Arquitectura Moderna en Zonas Sismicas

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A finales ~el sjglo XIX cOrT)enzó a cambiar el carácter productivo de la ciudad V1dustrial Por!~1 d,e Iql; gr¡an~~s negocios mercan~les, debiqo al desarrollo , " 1\ ,~e los c~ptta~ fih,aricierps ~ndi,ales. Paralelam~nte, en Europa y Estados ¡\ '¡ . .' ¡', i Unidos ~e prbquql'a~ I~s .~ev~14ciq:ne~ ci~ntfficas Y.. ~cnológitas que. irwluíani \/\ .1\ /'. i bi. .,./\ ~ \ / I~\de I~ cprs~nldc(órt 1osiSeh-viclps'v)t I~$ ~~~r~o~ '¡'~Q~.de\ o!.~ryz~P¡ó~ . ..., . ,~ \,i \v.: : 1/ fisic~s¡.pa~(al ~qctioiO$tlt~ciQrial.'i1 ; V \, i \.; V \:' . \ ,1 \ i ~ ~ j , , : ¡ ; A pártirjide \9s ~ñoW d~ 19~O, una vez cUI~ina~a la I Gu~rra MundMI !i t' \. i '; (1914-1918) en, Europ~ Yila etapa de transición (1850-1920) en la evolución de la ciu~ad capitaíista, se produjo un cambio radical debido a la reconsideración de su función, que se transformó en la ciudad corporativa o, como se denominará en adelante, la ciudad contemporánea. Ante las condiciones de insalubridad y desorden urbano que caracterizaban a las zonas industriales de las grandes ciudades posindustriales, un grupo de arquitectos y urbanistas europeos y estadounidenses instauraron en 1928 el primer Congreso Internacional de la Arquitectura Moderna (CIAM), para discutir y establecer nuevos conceptos y preceptos que debían guiar la arquitectura y urbanismo de las ciudades. Surgió así el movimiento moderno y estos preceptos han dominado desde entonces el diseño y construcción de los edificios que han caracterizado a la ciudad contemporánea. Uno de los aspectos más notables que surgió con este movimiento fue el edificio singular. En este capítulo se explican los conceptos que dieron forma a los edificios durante el' desarrollo de la ciudad contemporánea y se hace una introducción a la relación que existe entre estas formas arquitectónicas y su comportamiento estructural cuando están ubicadas en zonas sísmicas. 1

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Los antecedentes

Benévolo, L. et al., La proyectaci6n de la ciudad moderna, 31 ed., Editorial Gustavo Gili, Colección GG Reprints, Barcelona, 2000, pág. 13. 1

Hasta el inicio de la etapa de transición en la evolución de la ciudad capitalista, los bloques de edificios continuos de los centros urbanos alojaban actividades comunes de la ciudad (viviendas, comercios, escuelas, oficinas); los edificios conformaban las manzanas sin diferenciarse notablemente del vecino. En la ciudad se construían edificios singulares para destacar monumentos, instituciones específicas (políticas, religiosas, etc.) o residencias suntuosas de poderosos propietarios. Las residencias de las clases dominantes se aislaban, como dice Benévolo, en el "barrio residencial extensivo, compuesto de casas unifamiliares aisladas con jardín".1

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Coleridge, S. T.• Lectures on Shakespeare and other poets and dramatists, E. P. Dutton and Co.• Nueva York, 1909, pág. 46. 3 Joachim, M., The Rhetoric of Good City Bromides Ecology, Eschatology, and American Values, http://www.archinode.com/text3.html 2

