Sistema Dual (Pórticos rigidizados) Es un sistema mixto de pórticos reforzados por muros de carga o diagonales de arriostramiento. En este sistema los muros tienden a tomar una mayor proporción de los esfuerzos en los niveles inferiores, mientras que los pórticos pueden disipar energía en los niveles superiores.
Figura 1 _ Distintos sistemas duales.
Figura 2 _ Edificación son arriostramientos laterales.
Se genera una estructura con una resistencia y rigidez lateral sustancialmente mayor al sistema de pórticos, lo cual lo hace muy eficiente para resistir fuerzas sísmicas. Y siempre y cuando haya una buena distribución de los elementos rígidos, también se puede obtener las ventajas del sistema aporticado, en cuando a su ductilidad y distribución de espacios internos. Se debe ser muy cuidadoso al momento de diseñar el sistema, ya que la interacción entre el sistema aporticado y el de muros es compleja. El comportamiento de un muro esbelto es como el de una viga de gran altura en voladizo, y el problema de interacción se origina porque el comportamiento que tendría un sistema aporticado sería muy distinto al de un muro de concreto. Como se puede apreciar en la figura 2.90, en los pisos inferiores la rigidez del muro es muy alta, por lo que se restringe prácticamente el desplazamiento, mientras que en los pisos superiores el muro en vez colaborar a resistir lar cargas laterales, termina incrementando las fuerzas que los pórticos deben resistir. Es por esto que se deben tener consideraciones muy puntuales con el diseño del muro, intentando propinarle un gran momento de inercia para no producir grandes desplazamientos.
Figura 3 _ Interacción de fuerzas entre pó rticos y muros
Es muy común, sobretodo en la vieja práctica, que cuando se diseñan estructuras duales se supone que los muros resisten todas las fuerzas laterales y el sistema aporticado todas las gravitacionales. Esta suposición arroja un error despreciable en estructuras de alturas moderadas, aproximadamente 20 pisos, pero para edificios de alturas mayores se incurre a un sobredimensionamiento de la estructura, ya que se desperdicia buena parte de la resistencia de ambos sistemas. Aunque la Norma COVENIN 1753-2001 en el subcapítulo 6.3 especifica que para estructuras duales, el pórtico debe resistir al menos el 25% de las cargas laterales. El problema que posee este sistema estructural es que hay que ser muy cuidadoso en cuanto a la configuración de los elementos rígidos, ya que tienen una extrema diferencia de rigidez comparado a los pórticos y esto puede causar concentraciones excesivas de esfuerzos en algunas zonas del edificio y una mala distribución de cargas hacia las fundaciones.
Recomendaciones
Distribuir de manera uniforme y simétrica los elementos rígidos en la planta intentando evitar la obstrucción al uso del espacio interno del edificio. Es preferible no concentrar los elementos rígidos y resistentes cercanos al centro de masa ya que son menos efectivos para resistir torsión y las columnas de la periferia serán más susceptibles al cortante por torsión. Si estos elementos son ubicados en la periferia de la estructura de forma simétrica su efectividad
se incrementará considerablemente. Para lograr un diseño económico y estructuralmente óptimo se debe considerar la interacción del sistema aporticado y de muros para resistir todas las solicitaciones. De esta forma se reducen los momentos flectores en los muros, debido a la participación de los pórticos, y se mejora el desempeño de estos si se diseña considerando su aporte para resistir cargas gravitacionales, ya que las cargas gravitacionales pueden compensar los momentos volcantes debidos a las cargas laterales. Se debe verificar que los esfuerzos transmitidos por los muros al suelo no sobrepasen su capacidad portante, esto se puede lograr aumentando la cuantía de muros en planta o aumentando el espesor de estos
Tipos de sistemas estructurales básicos La elección de un sistema estructural adecuado tiene gran influencia en el comportamiento de la estructura ante la ocurrencia de un sismo. El sistema debe poseer:
Capacidad para resistir todas las cargas gravitacionales de manera eficiente.
Resistencia ante las solicitaciones sísmicas en cualquier dirección, para así prevenir el colapso.
