Criterios de Estructuración de Edificios

Criterios de Estructuración de Edificios
Héctor Soto Rodríguez Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil Morelia, Mich. México Febrero de 2006 Revisión, elaboración del guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

CONTENIDO Introducción Sistemas estructurales Criterios de estructuración Condiciones de regularidad Problemas de comportamiento Estructuración de edificios Este capítulo entrega recomendaciones generales para estructurar edificios de acero, de modo de evitar comportamientos poco deseables en estas estructuras. El capítulo comienza con definiciones de los conceptos principales asociados a la estructuración. A continuación, se presentan los distintos sistemas estructurales disponibles en la actualidad, seguido de criterios generales que permiten obtener estructuras “sanas”. Las diferentes condiciones de regularidad estructural se presentan luego, junto con los problemas asociados a la falta de esta. Disposiciones de buena práctica en la estructuración de edificios en particular se discuten a continuación.

CONTENIDO Diseño con perfiles de acero Estructuración Columnas Vigas o trabes Vigas Secundarias Sistemas de piso Conexiones Detalles estructurales típicos Los puntos principales a considerar a la hora de diseñar con perfiles de acero se detallan en el punto 7, para finalmente entregar recomendaciones de estructuración más específicas a cada tipo de miembro estructural.

Resumen Establecer recomendaciones generales para lograr una estructuración eficiente en edificios de acero, especialmente en zonas de alto riesgo sísmico. El objetivo principal de este capítulo es entregar orientaciones para obtener edificios de acero que estén estructurados en forma adecuada. El proceso de estructuración involucra un proceso creativo que depende mucho de la experiencia del diseñador. Por lo tanto, en este capítulo se entregan recomendaciones generales de buena práctica, las que deben ser tomadas como una base para decidir a la hora de estructurar un edificio.

1. Introducción ESTRUCTURACION Etapa inicial del diseño estructural, mediante la cual se definen, con base en el proyecto arquitectónico, las dimensiones generales de una estructura, tanto en planta como en elevación (claros, alturas de entrepiso, etc.), y los tipos de perfiles utilizados en trabes y columnas para formar la estructura básica de la construcción La estructuración puede describirse en pocas palabras como el proceso de definir la forma de la estructura de una edificación, en términos de dimensiones, tipos de miembros estructurales y sistema de soporte de cargas.

1. Introducción Una edificación debe cumplir exigencias de:
ESTRUCTURACION Una edificación debe cumplir exigencias de: ESTABILIDAD RESISTENCIA RIGIDEZ FUNCIONALIDAD ECONOMÍA CONSTRUCTABILIDAD FORMA SIMBOLO MEDIO SOCIAL-ORGANIZATIVO Los criterios de diseño definen las exigencias sobre la estructura. Estas exigencias pueden ser de diferente carácter y deben ser compatibilizadas por el diseño final. Algunos de los requisitos que deben cumplir las edificaciones incluyen: Estabilidad: la estructura debe ser estable bajo las condiciones de solicitación máxima esperada, de forma de evitar el colapso. Resistencia: La estructura debe ser capaz de resistir las solicitaciones a que estará expuesta. Rigidez: La estructura debe mantenerse dentro de ciertos límites de deformación, normalmente por condiciones de servicio. Funcionalidad: La estructura debe cumplir con la función para la que fue diseñada. Economía: La estructura debe ser construida con el mínimo costo, sin descuidar la seguridad o funcionalidad. Constructabilidad: La estructura debe ser posible de construir con las técnicas existentes en el momento de su construcción. Forma: La forma puede definir el concepto arquitectónico de la estructura. La estructura debe ser capaz de soportar la forma con el mínimo de perturbación posible. Símbolo: Una edificación puede tener un significado más allá de su utilidad. Es el caso, por ejemplo de los edificios que compiten por ser los más altos del mundo, para simbolizar la supremacía de un país o grupo determinado. Medio social-organizativo: La edificación debe ser aceptada por la gente que va a utilizarla o moverse en su entorno.

2. Sistemas estructurales
TIPOS Marcos rígidos Marcos con contraventeos concéntricos Marcos con contraventeos excéntricos Marcos rígidos con muros de cortante, o Combinación de los sistemas anteriores La gran mayoría de las estructuras de edificios caen dentro de uno de los tipos aquí indicados. En las siguientes láminas se presentan los tipos de sistemas estructurales más típicos usados durante los últimos 100 años.

MARCO RIGIDO A-1 Construcción Remachada Estructuración simple (Finales del siglo XIX y principios del XX) Acero básico ASTM A7 Inicialmente, las conexiones entre miembros estructurales se realizaban usando remaches. El método de instalación de estos conectores, sin embargo, producía una gran variabilidad de la resistencia de la conexión y generaba detalles sensibles a fractura. A-2 Construcción Remachada Estructuración simple o patas de gallo (edificio típico de la década de los cuarenta) Acero básico ASTM A7

MARCO RIGIDO A- 3 Construcción Soldada Estructura a base de marcos rígidos en dos direcciones (edificio típico de mediados de la década de los cincuenta hasta fines de los sesenta) Acero básico ASTM A36 El proceso de soldadura significo un gran avance en la tecnología de la construcción en acero. Las vigas de armadura o alma abierta se utilizaban para permitir el paso de ductos de servicios. Si bien estas vigas son mas livianas, tienen una capacidad de carga menor que las vigas de alma llena y requieren que las columnas estén menos espaciadas.

MARCO RIGIDO A- 4 Construcción Soldada Estructura a base de marcos rígidos en dos direcciones (edificio típico de principios de la década de los ochenta hasta principios de los noventa) Acero básico ASTM A36 Esta fue la estructura típica hasta después del terremoto de Northridge (1994). Las alas de las vigas se conectaban directamente a las alas de las columnas a través de soldadura de penetración completa, mientras que el alma se conectaba usando una placa de corte soldada a la columna y a la viga. Debido a una combinación de factores de diseño, construcción y detallamiento, este tipo de estructuras desarrollaban fracturas importantes incluso para sismos de mediana intensidad, lo que origino una renovación del concepto de conexión soldada viga-columna. La losa de hormigón armado fue reemplazada por una losa de hormigón sobre una placa de acero corrugada, la que permitió mayor velocidad de construcción al ser autosoportante.