Capftulo 1. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

El edificio singular Desde mediados del siglo XIX, a partir de Samuel Taylor Coleridge (17721834)2 Y de algunos precursores del pensamiento estético estadounidense, como el escultor Horatio Greenough (1805-1852) y el filósofo trascendentalista Ralph Waldo Emerson (1803-1882), quien proclamaba una arquitectura que fuera el resultado de la necesidad, en contraste con la arquitectura basada en la arbitrariedad y las opciones caprichosas, los arquitectos comenzaron a establecer las bases ideológicas del edificio singular moderno. El punto de partida fue romper con la limitación de que sólo los edificios muy especiales podían ser aislados. El desarrollo tecnológico permitió dotar de todos los servicios a cada unidad, cada vez con mayor autonomía, incluso de los servicios de la ciudad. Desde ese momento, y de manera progresiva, cualquier edificio de altura que incluyera varias funciones urbanas, podía ser pensado y diseñado como un organismo autónomo, con resultados que estarían más determinados por sus componentes internos (como sistema) que simplemente como una continuación de los alineamientos urbanos. Uno de los planteamientos principales fue la arquitectura sin decoración superflua. Emerson proclamaba: "La decoración de una casa la constituyen los amigos que la frecuentan".3 Sullivan planteó en 1895 que "la forma sigue a la función" (Form follows function, FFF), respondiendo precisamente a esta necesidad. Hoy día, sin embargo, esta consigna se ha restringido a las cada vez más complejas funciones del edificio, sus relaciones, la circulación y los crecientes servicios requeridos. Es de destacar que el enunciado de Sullivan hace referencia a la "función esencial" del edificio-institución antes que a las diversas funciones consideradas como operaciones internas para cumplir adecuadamente cada actividad del programa. Chicago satisfizo plenamente ambas condiciones. Su origen reciente y la prematura destrucción de edificios precarios con el "gran incendio" de 1871, dispuso de la conveniente tabula rasa para construir libremente las nuevas edificaciones, difícil de lograr en otras ciudades más consolidadas, incluyendo a Nueva York. Por otro lado, la demanda de edificios que se adaptaran al desarrollo creciente y vertiginoso de la producción, el transporte, el comercio y la administración, acompañadas del espíritu de aventura, invención, innovación y vanguardia mundial en técnicas diversas, propiciaron la construcción de los primeros rascacielos con avances no sólo estructurales, sino también en las comunicaciones y ambientales.

Los antecedentes

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Un aspecto a destacar, sin embargo, es que tanto en Chicago como casi inmediatamente en Nueva York, los edificios singulares fueron insertos en las manzanas tradicionales, es decir, no consistieron en edificios aislados, sino colindantes con los existentes. La figura 1,4 muestra una serie de fotograñas en distintas épocas (1898-1899) del edificio Gage, en Chicago, diseñado por Holabird, Roche y Sullivan, donde se destaca cómo a su estructura original se le agregaron posteriormente, en 1902, cuatro pisos. Este edificio singular colindante permite apreciar la combinación de varias políticas, como, por ejemplo, cada uno de los edificios colindantes puede tener una altura total diferente e incluso crecer. Sin embargo, los entrepisos están alineados para lograr una continuidad horizontal en la fachada principal. Se observa también que la inserción de los edificios en las parcelas combina estilos y detalles de construcción diferentes, buscando cierta coherencia dentro de la diversidad.

Figura 1

Adaptada a partir de Bush-Brown, A., Louis Sullivan, Editorial Bruguera, Barcelona, España, 1964, pág. 19. 4

En la relación de mayor renta posible de la tierra manteniendo alineamientos urbanos, se desarrollaron varias soluciones normativas. Cabe destacar dos, una de las cuales predominó por cierto tiempo en Estados Unidos y la otra surgió en Europa, como respuesta a la preservación de un perfil general de los cascos urbanos centrales de las ciudades. Sin embargo, cuando la ciudad está ubicada en zona sísmica, cada una de estas soluciones implica comportamientos sismorresistentes de cada edificio que pueden causar daños estructurales y hasta el colapso de los edificios vecinos si no se adoptan las medidas pertinentes. En la figura 2 de la página siguiente se ilustran los dos diferentes enfoques.

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Capítulo 1. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

El primer caso ya se había manifestado a finales del siglo XIX; la normativa urbana estaba guiada por el cumplimiento del alineamiento de todas las fachadas que daban a la calle y que todos los entrepisos tuvieran la misma altura, pero, con relación a la altura total, cada edificio tendría la que pudiera alcanzar, tanto desde intereses económicos como constructivos. El segundo caso, que dominó más en Europa que en Estados Unidos, pretendía establecer los alineamientos y, a través de una normativa precisa, que se mantuviera la misma altura total de los edificios, pero dando mayor libertad en las alturas de entrepisos, permitiendo su reducción. Esta normativa autorizó la incorporación de semisótanos y, dentro de la altura máxima permitida, autorizó a construir el mayor número de pisos para rentabilizar al máximo el suelo. aunque establecía una altura libre mínima de entrepisos de 2,40 m. Altura de entrepisos: constante y preestablecida