Ductilidad, ya que no basta con que se alcance que se alcance el estado límite de resistencia en una sección, lo que podría originar un colapso, sino que también se requiere que posea capacidad de deformarse sosteniendo su carga máxima, e inclusive, que posea una resistencia de capacidad antes del colapso.
Permitir un flujo continuo de las fuerzas sísmicas hasta la fundación.
Redundancia, para que los elementos tengan capacidad de deformaciones inelásticas y permitan la disipación de energía sin riesgo a colapso de la edificación.
Las soluciones estructurales que se adopten en el proyecto están sujetas a las restricciones que existen con las interacciones de otros aspectos del proyecto, como el arquitectónico, instalaciones sanitarias, etc., también por limitaciones en costos, procesos constructivos o por tiempo de ejecución. Por otro lado, la adecuada selección del sistema estructural también depende de la altura del edificio, riesgo sísmico que exista en el área, capacidad portante del suelo, etc. En cualquiera de los sistemas estructurales que se seleccione es muy ventajoso el uso de las losas para que desarrollen la función de diafragma rígido en cada nivel. El diafragma rígido cumple como objetivo el que se distribuya de manera uniforme las cargas laterales a todos los elementos resistentes que posee el edificio. Es difícil dar recomendaciones de manera general sobre cual sistema estructural se debe utilizar, ya que en cada caso existen factores particulares, que deben ser evaluados por el ingeniero con base a sus conocimientos. El proyectista debe tener en cuenta la eficiencia de los diferentes materiales, elementos estructurales, las diversas condiciones de carga y las consecuencias que produce la elección del sistema estructural sobre las otras partes del proyecto.
Pórtico resistente a momentos
Muros portantes
Sistema dual
Otros sistemas
os muros estructurales de concreto armado, llamados también muros de corte o pantallas, son elementos que proporcionan gran rigidez lateral y ayudan a resistir las cargas gravitacionales en las edificaciones. En zonas de elevado riesgo sísmico su uso es ampliamente recomendado ya que entre sus ventajas se encuentra que:
Disminuye considerablemente las derivas de piso, las vibraciones y oscilaciones lo que ayuda a que existan pocos daños en los elementos no estructurales. Al ser elementos de gran rigidez lateral, absorben la mayoría de las solicitaciones sísmicas. Esto ayuda a minimizar la posibilidad de la falla por el efecto de “columnas cortas”. De igual forma, por su gran rigidez lateral y absorción de las solicitaciones sísmicas, disminuye la posibilidad de falla en los llamados pisos débiles. Integrando los elementos aporticados con las pantallas de concreto armado (Sistemas Duales) se pueden realizar edificios de mediana y gran altura, ya que los muros estructurales son mucho más rígidos y por lo tanto tienen un período natural más corto, por lo que sus desplazamientos resultan ser mucho menores que el de los elementos aporticados. Los muros estructurales resisten la mayoría de las cargas laterales en la base y absorben una parte de las cargas gravitacionales.
Figura 1 _ Distintos tipos de muros.
En general, el uso de los muros estructurales controla el desplazamiento lateral de un edificio siempre y cuando tengan una disposición y cuantía adecuada en planta, esto le termina proporcionando al edificio una elevada seguridad estructural ante un eventual sismo de moderada magnitud. Cabe destacar que los muros presentan una gran rigidez en su plano, pero debido a su poco espesor, presentan muy poca rigidez para cargas normales a él. Por esto es que cobra vital importancia el distribuir a los muros en la planta de manera uniforme, para que existan líneas de resistencia en direcciones ortogonales.
PESOR DE LOS MUROS ESTRUCTURALES Según la Norma COVENIN 1753-2006, el espesor de los muros estructurales no podrá ser menor que las siguientes dimensiones:
10 cm. Fratelli (2002) recomienda utilizar muros de un espesor mínimo de 15 cm. para alturas máximas de 4,5 m. siempre y cuando satisfagan todas las condiciones de resistencia. Para alturas mayores a 4,5 m. recomienda aumentar de 2,5 cm. por cada 7,5 m. de altura.
donde Ln es la altura no arriostrada del muro.
donde Lw es la longitud del muro en la dirección de la fuerza cortante.
