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¿Qué es el daño sísmico estructural?

El daño sísmico estructural es el que sufren las vigas, las columnas, las losas o las cimentaciones durante un sismo. Es decir, es el deterioro de aquellos elementos o componentes que forman parte del sistema resistente o estructural de la edificación. 

 

El nivel de daño estructural que sufrirá una edificación depende tanto del comportamiento global como del comportamiento local de la estructura. Está relacionado con los tipos y la calidad de los materiales que se utilizan, sus características, su configuración, el esquema resistente y con las cargas que actúan.  

 

Algunos problemas en el diseño de edificios tienen que ver con la configuración geométrica y estructural, esta última se refiere al tipo, disposición, fragmentación, resistencia y geometría de la edificación. Es decir, si el edificio se aleja de formas y esquemas estructurales simples hace que estas tengan un comportamiento inestable ante sismos. Además, resultan ser estructuras difíciles de modelar en la etapa de diseño y muchas veces presentan dificultades de construcción.

 

1.La configuración geométrica  

 

Este es un tema que debe ser tomado desde la etapa de diseño y comprendido por los ingenieros y los arquitectos, dado que tiene que ver con la distribución del espacio. Los principales problemas que se pueden presentar se relacionan con la longitud en planta, las plantas complejas y los escalonamientos en altura. 

 

  • Longitud en planta   

 

Si las estructuras son muy largas, la excitación que se da en un punto de ella será diferente de la que se produce en un punto ubicado en el otro extremo. Este efecto es muy difícil de cuantificar y de resolver en la etapa de diseño, lo anterior no aplica para el caso de edificios cortos, dado que este efecto no es tan significativo. Además, las plantas largas permiten que los efectos de torsión se manifiesten por los movimientos distintos en el terreno. Esto puede solucionarse al partir las plantas largas en bloques independientes si se dejan juntas constructivas, esto permitirá que cada bloque se mueva independientemente y el choque entre módulos debe ser evitado por la separación de la junta de construcción.

 

 

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Figura 1. Solución al problema de longitud en planta. 

  • Plantas complejas

 

Esta configuración es típica de plantas compuestas por alas de significativo que se orientan en distintas direcciones (por ejemplo en forma de X, H, o T). Esto provoca que se concentren esfuerzos entre el cuerpo principal y las alas, ya que estas trabajan como elementos empotrados en un cuerpo más rígido y propenso a sufrir menos deformaciones. La solución suele ser diseñar una junta constructiva entre las alas y el cuerpo central, que permiten que cada cuerpo se mueva sin estar atado al cuerpo principal.

 

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Figura 2. Ejemplos de plantas complejas.

  • Elevación 

 

Los escalonamientos en elevación se diseñan con el objetivo de resolver problemas de iluminación y de proporción, pero estos provocan un cambio abrupto en la rigidez y en la masa de los pisos, que propicia la concentración de esfuerzos producto de las acciones sísmicas. Son preferibles las transiciones suaves para evitar este fenómeno.

 

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Figura 3. Ejemplos de elevaciones complejas.

2. La configuración estructural 

 

Los sitios donde se concentran los mayores esfuerzos (intensidad de una fuerza) en las estructuras son las uniones y conexiones entre elementos estructurales, por ejemplo las conexiones viga-columna, y columna-cimiento. Estas zonas deben soportar las mayores fuerzas cortantes y momentos debidos a flexión y por ello su diseño debe realizarse cuidadosamente, en especial, verificando la distribución del acero de refuerzo en los nudos, o la cantidad y tipo de soldadura a utilizar si son elementos de acero, y además, contar con una adecuada inspección durante su construcción.   

 

Los principales problemas que se pueden presentar tienen que ver con: las altas concentraciones de masa en niveles superiores, columnas débiles, menor resistencia de columnas que vigas, pisos blandos o suaves, falta de confinamiento del concreto en columnas, falta de redundancia, flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso, la torsión entre pisos y el desplazamiento relativo entre pisos. 

