Definición e importancia de la configuración estructuralSe conoce como configuración estructural a la distribución y localización que se le dan a todos los elementos resistentes de una estructura, es decir, columnas, muros, losas, núcleos de escalera entre otros. Pero también se debe tomar en cuenta dentro de este concepto a todos los elementos no estructurales, como la disposición de la tabiquería, la geología del sector, clima, reglamentos de diseño urbano, como también su carga ocupacional.

La configuración estructural puede ser considerada como el aspecto más importante en todo el proyecto estructural. Ya que un sistema estructural bien seleccionado tiende a ser realmente indulgente de  los descuidos del análisis, un mediocre detallado o un pobre proceso constructivo.  Estas conclusiones se deducen de la experiencia obtenida en pasados eventos sísmicos, donde se muestra que los edificios bien estructurados y detallados han tenido un comportamiento satisfactorio, aun sin haber sido objeto de análisis y cálculos profundos.

Su importancia reside en que si el diseño arquitectónico no llega a complementarse con un óptimo y razonable criterio en el diseño estructural,  la estructura puede comportarse deficientemente ante un terremoto, a pesar de que se hayan realizado métodos de análisis complejos y muy detallados por parte del ingeniero.

El problema del diseño estructural reside en que es muy difícil enseñar “los criterios estructurales” ya que estos se originan de la intuición de un comportamiento eficiente de la  configuración estructural. Lo único que se puede explicar en libros y en las aulas son los fundamentos teóricos, requisitos específicos y en el mejor de los casos impartir las enseñanzas de experiencias pasadas. Para lograr una buena configuración estructural es importante la asimilación de los conocimientos teóricos, observar el comportamiento de las estructuras y tener en cuenta las causas por las cuales han colapsado las edificaciones.

Es por esto que una adecuada selección del sistema estructural, una razonable simetría en ambos sentidos, una buena selección del material y de los componentes no estructurales es de mayor importancia que cualquier técnica de análisis realizada.

Por los mencionados motivos se recomienda que desde la concepción del proyecto se trabaje de forma conjunta entre el arquitecto y el ingeniero estructural, entendiendo de qué manera las decisiones pueden afectar el comportamiento sismorresistente de la estructura a construir. De esta forma no habrá que buscar soluciones estructurales muy complicadas para resolver el problema producido a causa de concepciones arquitectónicas inadecuadas ni poner en riesgo innecesario la seguridad sísmica del proyecto.

Por esto, como ingenieros, no debemos dudar en proponer y exigir modificaciones al proyecto arquitectónico, para así evitar dar soluciones estructurales muy complejas que comprometan la seguridad de la estructura. Lo cual representa un desafío ya que generalmente el arquitecto tiende a proponer formas originales y atrevidas que en ciertos casos llegan a ser realmente peligrosas.Siempre recordar que no se puede hacer que un sistema estructural mal concebido se pueda comportar de manera satisfactoria ante un terremoto severo, sin importar el método de análisis seleccionado.

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GeneralidadesDesde el principio de la humanidad los terremotos son considerados como uno de los fenómenos más temidos de la naturaleza. Aún en la actualidad los terremotos nos toman desprevenidos, ya que suceden sin previo aviso y en pocos segundos pueden causar un nivel de destrucción solo comparable con las armas de destrucción masiva. Esta incertidumbre, unida con la sensación aterradora del movimiento del terreno, genera un gran miedo en la población.

Figura 1. Iglesia de Belén. Mérida, 1894 Figura 2. Iglesia de Milla. Mérida en 1894

Se puede constatar cuanto ha avanzado el diseño sismorresistente al comparar los daños ocasionados por los terremotos acontecidos en Haití y en Chile en 2010. Chile posee uno de los códigos sismorresistentes más rigurosos y además, como país, cuenta con el mayor porcentaje de sismólogos e ingenieros estructurales del mundo. A diferencia de Haití, que no está consciente de la amenaza sísmica que los rodea e inclusive no tiene una norma sismorresistente, tan sólo posee 2 edificios diseñados de esta forma, los cuales no colapsaron.

Figura 3 _ Puerto Príncipe, Haití, luego del terremoto de Enero 2010.