MARCO RIGIDO A- 5 Construcción Soldada o Atornillada Estructura a base de marcos rígidos en dos direcciones (edificio típico de la época actual con o sin diagonales de contraventeo concéntricos) Acero básico ASTM A36 Posterior al sismo de Northridge, se desarrollaron detalles soldados mas adecuados y se comenzó a privilegiar el uso de marcos contraventeados, los que sufren deformaciones más pequeñas que los marcos rígidos equivalentes. En edificios de mediana altura y altos, se recomienda el uso de contraventeos verticales para obtener estructuras más económicas (menos pesadas) y limitar los desplazamientos laterales.

MARCO RIGIDO En la búsqueda de un mejor aprovechamiento de los materiales y de una mayor resistencia a las altas temperaturas, se desarrollaron columnas compuestas donde el perfil de acero estaba embebido en hormigón, o bien el hormigón rellenaba un perfil tubular. Las conexiones en este tipo de estructuración representan la mayor complicación a la hora de obtener comportamiento dúctil del sistema estructural. A- 6 Construcción Compuesta Estructura a base de marcos rígidos en dos direcciones (edificio típico de principios de la época reciente) Acero básico ASTM A36 y acero de alta resistencia

MARCO MIXTO Así como se buscó el uso de materiales compuestos, también se ha explorado la utilización de sistemas mixtos. En este ejemplo, el muro provee la mayor parte de la rigidez lateral del sistema en los primeros pisos, mientras que el marco rígido hace lo suyo en los pisos superiores. De esta forma se obtiene estructuras con miembros mas livianos en los pisos inferiores. Además, se aumenta la seguridad estructural ya que si falla el marco rígido, todavía esta el muro y viceversa. A-7 Combinación de Sistemas Estructurales

MARCO MIXTO Otro tipo de sistema mixto es el que combina marcos contraventeados con muros de albañilería. A-8 Combinación de Sistemas Estructurales

MARCO CONTRAVENTEADO Nuevos sistemas estructurales aparecieron también después de Northridge. Entre ellos, los marcos con contraventeos excéntricos, donde el segmento corto de viga que queda entre el extremo del contraventeo y la columna o entre los dos contraventeos hace las veces de fusible, limitando el daño de los otros miembros estructurales. Además, el mecanismo de falla de este segmento es muy dúctil, con lo que el desempeño de la estructura mejora. A- 9 Construcción Hacia el 2000 Estructura a base de marcos rígidos en dos direcciones, contraventeos excéntricos Acero básico ASTM A36 y acero de alta resistencia

MARCO CONTRAVENTEADO En las últimas décadas se ha producido un nuevo cambio de enfoque del diseño. Este nuevo enfoque apunta a diseñar estructuras que restrinjan el daño a elementos de reemplazo simple y que cuenten con dispositivos que disminuyan la respuesta estructural ante solicitaciones sísmicas o de viento. Es así como han surgido dispositivos activos y pasivos de aislación sísmica, de disipación adicional de energía y de modificación de la respuesta en general. A- 10 Construcción Después del 2000 Estructura a base de marcos rígidos en dos direcciones, con aisladores de base o disipadores de energía y aceros de alta resistencia.

PREFERENCIA DE MATERIALES SELECCIÓN DEL MATERIAL DE ACUERDO CON LA ALTURA DE UNA EDIFICACIÓN BAJA MEDIA ALTA Acero y mampostería Concreto reforzado Acero Concreto de alta resistencia Concreto presforzado Concreto prefabricado Estructura mixta de acero y concreto Concreto postensado Mampostería NOTAS: Altura baja: entre 1 y 5 niveles Altura media: entre 5 y 20 niveles Edificio alto: más de 20 niveles En esta lámina se entrega recomendaciones, considerando criterios universalmente aceptados, de los materiales más adecuados para construir de acuerdo a la altura del edificio. Se puede observar que el acero es una opción para cualquier altura.

3. Criterios de estructuración
GENERALES Estructura debe ser económica, confiable y responder a las condiciones que sirvieron de base para su análisis y diseño. Sistema estructural elegido debe ser congruente con el tipo de suelo y zona sísmica. Los criterios de estructuración no aparecen en los códigos de construcción, en éstos documentos únicamente se establecen recomendaciones generales para garantizar que una estructura tenga una seguridad estructural razonable dentro de ciertos límites. Los criterios de estructuración para edificios de acero son similares que para estructuras construidas con otros materiales. Estos criterios dependen del criterio del proyectista y el diseño definitivo puede variar. Se debe tener mucho cuidado en esta etapa, ya que errores inducidos en la estructuración de la estructura difícilmente pueden ser corregidos después en las etapas de análisis y diseño.

GENERALES La estructura debe ser capaz de adaptarse a cambios arquitectónicos o funcionales, los que son inevitables durante el desarrollo del proyecto. Pocas veces el proyecto arquitectónico se respeta, por lo que se recomienda orientar al arquitecto para evitar cambios en la estructura, una vez definido el proyecto definitivo. La figura muestra un edificio cuyo proyecto arquitectónico está incompleto o indefinido, lo que puede ocasionar cambios en la obra y aumentar su costo.

GENERALES Precauciones especiales: estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad suelos de baja capacidad de carga zonas de vientos fuertes (costas) zonas propensas a la corrosión sitios donde se tengan incertidumbres con relación a las acciones. Si bien siempre se debe ser cuidadoso en la estructuración elegida, deben tomarse precauciones adicionales cuando hay circunstancias especiales con respecto a las solicitaciones o las condiciones locales, como los casos indicados aquí.

GENERALES Tomar en cuenta consideraciones de resistencia y de deformación. Millennium Bridge, Londres Tacoma Narrows Bridge, Tacoma La estructura de acero puede ser demasiado flexible, aún cuando éste bien diseñada. Las vibraciones y deflexiones un poco mayores que las permisibles, no afectan su capacidad de carga, sin embargo pueden impedir que la edificación cumpla con el desempeño esperado bajo condiciones de servicio (Millennium Bridge) o en casos extremos causar el colapso de la estructura por deformaciones excesivas o vibraciones en resonancia (Tacoma Narrows).