 

  • Altas concentraciones de masa en niveles superiores 

 

Las fuerzas sísmicas son proporcionales a la masa, entonces si en un piso superior se concentran elementos como tanques de almacenamiento de agua, equipos, bodegas o archivos, las fuerzas sísmicas aumentan en ese nivel. Lo recomendable es colocar estos elementos pesados en el sótano o en sitios aledaños a la estructura principal.

 

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Figura 4. Efecto de las concentraciones de masa en niveles superiores.

  • Columnas débiles 

 

Las fuerzas sísmicas se distribuyen proporcionalmente a la rigidez y resistencia de los elementos estructurales verticales. Entonces, si la rigidez de las columnas o paredes que soportan la estructura sufre un cambio brusco ya sea por confinamiento de las paredes hasta cierta altura de los marcos, por desniveles del terreno, por nivel intermedio entre dos pisos, se concentrarán los esfuerzos y se acumulará energía en el piso más débil, dado que el nivel donde se interrumpen los elementos verticales es más flexible que los demás, lo que permite que se produzca un problema de estabilidad.

 

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Figura 5. Problema de columnas débiles.

  • Menor resistencia de columnas que vigas

 

Si las columnas tienen menor resistencia que las vigas, las primeras fallarán primero lo que provoca que la estructura se vuelva un  mecanismo y esta colapse. La falla puede ser reparada si se da en las vigas.

 

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Figura 6. Efecto de una menor resistencia en columnas que en las vigas.

  • Pisos blandos o suaves 

 

Son pisos donde los elementos estructurales verticales son interrumpidos, para ofrecer más espacio en ese piso o por razones arquitectónicas, generalmente en los niveles de acceso. Esto produce un debilitamiento de la rigidez de los elementos verticales en ese piso.

 

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Figura 7. Piso blando por interrupción de elementos.

  • Falta de confinamiento del concreto en columnas

 

Se produce cuando se utilizan pocos o ningún aro de confinamiento del concreto, por lo que el núcleo de los elementos sometidos a flexocompresión falla en forma explosiva.

 

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Figura 8. Esquema de falla por falta de confinamiento del concreto.

  • Falta de redundancia

 

Se debe buscar que la resistencia a fuerzas sísmicas dependa de varios elementos, puesto que si se cuenta con pocos elementos resistentes (falta de redundancia), la falla de uno de ellos provocará el colapso total o parcial de la estructura.

 

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Figura 9. Ejemplo sobre la falta de redundancia.

  • Flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso

La flexibilidad excesiva en el diafragma que forma el entrepiso produce deformaciones laterales no uniformes, que son perjudiciales para los elementos no estructurales adosados al diafragma. Son debidas a una relación muy grande largo/ancho (mayor que 5), y a aberturas creadas en el diafragma para efectos de iluminación, ventilación, que impiden que este funcione como un cuerpo rígido.

 

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Figura 10. Ejemplo sobre flexibilidad excesiva en el diafragma.

  • Torsión entre pisos

 

La torsión entre pisos se produce por la excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez en un piso, debido a que los elementos rígidos están colocados de manera asimétrica en un piso (ductos de elevadores), o a la colocación de grandes masas en forma asimétrica respecto al centro de masa. Generalmente se produce en edificios de esquina, debido a la gran rigidez que presentan los muros de colindancia, pero basta con que se excedan ciertos límites de excentricidad (una mala distribución de la rigidez lateral) para que se produzcan efectos negativos de la torsión.

 

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Figura 11. Ejemplos de arreglos estructurales que producen torsión.

  • Desplazamiento relativo entre pisos.

 

El desplazamiento relativo entre pisos (excesiva flexibilidad de los marcos) y dimensiones de juntas constructivas insuficientes, provoca daños en paredes de cerramiento por la excesiva flexibilidad de los marcos. Los desplazamientos laterales excesivos se deben a las grandes distancias entre los elementos de soporte (claros o luces), las alturas y las rigideces de los mismos. Se pueden tener como problemas: inestabilidad estructural y daños en elementos no estructurales adosados a niveles contiguos.

 

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Figura 12. Choque entre dos edificios que se mueven distinto.