El espesor de los muros divisorios no podrá ser menor de 10 cm. ni menor a que hay entre los dos miembros laterales que le propicien apoyo.
El espesor de los muros de sótano no podrá ser menor a 20 cm.
de la distancia
Si el muro soporta cargas c oncentradas (Como se muestra en la figura 4.2) que actúan en el borde superior del muro, se considerará para el dimensionamiento la longitud horizontal efectiva como el menor de los siguientes valores:
donde
a: ancho de la carga concentrada
b: espesor del muro s: distancia centro a centro entre las carga
Figura 1 _ Longitud Efectiva para muros con cargas co ncentradas.
Se debe verificar que los esfuerzos transmitidos al suelo de fundación no sean superiores a los esfuerzos admisibles del mismo. De ser así es posible que haya que aumentar el espesor del muro o agregar otros elementos resistentes verticales para disminuir esos esfuerzos.
Fargier (2010) recomienda que la relación de esbeltez del muro no sea mayor que dieciséis (16), pero en edificios hasta de seis niveles que posean abundante cuantía de muros en planta, esta relación puede llegar hasta veinte (20).
fuerzo mínimo de acero La cuantía del acero de refuerzo y su distribución en los muros debe calcularse de una manera muy cuidadosa, ya que un refuerzo bien distribuido y diámetros de barras adecuados pueden evitar la fisuración del concreto debido a
esfuerzos cortantes, así como también incrementar la ductilidad del elemento al permitir mayores deformaciones. Según la Norma COVENIN 1753-2006, las armaduras mínimas para los muros estructurales de concreto armado tienen que cumplir las siguientes especificaciones:
Muros estructurales con Nivel de Diseño ND1 Se exige que la separación de las barras de acero no exceda de los siguientes valores: Tabla 1 _ Separación máxima de refuerzos
Donde:
Para
bW: Espesor del LW: Longitud del muro en la dirección de la fuerza cortante.
muro
: Cuantía mínima para barras menores o iguales a 5/8”:
Cuantía Vertical,
Cuantía Horizontal, Cuantía mínima para barras mayores a 5/8”:
Cuantía Vertical,
Cuantía Horizontal,
Para
:
Cuantía Horizontal,
Cuantía Vertical, Donde: hW: Altura del muro o segmento de él.
Con excepción de los muros en sótanos, los muros estructurales con un espesor mayor a 20 cm. tendrán armaduras en ambas direcciones dispuestas en dos capas paralelas a las caras del muro de la siguiente forma:
Se colocará una malla electrosoldada que tenga entra ½ y ⅔ de las armaduras que se requieren para cada
dirección colocada a no menos de 5 cm. ni más de un tercio del espesor del muro medido a partir de la superficie exterior.
Se colocará una malla interior que posea el resto del acero requerido en cada dirección, con un recubrimiento no menor de 2 cm. ni más de un tercio del espesor del muro medido desde su superficie interior.
Figura 1 _ Detalle de doble capa de armadura en muro de sótano.
Muros estructurales con Nivel de Diseño ND3 Se exige que la separación de las barras de acero no exceda de los siguientes valores: Tabla 2 _ Separación máxima de las barras de acero
La cuantía de acero tanto vertical como horizontal no puede ser menor a 0,0025. Cuando la relación de as pecto hW/LW < 2,0 la cuantía de refuerzo vertical debe ser igual a la cuantía horizontal. Además de los requerimientos mínimos e xigidos para las armaduras, la Norma también exige que se deban colocar no menos de 2 barras #5 alrededor de todas las aberturas de ventanas y puertas. Estas barras deben tener una longitud mayor a la longitud de desarrollo y no ser menores de 60 cm. en todas las esquinas. En la Figura 4.3 se muestra un ejemplo de esto.
Figura 2 _ Refuerzo adicional en aberturas
Según diversos autores (Alcocer, 1995) resultados experimentales han demostrado que la disposición de los aceros de las armaduras de menor diámetro y por ende de menor separación mejoran la respuesta histerética de los muros, comparándola con barras de mayor diámetro y mayores separaciones.