4. Condiciones de regularidad
DEFINICION Las condiciones de regularidad son requisitos geométricos y estructurales que deben cumplir las edificaciones, independientemente del material con que estén construidas. Un aspecto común a estructuras de cualquier material, y que debe constituir el principio fundamental del proyecto estructural es el que se refiere a la forma general de las edificaciones, principalmente cuando se trata de edificios de mediana altura y altos. Las experiencias derivadas de los últimos sismos fuertes ocurridos alrededor del mundo (Santiago de Chile, 1985; Ciudad de México, 1985; Northridge, Cal., 1994; Kobe, Japón, 1995; Estambul, Turquía; Atenas, Grecia; Taiwán; Colima, México; Irán; etc.) han recalcado el buen comportamiento de las edificaciones simétricas y regulares: en geometría (elevación y planta), en distribución de masas, en rigideces y en resistencia.

CONSECUENCIAS Daños se concentran en estructuras irregulares, esbeltas y con cambios bruscos en rigidez y/o resistencia. Se ha observado que los daños se concentran en estructuras atrevidamente irregulares, esbeltas y con cambios bruscos en rigidez y/o resistencia.

RECOMENDACIONES Es deseable que la estructura cumpla los requisitos de regularidad estipulados en las normas antisísmicas Planta y elevaciones regulares. Evitar: Pisos débiles Cambios bruscos de rigidez Cambios bruscos de simetría en elementos rígidos tanto en planta y elevación Grandes entrantes y salientes La mayoría de los códigos de construcción en el mundo incluyen disposiciones relativas a las condiciones de regularidad. En caso de incumplimiento, dichas estructuras deben ser diseñadas con fuerzas sísmicas mayores para que tengan un nivel de seguridad adecuado contra alguna probable falla estructural. Como consecuencia, las estructuras irregulares tienen un mayor costo asociado, ya que necesitan secciones más robustas. Es recomendable, entonces, cumplir con las recomendaciones de los códigos y evitar que existan irregularidades en planta o en elevación. Con estas recomendaciones la estructura “tendrá un comportamiento adecuado durante sismos fuertes”.

5. Problemas de comportamiento
FACTORES Causas de problemas de comportamiento: Configuración en planta Asimetría en planta Configuración en altura Discontinuidad de elementos verticales Concentraciones de masa en pisos Interacción entre elementos estructurales y no estructurales Inadecuada distancia entre edificaciones adyacentes Existen problemas de comportamiento asociados con el no cumplimiento de cada uno de los requisitos de regularidad estipulados previamente por parte de la estructura. También hay problemas de comportamiento asociados a aspectos constructivos que deben preverse en la estructuración y el posterior desarrollo del proyecto. En esta sección se presentan ejemplos de cada una de estas fuentes de estructuración inadecuada, los problemas de comportamiento típicos asociados con ellas y posibles soluciones para evitar estos problemas.

CONFIGURACION EN PLANTA Formas en planta como las mostradas tienen una rigidez y resistencia a la torsión muy limitada, por lo que cualquier excentricidad que genere torsión en planta puede desencadenar fallas por sobrecarga de los elementos estructurales debido a los esfuerzos adicionales asociados. Esta torsión puede ser causada por: tolerancias de construcción, las que generan excentricidades accidentales; falla prematura de un elemento, lo que desplaza el centro de rigidez; diferencia de posición del centro de rigidez con respecto al centro de corte, como en el caso de las dos plantas de más a la derecha; etc. Adicionalmente, se pueden generar concentraciones de esfuerzo en los puntos de intersección de los elementos que conforman la planta. Irregularidad en planta

CONFIGURACION EN PLANTA La figura muestra un ejemplo de una edificación con disposición en planta en forma de I o H. Planta irregular

RECOMENDACIONES Los problemas asociados con una distribución en planta inadecuada se pueden resolver dividiendo el edificio en componentes independientes y usando juntas de expansión o juntas sísmicas entre los distintos cuerpos resultantes. Uso de juntas sísmicas para diseños estructurales con configuración de planta compleja

RECOMENDACIONES El uso adecuado de juntas de dilatación sísmica, permite concebir edificaciones con configuraciones en planta complejas. Juntas Sísmicas La figura muestra un junta sísmica en un edificio. Estas juntas pueden ser disimuladas para evitar que se vean, si es que el proyecto arquitectónico así lo requiere. Además, es importante que los elementos no estructurales también respeten la junta, para, por un lado, evitar la falla de estos elementos y el consiguiente peligro para los ocupantes del edificio, y por otro, si estos elementos son muy rígidos, evitar la interacción que puedan generar entre los cuerpos del edificio. Los elementos arquitectónicos deben respetar las juntas sísmicas

ASIMETRIA Otra causa de torsión en planta es la excentricidad entre el centro de gravedad de la planta y el centro de rigidez originado por una disposición asimétrica de los elementos resistentes en planta, como se muestra en la figura. Asimetría, debido a disposición de elementos resistentes

EFECTO DE EXCENTRICIDAD La torsión generada por la excentricidad hace que los miembros estructurales más alejados se vean sometidos a esfuerzos mayores, los cuales pueden causar la falla de estos miembros. La figura muestra un edificio cuyo centro de rigidez estaba desplazado hacia la caja de escalas de la esquina posterior derecha, lo que causó que el muro en el lado más cercano fallara al estar sometido a fuerzas cortantes más grandes que para las que fue diseñado. Cuando existe excentricidad, los daños se presentan en los elementos de los extremos

IRREGULARIDAD EN ELEVACION Otra fuente de problemas de comportamiento lo constituye la irregularidad en altura. La figura muestra casos de irregularidad en altura ocasionados por cambios en la geometría de la edificación. Estas irregularidades pueden llevar a la concentración de esfuerzos en pisos específicos, los que pueden fallar ocasionando el colapso parcial o total de la edificación. Irregularidad en altura: Cambio abrupto en la geometría

CONCENTRACION DE MASAS Así como la geometría puede variar, también pueden producirse concentración de masas en algunos pisos, como efecto del uso de esos pisos. Un ejemplo es la utilización de pisos para almacenamiento en un edificio, o la ubicación de grandes masas de agua en los pisos superiores, tales como estanques o piscinas. Irregularidad en altura: Cambio abrupto en la masa.

