzar hasta el 50%, como en el caso del templo de Khons en Egipto o el Taj Mahal. La relación para la catedral de San Pedro es de cerca del 25%; para Santa Sofía, el Partenón y el Panteón, el 20%; y para la catedral de Chartres, 15%. Los anteriores ejemplos sugieren que las densidad en planta así como las configuraciones sencillas y estructuralmente lógicas son importantes ya que, edificios que deberían haber colapsado en terremotos pasados han permanecido de pie.
Diafragmas rígidos Los diafragmas de las edificaciones deben ser rígidos en su plano para igualar las deformaciones de los elementos verticales y evitar concentraciones de esfuerzos indeseables en las zonas de unión. Las normas permiten diafragmas flexibles pero se hace difícil estimar la respuesta dinámica de edificaciones con diafragmas flexibles. La utilización de diafragmas rígidos simplifica notablemente el proceso de análisis ya que permite el uso de modelos matemáticos sencillos.
Figura 37. Se debe favorecer los sistemas con diafragmas rígidos.
Columna Fuerte – Viga Débil En sistemas apórticados es un requisito fundamental para el buen comportamiento de la estructura, que la disipación de energía se inicie en los elementos horizontales, por lo que se 17 debe anteponer los diseños de columnas fuertes y vigas débiles . En fachadas se puede usar elementos no estructurales que se adapten a los requerimientos arquitectónicos, o bien admitir el diseño columna fuerte viga débil en la fachada.
Figura 38. El sistema columna fuerte viga débil es mejor al contrario.
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el caso contrario origina una falla inicial sobre las columnas que deja los pisos uno encima del otro sin elementos verticales que los unan.
Interacción Pórtico - Muro Las configuraciones con alta rigidez torsional con respecto a su rigidez traslacional, poseen mejor comportamiento durante terremotos, por lo cual los muros deben colocarse en la periferia de la edificación, dando así un uso más eficiente. Lo anterior implica una combinación de muro y pórtico, donde los puntos de unión entre estos deben tener un tratamiento especial porque pueden producir áreas débiles de posible falla. Los muros que poseen grandes aberturas reducen la capacidad del muro y transforman el muro en un pórtico, el tamaño de las aberturas pueden hacer del muro un pórtico que presentaría el problema de columna débil-viga fuerte. (Arnold y Reitherman, 1991; Grases, López y Hernández, 1987) Viga de transferencia de alta capacidad
Junta
Pórtico y muro unidos más firmes con la fundación y por la parte superior
Figura 39. Soluciones para la interacción pórtico – muro.
Este problema se puede solucionar de tres formas. El primer tipo de solución es separar el pórtico del muro para evitar una falla por flexión en la unión de la viga sobre el muro. La segunda solución consiste en unir el pórtico y el muro con la fundación de manera más firme, para reducir grandes desplazamientos entre los dos tipos de sistemas estructurales, esta solución puede ser adecuada para muros y pórticos bajos, pero no resolverá los problemas creados por muros altos y esbeltos. Para estos la solución consiste en conectarlos con una viga superior de transferencia de alta capacidad. (Arnold y Reitherman, 1991)
Figura 40. Muros colocados en la periferia de la planta.
Finalmente, al momento de diseñar la estructura se recomienda que se tenga en cuenta lo siguiente: −
Todas las columnas y muros deben ser continuos y llevar la misma línea vertical desde el último nivel hasta la fundación.
−
La línea horizontal de las vigas no deben tener desalineamientos.
−
Las columnas y vigas de concreto armado deben tener aproximadamente el mismo ancho.
−
Los elementos principales no deben tener cambios bruscos de sección.
−
La estructura debe ser continua y monolítica lo máximo posible. (Dowrick, 1997)
Separación Definición La relación del contorno del proyecto es importante en cuanto a la ubicación del edificio dentro del terreno, es trascendental guardar una separación que sea suficiente con respecto a edificios adyacentes, para evitar que los distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase durante un sismo.