Altura de los edificios: variable

FIgura 2

Un tercer caso, que podría denominarse creador del caos urbano, consistiría en: a) combinar la liberación de los aspectos restrictivos de ambos, b) añadir la exigencia de ampliar en un futuro la calle, por lo que los nuevos edificios deberían retirarse de la alineación original de la misma; y c) establecer los retranqueos sucesivos que permitieran que las calles y los espacios internos de los edificios dispusieran de iluminación natural, generando los típicos escalonamientos en las partes superiores de éstos. Los cascos centrales de muchas ciudades hispanoamericanas han sufrido las consecuencias de este tercer caso, generando no sólo un caos volumétrico, sino además una mayor vulnerabilidad urbana y arquitectónica cuando estas ciudades están expuestas a sismos, debido al efecto de golpeteo que se puede producir entre los edificios si no se adoptan las medidas apropiadas.

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Las técnicas constructivas desde mediados del siglo XIX Hasta finales del siglo XIX, los muros de los edificios tradicionales constituían al mismo tiempo las divisiones de los espacios y los componentes estructurales que sostenían los entrepisos y los techos, generalmente de distintos tipos de maderas. Estos muros podían ser de alguno de los diferentes tipos de materiales pétreos, como los distintos tipos de mampostería, piedras, tapial 5 y adobe. En algunos casos se podían mezclar con algunas maderas, como el bahareque, tan usado en Hispanoamérica. A mediados del siglo XIX comenzó en el mundo occidental el desarrollo y la utilización de los nuevos materiales estructurales, el hierro colado, el acero y el concreto armado, que, a su vez, dieron lugar al desarrollo de las grandes innovaciones tecnológicas en la construcción de edificios, a la aparición del sistema estructural porticada y al surgimiento de las nuevas configuraciones edilicias del movimiento moderno.

5 Tapial: cada uno de los trozos de pared que de una sola vez se hacen con tierra amasada y apisonada en una horma. s Aleación de hierro y carbono. en diferentes proporciones. que. según su tratamiento, adquiere especial elasticidad. dureza o resistencia. 7 Encyclopaedia Britannica. Crystal Palace, vol. 3. Macropaedia, The New Encyclopaedia Britannica, 15th Edition, Chicago. 1989, pág. 770.

Las estructuras de hierro y acero La adopción en los edificios y obras civiles del hierro y posteriormente del acer06 como materiales estructurales primarios, significó una gran revolución tecnológica en la industria de la construcción. En Inglaterra, en 1779, se usó por primera vez el hierro como elemento primario estructural en ellronbridge sobre el río Severn. En 1851, Joseph Paxton incorporó en la construcción del Palacio de Cristal en Londres,7 dos aspectos importantes de la revolución industrial: el uso del hierro como material estructural primario en una obra arquitectónica y la producción masiva de paneles de vidrio y componentes estructurales de hierro. En Francia, la construcción de la torre Eiffel, de trescientos metros de altura, para la Exposición Mundial de París en 1889, significó un hito en la industria de la construcción, ya partir de ese momento comenzó a usarse el hierro en la construcción de edificios altos. Para esa fecha, en Estados Unidos la producción de hierro y acero estaba concentrada en Pensilvania; se había conformado la United States Steel Corp para estabilizar los precios del acero en el mercado. Las propiedades físicas de estos materiales, como son su resistencia al fuego comparados con la madera y su capacidad estructural, así como el invento del freno de seguridad para los ascensores de pasajeros por Elisha Otis en 1853, abrieron inéditas posibilidades constructivas que permitieron salvar cada vez mayores luces con menor cantidad de material y alcanzar mayores alturas. Se producían diferentes tipos de componentes estructurales, como columnas, vigas, viguetas, etc., así como otros no estructurales.