CONCENTRACION DE MASAS La figura muestra la falla de un edificio debido a concentraciones de masa. En particular se puede observar el colapso de uno de los estanques ubicados en el techo. Concentraciones de masa en altura aumentan la vulnerabilidad de las estructuras frente a sismos

DE RIGIDEZ Otra posibilidad de irregularidad en altura la constituyen los cambios de rigidez entre pisos. La figura muestra tres casos más o menos frecuentes: un primer nivel de doble altura, muy común en hoteles, en la izquierda; un piso intermedio de mayor altura en el medio; y la transformación de un muro lleno en dos muros de menor tamaño con una abertura en el primer nivel, a la derecha. Irregularidad en altura: Cambio abrupto en la rigidez.

DISCONTINUIDADES Problemas similares ocurren por interrupción de miembros estructurales, cuya carga debe ser transferida a otros elementos, generando puntos de concentración de esfuerzos y sobrecarga en aquellos elementos que no se descontinúan. Discontinuidad en elementos y flujo de fuerzas

DISCONTINUIDADES La figura muestra los efectos de una discontinuidad donde el muro de los pisos superiores desaparece para convertirse en pilares mucho menos rígidos y resistentes. Esto lleva al colapso de estos pilares, los que arrastran el muro al perder este sus puntos de apoyo. Antes Después La discontinuidad de elementos verticales aumenta la vulnerabilidad de las estructuras frente a sismos

PISOS DEBILES Las irregularidades en altura pueden generar la formación de pisos débiles. Estos pisos débiles poseen una menor rigidez y resistencia y, por tanto, el daño y la deformación se concentran en ellos, generando la falla o incluso colapsos parciales o totales de estructuras. Piso débil

PISOS DEBILES La figura muestra la falla debido a la formación de un piso débil en el primer piso del edificio, debido a la discontinuidad de muros en este piso. Piso débil producto de la discontinuidad de muros en el primer piso

DISCONTINUIDADES RECOMENDACIONES Para minimizar las discontinuidades en altura y la aparición de pisos débiles, se recomienda: Evitar concentraciones de masa en pisos determinados. Usar estructuraciones continuas en altura, como las mostradas en la figura, que eviten cambios bruscos de rigidez entre pisos. Proyectar, siempre que sea posible, estructuras continuas en altura en dos direcciones ortogonales para otorgar continuidad y redundancia a la estructura.

INTERACCION Uno de los problemas asociados a aspectos constructivos tiene que ver con la interacción entre elementos estructurales y no estructurales. Esta interacción puede originar fallas en ambos tipos de elementos. La interacción entre elementos estructurales y no estructurales, puede causar daños de consideración

INTERACCION La figura muestra el vaciamiento de tabiquería de ladrillos debido a la interacción de esta con las columnas y vigas de la estructura. Si bien esta falla no causa la falla de la estructura, puede provocar daños considerables al contenido de los edificios y representar un peligro para la integridad física de las personas en su interior. Daños producidos por la interacción de elementos estructurales y no estructurales

INTERACCION También puede ocurrir que la interacción entre elementos estructurales y no estructurales resulte en la falla de los primeros. La figura muestra una falla por columna corta que ocurre debido a que el muro de albañilería de altura parcial restringe la deformación de la columna de hormigón. Esto hace que se generen momentos más grandes que los esperados en el segmento libre de la columna, además de una mayor predominancia del efecto del cortante, lo que genera la falla prematura de la columna. Interacción de muros de albañilería con marco de concreto generando fallas por columnas corta

COLUMNA CORTA Las columnas cortas pueden y deben ser evitadas. La figura muestra el caso de una falla por columna corta.

INTERACCION RECOMENDACIONES La figura ilustra en los pisos inferiores la condición en que elementos estructurales y no estructurales están unidos y pueden interactuar, mientras en el piso superior se muestra una posible solución para desacoplar los tabiques de albañilería de la estructura usando juntas de dilatación. Los topes en el borde superior del tabique evitan que este se cimbre fuera del plano como un voladizo, disminuyendo los momentos flectores a que está sometido. Interacción entre elementos estructurales y no estructurales

GOLPETEO Otro comportamiento indeseable tiene que ver con el choque entre edificios vecinos. La figura muestra el colapso de los pisos superiores del edificio de la izquierda debido al impacto de este con el edificio a su lado. El choque entre edificios vecinos compromete su estabilidad

GOLPETEO RECOMENDACIONES Refuerzo de pisos críticos La figura (a) muestra una situación similar a la de los edificios en la lámina anterior. Para prevenir el problema de choque entre edificios vecinos existen dos soluciones posibles: 1. Proveer una separación adecuada entre edificios que considere los desplazamientos máximos que puede tener cada estructura. Esto sólo es posible si se trata de nuevas construcciones. 2. Rigidizar los edificios en los niveles críticos para disminuir los desplazamientos en esos pisos. Esto debe hacerse con mucho cuidado, ya que se debe evitar crear una irregularidad en altura. Zona de choque entre edificios y formas de prevenirlo

GOLPETEO RECOMENDACIONES Una adecuada separación entre edificios, evita el choque y el colapso. La foto muestra el caso de una adecuada separación entre edificios. Ambos edificios han mantenido su integridad estructural después del evento.

6. Estructuración de edificios
RECOMENDACIONES GENERALES Poco peso. Sencillez, simetría y regularidad en planta. Plantas poco alargadas. Uniformidad en la distribución de resistencia, rigidez y ductilidad en elevación. Hiperestaticidad y líneas escalonadas de defensa estructural. Anteriormente entregamos recomendaciones para estructuración en general. Aquí se entregan recomendaciones aplicables en particular a la estructuración de edificios. Poco peso: en general, menor peso significa menores fuerzas inerciales, por lo que una estructura más liviana será menos solicitada ante terremotos. Sin embargo, si el menor peso se logra usando miembros estructurales más pequeños, se pueden producir problemas de excesiva deformación a nivel de servicio ante cargas de viento y sismos frecuentes. Sencillez, simetría y regularidad en planta: la idea es evitar excentricidades en planta, para evitar la torsión y sus indeseables efectos. Plantas poco alargadas: a mayor largo o ancho la magnitud de la posible excentricidad accidental aumenta y la rigidez torsional de la planta disminuye, por lo que un edificio con plantas alargadas es más vulnerable a la torsión. Uniformidad en altura: la uniformidad está relacionada con la forma de la solicitación lateral. Esta recomendación apunta a evitar la formación de pisos débiles en un edificio. Hiperestaticidad y líneas escalonadas de defensa estructural: proveen mayor seguridad de la estructura ante fallas de algunos de sus miembros estructurales.