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Figura 41. El golpeteo se reduce aumentando la separación con los edificios aledaños
Problema El daño puede ser particularmente grave cuando los pisos de los cuerpos adyacentes no coinciden en las mismas alturas de manera que durante la vibración las losas de piso de un edificio pueden golpear a media altura las columnas del otro. Este choque se denomina golpeteo y esta relacionado con las juntas de separación y la rigidez. El estudio del golpeteo entre edificios se relaciona con la localización del edificio en relación con otras estructuras. (Arnold y Reitherman, 1991; Bazán y Meli, 2001)
Recomendación Una regla práctica para las estructuras relativamente rígidas indica que las separaciones serán de 2,5 cm más 1,25 cm por cada 3 m de altura en exceso de 6 m. Otra alternativa es separar 3,2 cm de separación para edificios de hasta 4,88 m, y 1,9 cm más por cada 4,88 m de altura adicionales. Aunque lo más conveniente es determinar el desplazamiento de cada uno de los edificios y dar una separación que contemple el caso cuando las dos partes están lo más cerca.
Elementos no estructurales Definición Los efectos de los elementos no estructurales son menospreciados en un análisis ordinario de estructuras y a menudo son la causa de los daños y la falla. La experiencia ha demostrado que la presencia de elementos no estructurales puede cambiar el comportamiento dinámico de una estructura, ya que las fuerzas sísmicas son atraídas por las áreas de mayor rigidez y si estas no están diseñadas para resistir las fuerzas, posiblemente fallen teniendo efectos desfavorables en la edificación.
Figura 42. Configuraciones no deseadas en los elementos no estructurales.
Recomendación Para evitar los efectos no deseados de los elementos no estructurales, se debe evitar una disposición irregular en planta y elevación de la tabiquería y diseñarla para que resista la distorsión estructural. Para ello existen dos enfoques. El primero consiste en integrarla a la estructura y el segundo en separarla de forma adecuada de los pórticos.
Figura 43. Se debe procurar una distribución regular de los elementos no estructurales.
Figura 44. Elementos no estructurales integrados a la estructura.
Los revestimientos deben estar bien conectados a las paredes o separarlos de las paredes con conectores que eviten la separación de las paredes. Las ventanas se deben separar de la deformación de los pórticos, excepto cuando el cristal sea irrompible (si el desplazamiento horizontal del pórtico es pequeño se puede proteger el vidrio con una masilla suave). Las puertas son elementos importantes durante un evento sísmico, por lo que deben diseñarse para que sigan siendo funcionales después de ocurrido el evento, bien sea mediante análisis dinámico o colocando elementos que no se vean afectados por la deriva lateral. (Dowrick, 1997)
Figura 46. Configuración que genera el efecto columna corta.
Cuando la presencia de tabiques imponga cambios en la luz libre de las columnas y no sea posible separar los tabiques, se recomienda verificar que la columna, en toda su extensión, esté en capacidad de resistir las fuerzas que se puedan inducir en la misma. La columna, producto de la parte libre de tabiquería se comporta como una de menor longitud y por tanto mayor rigidez18. (Arnold y Reitherman, 1991; Grases, López y Hernández, 1987; Dowrick, 1997)
Recomendación final Se observa que las formas complejas, carencia de simetría, distribución al azar de los elementos verticales, falta de continuidad de los elementos horizontales por las aberturas o techos en varios niveles, volúmenes agregados que requieren vinculación, luces grandes y detalles no estructurales son los problemas más comunes en el diseño sísmico. Para lograr una configuración adecuada se debe considerar el tiempo, costo y programación para el análisis sísmico, conjuntamente hay que reconocer el hecho que algunos estilos han sido desarrollados en zonas de bajo riesgo sísmico por lo que en regiones de mucha actividad sísmica no son apropiados.