A pesar de que el terremoto de Chile fue cientos de veces más fuerte que el de Haití,  apenas provocó  la muerte de menos de mil personas, no es ni siquiera un 1% de la cantidad de muertos que hubo en Haití, que se estiman en más de 300.000 personas. Viéndolo desde el punto de vista estructural, luego del terremoto ocurrido en Chile en 1985, se construyeron casi 12.000 edificios, de los cuales, solo un 0,5% de edificios de menos de 9 pisos sufrió fallas, y para los edificios de más de 9 pisos, solo un 2,8% se vieron afectados. En Haití, más de un millón de viviendas quedaron destruidas.

El desempeño de las estructuras bajo las acciones sísmicas está sujeto a las condiciones del sitio, las características del terremoto y la propia estructura. Es muy común que un grupo de edificios que se encuentren en la misma área presenten niveles de daños distintos, pudiéndose considerar que recibieron el mismo movimiento del terreno.  Como se puede observar en la figura 5 donde luego del terremoto de Mexico en 1985,  un edificio colapsó teniendo al lado otros dos edificios idénticos.

Figura 4 _ Población de Teora, Italia, luego del terremoto de 1980 Figura 5 _ Derrumbe de edificio en Michoacán, México, 1985.

Aunque los terremotos no pueden ser prevenidos, gracias a los avances que ha tenido la ciencia moderna y la ingeniería, existen herramientas que pueden minimizar el impacto de estos ante la estructura. Gracias a todos los estudios que se han llevado a cabo en el último siglo, se pueden identificar, con una buena precisión, los puntos donde probablemente ocurran los próximos terremotos y una posible estimación de la fuerza con la que ocurrirá. El diseñar las estructuras con criterios sismorresistentes minimiza el riesgo ante todas las incertidumbres que están asociadas a los terremotos y los efectos que tendrá en la estructura.

El siguiente video se explica el origen de los terremotos,  el movimiento de las placas tectónicas y los efectos destructivos que producen los sismos

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GENERALIDADESEn la mayoría de las construcciones y especialmente en los edificios, se pueden identificar dos subsistemas estructurales sobre los que se pueden tomar decisiones independientes, relativas a la solución más conveniente, antes de analizar la estructura completa. Estos subsistemas son el horizontal, o de los sistemas de piso, y el vertical, o de los sistemas resistentes. A pesar de esta subdivisión, es importante tener en mente que el sistema estructural de la construcción es una sola unidad y que la interacción entre los diversos subsistemas no es en general despreciable.

Esta sección se enfoca en el estudio de los sistemas de piso, los cuales son conocidos en nuestro país con el nombre de Losas o Placas.

Las losas son los elementos estructurales encargados generalmente de recibir de forma directa las cargas de funcionamiento de una edificación, es decir, estas soportan el peso de las personas, objetos, materiales, maquinarias, etc., que estarán dando uso a la misma, y así trasmitirlo a los demás elementos estructurales que llevarán las cargas hasta el suelo de fundación.

Generalmente son considerados elementos bidimensionales debido a que tienen una dimensión mucho más pequeña que las otras dos. El ancho y el largo, de dimensiones parecidas, forman un plano perpendicular al espesor de dimensión mucho

Figura 1 _ Losa reticular. 

menor.

Las cargas que actúan sobre las losas son esencialmente perpendiculares a su plano principal, es por ello que su comportamiento está dominado por el efecto de flexión de dicho plano. Cumplen un papel muy importante en el desempeño antisísmico de la estructura, ya que se deben comportar como un diafragma rígido que no sufre deformaciones en las direcciones paralelas a su plano principal y une a todos los demás elementos en su mismo nivel de manera que se garantice que todos los elementos de un piso tendrán desplazamientos laterales de igual magnitud cuando la estructura sea atacada por un sismo. Figura 2 _ Losa prefabricada.

Las losas son el primer elemento a ser diseñado y calculado en la estructura y aportan la mayor parte del peso de la misma tanto por las cargas verticales que resisten como por su peso propio por lo que pequeñas diferencias en las dimensiones significan grandes diferencias en el peso.

Durante el proceso constructivo son el último elemento a ser construido por nivel, y la manera como se lleve a cabo su elaboración puede ser determinante en su posterior desempeño, razón por la que se debe ser muy cuidadoso en éste aspecto.

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GENERALIDADESLos 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.

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ESPESOR 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    de la distancia 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.

Si el muro soporta cargas concentradas (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 concentradas.

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).

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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 pórticos 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.