6. Estructuración de edificios
RECOMENDACIONES GENERALES Formación de articulaciones plásticas en miembros horizontales antes que en los verticales para sismos excepcionales. Propiedades dinámicas de la estructura adecuadas al terreno. Formación de articulaciones plásticas en miembros horizontales antes que en los verticales para sismos excepcionales: es lo que se conoce comúnmente como criterio de viga débil-columna fuerte. La formación de articulaciones plásticas en miembros verticales (columnas) puede llevar a la formación de pisos débiles. Propiedades dinámicas de la estructura adecuadas al terreno: si las frecuencias de vibración del edificio son muy cercanas a las del suelo, se puede producir resonancia con efectos catastróficos para la estructura.

7. Diseño con perfiles de acero
VENTAJAS Acceso a una gran variedad de perfiles laminados o soldados en el medio Alta capacidad de material para soportar cargas Ductilidad intrínseca del acero Rapidez constructiva La estructuración en acero provee varias ventajas, entre las cuales se puede destacar: Variedad de secciones estructurales: permite una mayor libertad en la selección de miembros. Alta resistencia: permite utilizar elementos más livianos Ductilidad: provee una mayor capacidad de deformación inelástica Rapidez constructiva: debido a la variedad de secciones y la forma de conectar miembros estructurales, la construcción en acero es mayormente ensamblaje, por lo que avanza mucho más rápido que la construcción en otros materiales.

VENTAJAS Grandes espacios libres entre columnas Estructuras más ligeras comparadas con las estructuras de concreto. Facilidad en la remodelación o ampliación La alta resistencia del acero permite tener espacios libres mayores entre columnas. Esta misma alta resistencia permite obtener estructuras más livianas que una similar de concreto. El tipo de conectividad entre miembros de acero permite ampliar o remodelar con mayor facilidad que estructuras de concreto.

RECOMENDACIONES Utilizar distancia entre elementos verticales estándar de acuerdo a la práctica del país. Aprovechar los espacios arquitectónicos para los sistemas resistentes a fuerzas laterales Muros resistentes a los esfuerzos cortantes. Elementos en X ó Λ. Pórticos rígidos que ofrecen espacios abiertos. Evitar el uso de secciones que no son de fabricación común. Estas son algunas recomendaciones para maximizar las ventajas de estructurar en acero: Usar distancia entre columnas estándar: normalmente 9 metros es un valor óptimo, sin embargo, debe adaptarse a la realidad de los diferentes países y proyectos. Ubicar muros de cortante y arriostramientos en lugares donde no interfieran con la arquitectura. Como alternativa, los marcos rígidos ofrecen amplios espacios abiertos sin interferencia. Salvo que el tamaño del proyecto lo justifique, es mejor utilizar secciones disponibles en el mercado y evitar la fabricación de secciones especiales.

RECOMENDACIONES Diseñar los elementos horizontales para acción compuesta haciendo uso del concreto para soportar las cargas sobrepuestas. Repetir, repetir, repetir haciendo uso de elementos idénticos Beneficios Reduce el costo de fabricación Reduce el número de errores inherentes por mano de obra Cuando sea posible, aprovechar la sección compuesta formada por la viga de acero y la losa colaborante para resistir las sobrecargas de uso. Tratar de lograr un diseño modular con repetición de tamaños de elementos. El costo del material adicional se recupera con creces con el menor costo de construcción y la minimización de la ocurrencia de errores en el montaje.

RECOMENDACIONES Disminuir la complejidad del control de construcción: Reducir la soldadura en obra Aumentar el uso de conexiones atornilladas. No hay necesidad de andamios ni cimbras Simplificar los detalles de conexiones evitando al máximo las soldaduras en obra, las que generalmente no son de la calidad de las ejecutadas en maestranza. Esto además simplifica el proceso de montaje e la estructura y disminuye la cantidad de andamiaje requerido.

8. Estructuración OBJETIVOS Lograr un nivel de seguridad adecuado contra fallas estructurales causadas por sismos fuertes y Lograr un comportamiento estructural aceptable en condiciones normales de operación durante su vida útil. Con toda la información que se ha entregado hasta este punto, es posible ahora entrar en los detalles de la estructuración de edificios en acero. La estructuración tiene dos objetivos principales: Lograr un nivel de confiabilidad estructural contra la falla de la estructura adecuado para proteger la vida de los ocupantes del edificio, en el caso de sismos severos. Lograr un comportamiento estructural que no interfiera con las condiciones de servicio del edificio para sismos frecuentes y condiciones normales de operación.

8. Estructuración RESPONSABILIDAD Evitar pérdidas de vidas humanas y lesiones a seres humanos durante la ocurrencia de un sismo fuerte. Impedir, durante un sismo fuerte, daños severos en la estructura y en los elementos no estructurales (muros divisorios, pretiles, escaleras, plafones, etc.) Lograr que después de un sismo fuerte, sigan funcionando las edificaciones estratégicas (hospitales, estaciones de bomberos, refugios, albergues, oficinas de gobierno, etc.) para atender el evento. Asociado con estos dos objetivos principales, la responsabilidad principal del diseñador es: Evitar poner en riesgo a los ocupantes del edificio durante un sismo severo. Esto significa: Evitar daños severos a elementos estructurales y no estructurales cuya falla pudiera afectar a las personas en el edificio. Diseñar las instalaciones vitales para que inmediatamente después de un sismo severo están en pleno funcionamiento para poder atender la emergencia.

8.1. Columnas RECOMENDACIONES
A continuación, entramos más en el detalle de estructuración para cada miembro estructural. Empezaremos con la columnas. La separación más conveniente entre columnas de edificios ordinarios varía de 9 a 12 m. En este rango el acero resulta la solución óptima. Dentro de lo posible, se debe tratar de tomar ventaja de esto durante la estructuración. La estructura de acero suele ser competitiva cuando se usa para salvar grandes claros.