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Figura 3

Figura 4

Figura 5

Capitulo 1. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

A finales del siglo XIX se construyeron edificios altos de hierro y acero en Nueva York y Chicago. Cuando ocurrió el sismo de 1906 en San Francisco, ya se había iniciado una acelerada construcción de edificios altos, en donde coexistían en una misma estructura piezas de hierro colado y de acero. Estos nuevos planteamientos estructurales y espaciales permitieron la construcción de edificios audaces sin tener en cuenta las implicaciones que estas nuevas configuraciones tendrían en su desempeño estructural en zonas sísmicas. El acero y los nuevos paneles de vidrio abrieron nuevas posibilidades que permitían que un rascacielos adquiriera la apariencia de estar flotando en el aire. Los primeros rascacielos de Chicago, en la etapa de transición de la década de 1980, fueron todavía muy pesados, tanto visualmente como en el uso de los materiales. Como demostró el propio cliente del rascacielos Monadnock (1891), quien no confiaba en la estructura de acero diseñada por Burnham y Root, e impuso la construcción de una innecesaria pared portante de 1,83 m de espesor en la base. La contradicción entre la pesadez visual del edificio y la ligereza estructural todavía se manifestó en el edificio administrativo de la fábrica Larkin (1903), diseñado por Frank L10yd Wright en Buffalo, uno de los primeros y más significativos ejemplos del uso arquitectónico y espacial de principios del siglo xx, en el cual, debido a las densas paredes exteriores, no puede percibirse desde fuera el atrio interior de cinco alturas libres. Las figuras 3, 4 Y 5 muestran la planta, y las vistas de la entrada al edificio y del interior del espacio central, de cinco pisos de altura libre y con luz cenital, respectivamente. Fue el primer edificio de oficinas en usar aire acondicionado, ventanas dobles, puertas vidrieras y muebles metálicos. Wright fue un precursor del movimiento moderno. Este proyecto abrió las posibilidades para que los arquitectos modernos plantearan la combinación de espacios de diferentes alturas y, a diferencia de lo que hizo Wright, que colocó muros en el exterior, plantearon columnas, tanto interiores como perimetrales y de varias alturas que pueden generar áreas vulnerables sísmicamente.

Las estructuras en concreto armado Mientras en Estados Unidos la tecnología de las estructuras metálicas se desarrollaba a gran velocidad, en Europa, en paralelo, se desarrollaba el concreto armado como material estructural. En 1892 el francés FranQois Hennebique patentó un nuevo sistema estructural, el Trabeated,8 y demostró

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Smith, K.G., "Innovation in earthquake resistant concrete structure design philosophies; a century of progress since Hennebique's patentO en Engineering Structures, vol. 23, núm. 1, enero de 2001, Elsevier Science, págs. 72-81(10), en htlp:jjwww.ingentaconnect.com 9 Principios de organización del taller industrial definidos por Frederick W.Taylor a partir de 1901, que dieron origen a la organización científica del trabajo. El taylorismo en su búsqueda del incremento de la productividad acentuó la división del trabajo introduciendo una separación radical entre los que conciben el producto y aquellos que lo elaboran. 8

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la resistencia que proveía el concreto reforzado con barras de acero en un sistema porticado. Esta nueva técnica constructiva fue la base para el desarrollo de la nueva arquitectura moderna. En Francia en la transición del siglo XIX al xx, el arquitecto e ingeniero belga Auguste Perret y su hermano Gustave, quienes habían heredado una empresa de construcción de su padre, comenzaron a experimentar con el concreto armado en el diseño y la construcción de edificios y demostraron el gran potencial técnico, espacial y estructural de dicho material. A. Perret combatió el uso de la ornamentación como un añadido y planteó que los componentes constructivos disponían de cualidades propias que ofrecían por sí mismas suficientes elementos decorativos. Perret usó el sistema Trabeated en 1903 en el primer edificio alto de concreto armado en el nº 25 de la rue Franklin en París. Con este edificio residencial de ocho pisos, Perret fue precursor de los postulados de la arquitectura moderna, pues dos décadas antes de la publicación de los Cinco puntos de la nueva arquitectura (1926), puso en evidencia que con el uso del concreto como material estructural podía lograrse lo siguiente: a) Se podía concebir y construir un edificio relativamente alto a partir de un esqueleto conformado por una estructura de columnas, vigas y losas de concreto; b) el volumen del edificio se podía "despegar" del suelo y también podían construirse mezzaninas; c) la organización del espacio interno de cada piso estaba libre de "cerramientos estructurales", no sólo gracias al tipo de estructura adoptado, el sistema Trabeated, sino también a la distribución inédita que permitía de los espacios y sus funciones; sería lo que luego Le Corbusier llamaría "planta libre"; d) se podían usar grandes ventanales, de columna a columna que permitirían apreciar estéticamente la estructura de concreto del edificio. Tomando en cuenta las enseñanzas de Perret, el joven arquitecto suizofrancés Charles Édouard Jeanneret, quien sería conocido posteriormente como Le Corbusier, desarrolló en 1914 el sistema Dominó, una estructura básica para construir viviendas económicas de concreto armado, en el cual decidió combinar varios aspectos del desarrollo industrial más avanzado del momento: la estandarización de elementos constructivos, la organización racional y de alta productividad del régimen taylorista 9 industrial, el ofrecimiento de un proceso constructivo elemental y libre basado en columnas-