8.1. Columnas RECOMENDACIONES Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados preferentemente robustos (similar altura y ancho de ala, espesores de alma y ala comparables). Para elementos principalmente en compresión, evaluar uso de secciones compuestas. Es recomendable utilizar perfiles comerciales que estén disponibles en el medio. Se privilegia el uso de perfiles W o I robustos debido a su buen desempeño en flexo-compresión, que es el estado de carga más frecuente en columnas, así como por su facilidad de fabricación. Si la columna está principalmente comprimida y tiene una longitud importante, la solución con perfiles W o I puede resultar en miembros muy grandes y pesados donde el área no se aprovecha en forma eficiente. En estas condiciones, puede ser más económico utilizar secciones compuestas formadas por perfiles unidos por placas o ángulos intermitentes. Se debe evaluar, eso sí, el costo de fabricación de estos elementos versus el costo del acero extra requerido por el perfil W.

8.2. Vigas o trabes RECOMENDACIONES Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados, con mayor área en las alas. Evitar siempre que sea posible empalmes entre vigas principales. Usar el mismo tipo de acero que en las columnas. Revisar deflexiones y vibraciones. Las vigas son los elementos horizontales de los sistemas de resistencia ante fuerzas laterales. Con respecto a las vigas, también se recomienda utilizar perfiles comerciales que estén disponibles en el medio. En este caso, los perfiles utilizados deben maximizar la inercia y el momento plástico, lo que se logra concentrando el área de la sección en las alas. La mayoría de las vigas son fabricadas en largos suficientes para cubrir distancias normales entre columnas. Se recomienda evitar empalmes debido al mayor costo de fabricación que representan y la introducción de mecanismos de falla adicionales asociados a dicha conexión. La recomendación de utilizar la misma calidad de acero en vigas y columnas intenta evitar posibles errores de construcción donde una sección de viga se utiliza como columna, propiciando la falla prematura de esta columna y la formación de un piso débil. En marcos rígidos es común que la viga quede dimensionada por requisitos de deformación más que resistencia. Si el diseño considera solo resistencia, es posible que la viga resultante sea muy esbelta, con los consiguientes problemas de deflexión excesiva y vibraciones.

Mecanismo con daño en vigas
8.2. Vigas o trabes RECOMENDACIONES Proporcionar menor resistencia que la columna a la que se une (columna fuerte-viga débil). Las normas sísmicas modernas privilegian una estructuración que asegure un mecanismo de falla “viga débil-columna fuerte”, es decir, que en la intersección de vigas y columnas se produzcan las articulaciones plásticas en los extremos de las vigas y no en las columnas. Este es un mecanismo global de falla que tiene una capacidad mucho mayor que el mecanismo local de falla de piso débil que resulta de aplicar un criterio de “viga fuerte-columna débil”. Mecanismo con daño en vigas (recomendado)

8.2. Vigas o trabes RECOMENDACIONES
En términos del detallamiento de vigas, se recomienda privilegiar el diseño basado en la flexión y reforzar los lugares donde hay acciones concentradas, como los puntos de apoyo y de aplicación de carga, usando atiesadores del alma. Colocar atiesadores cerca de las uniones o en puntos de aplicación de cargas concentradas

Colocar atiesadores en ambos lados del alma de la viga
8.2. Vigas o trabes RECOMENDACIONES Cuando estos atiesadores son requeridos, se recomienda ponerlos en ambos lados del alma de la viga para evitar distribuciones de esfuerzos asimétricas que pueden causar una falla local prematura. Cortesía: VAMISA Colocar atiesadores en ambos lados del alma de la viga

8.3. Vigas secundarias RECOMENDACIONES Viga secundaria Viga principal
En sistemas de piso compuestos, las vigas secundarias distribuyen la carga de las losas a las vigas principales. Además, proporcionan soporte lateral a las vigas principales, evitando con ello el pandeo lateral de éstas. Cortesía: VAMISA

8.3. Vigas secundarias RECOMENDACIONES Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados, secciones armadas en canal, vigas armadas a base de ángulos de lados iguales. Utilizar diseño compuesto. El patín superior siempre está sometido a compresión. Revisar deflexiones y vibraciones. Cuidar los empalmes entre vigas. Las secciones utilizadas comúnmente como vigas secundarias son perfiles laminados tipo W o soldados tipo I, secciones canal (usadas como largueros), secciones I armadas a partir de dos canales y vigas armadas. Las vigas secundarias actúan como vigas simplemente apoyadas, por lo tanto es recomendable aprovechar la capacidad adicional provista por la losa encima del ala superior que está siempre comprimida, lo que permite usar secciones más pequeñas. Sin embargo, se debe considerar los requisitos de deflexión y vibración máxima, los que limitan el tamaño más pequeño de viga que se puede utilizar. Las vigas secundarias son elementos que no tienen ningún grado de redundancia, por lo tanto es importante diseñar cuidadosamente las conexiones entre estos elementos y las vigas primarias, y, si es que existen, los empalmes entre vigas secundarias.

Vigas de alma perforada (prefabricadas comercialmente).
8.3. Vigas secundarias RECOMENDACIONES Dependiendo de los requisitos constructivos, en ocasiones se utilizan vigas de alma perforada. Estos elementos permiten el paso de los ductos a través del alma y son muy útiles cuando existen limitaciones de altura. Es recomendable revisar si es necesario reforzar las aberturas debido a las condiciones de carga. Vigas de alma perforada (prefabricadas comercialmente).

Vigas de alma abierta tipo joist (armaduras prefabricadas)
8.3. Vigas secundarias RECOMENDACIONES Otro tipo de elementos que se utilizan como vigas secundarias son las vigas tipo joist o de alma enrejada. Su inconveniente es su baja capacidad de carga, lo que obliga a colocar un gran número de joist con separaciones reducidas. Cuando se emplean perfiles tipo W, las separaciones convenientes varían de 2.2 a 4 m y sus claros son similares a los de las vigas principales. Cortesía: VAMISA Vigas de alma abierta tipo joist (armaduras prefabricadas)

Repetir piezas idénticas para facilitar la fabricación
8.3. Vigas secundarias RECOMENDACIONES En sistemas de piso de edificios convencionales, es recomendable repetir perfiles para reducir errores y costo de fabricación. En este tipo de edificios, la carga de diseño en niveles intermedios es la misma por lo que la repetición de perfiles de un piso a otro es un resultado natural. Repetir piezas idénticas para facilitar la fabricación

Sistema de piso compuesto a base de vigas en flexión
8.4. Sistemas de piso RECOMENDACIONES La figura muestra los componentes principales de un sistema de piso. Los sistemas de piso consisten en láminas de acero acanaladas calibre 22 o 24, malla electrosoldada, pernos conectores de cortante y capa de concreto. Se puede ver también la viga que soporta la losa y los conectores de cortante que se requieren para hacer actuar la viga y la losa como una sola sección compuesta. Donde sea posible, se recomienda usar diseño compuesto. Conviene colocar conectores de cortante, aunque las vigas no se diseñen como secciones compuestas. Sin embargo, no se deben colocar en regiones de alta demanda de deformación inelástica, como los extremos de las vigas principales, donde pueden ser generadores de fracturas prematuras de los miembros estructurales. Se reitera la necesidad de revisar las deflexiones y vibración del sistema de piso. Sistema de piso compuesto a base de vigas en flexión

8.5. Conexiones INTRODUCCION Uno de los aspectos más importantes en el diseño de un edificio de acero es el criterio adoptado en la solución de las uniones entre los diversos miembros estructurales. Tipos: Simple Rígida Semi-rígida Las conexiones son muy importantes en estructuras de acero. Normalmente, la falla de una conexión significa el colapso de un elemento estructural lo que puede llevar incluso al colapso de parte o toda la estructura. Por lo tanto, el detallamiento y la concepción de las conexiones merece una atención especial. Podemos clasificar las conexiones en tres tipos: Simples: transmiten solo cortante Rígidas: Transmiten cortante y momento. La capacidad es mayor que el mayor momento que se desarrolle en la conexión y la rigidez es muy alta, de modo que la rotación del extremo de la viga es similar a la del nudo. Semi-rígidas: similares a las rígidas, pero con una capacidad menor, de forma que las deformaciones inelásticas se concentren en la conexión. Deben poseer una ductilidad significativa.

8.5. Conexiones EVITAR LA FALLA DE LA CONEXION.
RECOMENDACIONES EVITAR LA FALLA DE LA CONEXION. Diseñar considerando modos de falla y eligiendo cual será el modo de falla dominante. Usar detalles de conexión sencillos. Evitar soldadura en obra. Existen algunas recomendaciones generales que se pueden seguir al diseñar conexiones: La recomendación principal en el caso de las conexiones es evitar a toda costa la falla de la conexión. En el caso de conexiones rígidas y simples, se debe proveer suficiente capacidad para que la falla se produzca en el miembro estructural y no en la conexión. En el caso de las conexiones semi-rígidas, se debe proveer suficiente capacidad de deformación a la conexión para prevenir la falla. Incluso si la conexión está diseñada para tener mayor capacidad que la requerida, es importante identificar todos los posibles modos de falla y propiciar aquellos modos que tienen más ductilidad. De este modo, si se produce una sobredemanda la conexión no fallará. En lo posible, se recomienda utilizar detalles de conexión sencillos desde el punto de vista de la construcción y del camino que sigan los esfuerzos a través de ésta. Así se minimizan los problemas asociados a la materialización de una conexión muy complicada en terreno. Se recomienda aumentar el empleo de soldadura en taller y reducirla en obra. Las conexiones atornilladas presentan mejores ventajas cuando se emplean en obra.

Conexiones típicas a columna W
DETALLES TIPICOS La figura muestra esquemáticamente distintos tipos de conexiones utilizadas para unir vigas y arriostramientos a columnas W. La forma abierta de las secciones tipo W, utilizadas como columnas, facilita las conexiones con las vigas, ya que se tiene acceso para depositar la soldadura, e instalar los pernos y los elementos de unión por varios lados. Conexiones típicas a columna W

Conexiones continuas viga-columna
DETALLES TIPICOS Las secciones tipo cajón empleadas como columnas, dificultan las conexiones con las vigas que unen, por su sección cerrada. Se deben colocar placas de continuidad (atiesadores horizontales) en la columna en conexiones a momento para evitar fallas por punzonamiento o desgarramiento de la pared del tubo. La figura muestra un detalle donde los atiesadores son externos al tubo. Este detalle proporciona una mayor rigidez a la conexión continua de viga a columna. Conexiones continuas viga-columna Atiesadores externos al tubo

DETALLES TIPICOS En esta conexión las placas atraviesan la columna para una continuidad total sin afectar las paredes de la columna. Las vigas llegan a las placas. Los extremos de las ménsulas están perforados para la conexión atornillada de las vigas Conexiones continuas viga-columna Atiesadores continuos

DETALLES TIPICOS Detalle igual al detalle anterior, excepto que la viga llega a la columna, en el alma, el patín superior llega al tope con la placa superior, en tanto que el patín inferior se monta sobre la placa inferior. Conexiones continuas viga-columna Atiesadores continuos

DETALLES TIPICOS El acartelamiento del muñón incrementa la rigidez de la conexión. Conexiones continuas viga-columna Atiesadores continuos, muñón acartelado

8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA Especificar soldaduras de filete en lugar de penetración completa cuando sea posible. En esta sección se dan recomendaciones y se muestran detalles estructurales típicos que sirvan como apoyo en la estructuración. La primera recomendación es preferir el uso de soldaduras de filete siempre que sea posible. Otros tipos de soldadura requieren preparación de las partes a unir, como por ejemplo, biselado, en el caso de soldaduras de penetración, o perforación de placas, en el caso de soldaduras de tapón o de ranura.

RECOMENDACIONES SOLDADURA Sección de cuatro placas con soldadura de penetración. Sección de cuatro placas con soldadura de filete. Alternativa 1 La figura muestra dos alternativas a la soldadura de penetración cuando la sección se forma soldando cuatro placas para forman el cajón. Evitar Alternativa 2

RECOMENDACIONES SOLDADURA Forma eficiente de soldar el atiesador interior en sección de cuatro placas. Paso 1: soldar con filete en las primeras tres caras Si es necesario usar atiesadores internos en perfiles rectangulares soldados, soldar primero tres lados con soldadura de filete, luego soldar la cuarta cara con soldadura de filete a las caras perpendiculares y con soldadura de tapón o ranura al atiesador interno. Paso 2: soldar la cuarta cara con soldadura de tapón o de ranura

RECOMENDACIONES SOLDADURA Indicar soldaduras de filete que pueden realizarse en una sola pasada con máquinas de soldadura automática cuando sea posible. No indicar más soldadura que la realmente necesaria. Así se evita sobrecalentamiento y deformación de perfiles. Cada pasada de soldadura introduce imperfecciones que pueden generar fractura. Por eso es recomendable, siempre que sea posible, especificar tamaños de filete que puedan ser depositados en una sola pasada. Por otro lado, el proceso de soldadura es un proceso de modificación del material base. El indicar tamaños de soldadura más grandes que los requeridos puede causar un sobrecalentamiento de las piezas a soldar, el que puede causar que el material pierda ductilidad. Además, el calor excesivo puede distorsionar y deformar las piezas haciéndolas inutilizables.

RECOMENDACIONES SOLDADURA Sección constante de tres placas de alma delgada Un ejemplo de utilización de soldadura de filete en una sola pasada es en una viga de sección constante formada por tres placas (de alma delgada) para naves industriales. Soldadura de filete por un solo lado

RECOMENDACIONES SOLDADURA Sección variable de tres placas de alma delgada La viga también puede ser de sección variable. Soldadura de filete por un solo lado

RECOMENDACIONES SOLDADURA Sección de tres placas de alma gruesa Cuando se trata de unir placas más gruesas, es recomendable usar filetes por ambos lados para obtener una unión sólida. Soldadura de filete por los dos lados

RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS Seleccionar apropiadamente la orientación de las vigas secundarias (paralelas al lado largo) Mantener la relación entre lado corto a y lado largo b, tal que 1.25 < b/a < 1.50. Utilizar conexiones atornilladas para la unión de vigas secundarias a la viga principal. En el caso de vigas secundarias, el uso óptimo de éstas ocurre cuando se orientan según el lado largo de la losa y cuando la losa trabaja en sus dos direcciones. La utilización de conexiones apernadas entre vigas secundarias y vigas principales es recomendable debido a que se pueden absorber las tolerancias de construcción.

RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS La figura muestra un detalle de conexión de una viga secundaria a una viga principal utilizando una conexión de corte con dos ángulos y rebajando el ala superior de la viga secundaria. Alternativa 1: tornillos a doble cortante

RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS La figura muestra otro detalle de conexión entre la viga secundaria y la principal, el cual no requiere del rebaje del ala superior. Sin embargo, esta conexión tiene una excentricidad más significativa con respecto al alma de la viga principal, por lo que puede inducir esfuerzos de torsión importantes a ésta, los que deben ser evaluados. Alternativa 2: tornillos a cortante simple

RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS En el caso de que el eje de la viga secundaria forme un ángulo distinto a 90 grados con el eje de la viga principal, la mejor solución es una variante del detalle anterior, donde la placa se instala en ángulo. Conexión sesgada a cortante

RECOMENDACIONES CONEXIÓN MOMENTO Conexión a momento tipo end-plate La figura muestra dos tipos de conexiones tipo end-plate, para el caso de columnas I y para el caso de columnas cajón. En ambos casos las placas del muñón son soldadas usando filetes de soldadura. Además, en el caso de la columna cajón, en general será necesario instalar un atiesador interno. Placas de muñón soldadas a columna con soldadura de filete

RECOMENDACIONES Unión de patines del perfil al end-plate Dependiendo del espesor de las alas del perfil, será necesario utilizar soldadura de filete o de penetración para unir el perfil a la placa de conexión (end-plate). La soldadura debe ser capaz de transferir todos los esfuerzos generados en el extremo de la viga a la placa base. Con soldadura de filete para patines de poco espesor Con soldadura de penetración para patines de gran espesor

RECOMENDACIONES MIEMBROS Buscar el menor número de empalmes de columnas posible. Considerar la posibilidad de utilizar una sección más rígida para evitar la colocación de atiesadores Especificar refuerzo en almas de vigas en zona de huecos para instalaciones sólo donde realmente se requiera. Tratar de utilizar perfiles HSS para contraventeo de marcos. Estas son algunas recomendaciones relacionadas con los distintos miembros estructurales: En edificios de más de dos pisos es siempre necesario empalmar dos o más secciones para formar cada línea de columnas. Cada empalme es un punto de transferencia de esfuerzos en el que puede originarse la falla de la columna. Por eso se recomienda mantener los empalmes al mínimo necesario. En el caso de columnas, es recomendable aumentar un poco el tamaño de la sección si esto redunda en eliminar gran parte de los atiesadores que serían requeridos para la sección más pequeña. El costo adicional de material es menor que el costo de fabricación asociado a la colocación de los atiesadores, los que además pueden dificultar el hacer las conexiones. Por una razón similar, el refuerzo de las zonas perforadas en el alma de vigas debe ser mantenido al mínimo requerido. Finalmente, es recomendable utilizar perfiles de sección cajón o tubular como arriostramientos, debido a su excelente capacidad al pandeo. Las láminas siguientes muestran los detalles típicos de conexión de este tipo de arriostramiento.

RECOMENDACIONES Detalle de conexión de contraventeo con perfil HSS La figura muestra el detalle típico de la conexión de un arriostramiento tubular a la viga y columna en un marco arriostrado. La soldadura entre el arriostramiento y la placa de conexión debe necesariamente hacerse en la obra. Conexión con placa (tipo peine) Conexión en zona de nudo viga-columna

RECOMENDACIONES Detalle de conexión de contraventeo con perfil HSS En el caso de arriostramientos en V o V invertida, es necesario soldar una placa a la viga para conectar los arriostramientos. La soldadura del arriostramiento a la placa de conexión puede hacerse en obra o en taller. En el segundo caso, el montaje de la viga con los arriostramientos soldados puede hacerse más complicado. Conexión con trabe al centro del claro

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