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pilotis y losas de piso, cerramientos de fachada independientes de la estructura y una terraza-jardín para cada casa. Geoffrey Baker describe el sistema Dominó de la siguiente manera: El interés de Jeanneret por el hormigón armado procedía, en parte, de la influencia de Auguste Perret, para quien trabajó durante su visita a París en 1907. Posteriormente, este interés aumentó merced al contacto con el ingeniero y amigo Max Du Bois. En colaboración, desarrollaron un sistema constructivo con hormigón que se apoyaba en los principios formulados por E. M6rsche, del que Du Bois fue discípulo en el Politécnico de Zúrich. El sistema empleaba pilares y forjados de hormigón de modo que las construcciones se podían colocar unas junto a otras como piezas de dominó. Durante el año 1915, Jeanneret, esbozó algunas distribuciones de viviendas que sólo fueron aplicables en la Villa Schwob. No obstante, una de las ventajas que advirtió en el sistema, era la posibilidad de estandarización de formas constructivas que encerraba, hasta el punto que consideró una línea de producción de viviendas análoga a las que se montan en las industrias de fabricación de coches. El modelo estandar consiste en un forjado de hormigón sostenido por pilares retrasados respecto a la línea de fachada y una escalera con un extremo en voladizo. El forjado se resuelve con jácenas armadas, huecos similares a vigas convencionales y hollow pots. 10

En la figura 6 se visualizan los esquemas de la planta y la perspectiva del sistema Dominó. 11 Desde muy temprano se ponen de manifiesto los conceptos que posteriormente serían sistematizados en los cinco puntos. 11-

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Figura 6

El elevado costo de las estructuras de acero y de hierro, las importantes deformaciones que sufrieron en los incendios y la falla de las soldaduras en las uniones de los componentes, aunque se fueron subsanando con el tiempo, dieron paso a la popularización en las ciudades contemporáneas del uso de concreto armado como material estructural. Baker, G., Le Corbusier: Análisis de la forma, Editorial Gustavo GiIi, Barcelona, 1994, págs. 62~3.

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La construcción industrializada y la prefabricación El grado de desarrollo industrial que se alcanzó durante la segunda mitad del siglo XIX y los avances tecñológicos en la producción de los nuevos materiales,

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permitieron la incorporación de los conceptos de producción industrializada a la construcción de obras civiles. La industrialización de la construcción fue una de las bases más importantes para el futuro desarrollo de los preceptos del movimiento moderno. Se identifica como construcción industrializada (CI) al conjunto de métodos, técnicas y procesos industrializados que se usan en la producción, generalmente a gran escala, y al ensamblaje de componentes para la construcción de edificios y otras obras civiles y militares. A diferencia de la producción artesanal, generalmente requiere de un gran capital inicial de inversión en instalaciones, maquinaria y grandes cantidades de materia prima. Sin embargo, la CI permite, si se aplican los conceptos de industrialización apropiadamente (racionalización, normalización, producción masiva, etc.), que la producción de edificios sea más barata, controlada y rápida que la construcción artesanal. Las características más importantes de la CI son, entre otras, la indispensable planificación del proceso, la utilización de maquinarias y de encofrados reutilizables, la normalización de componentes y tipos de uniones, la producción masiva de unidades, la repetición de tareas en la línea de producción y el control de calidad. La CI ha permitido la producción muy variada de componentes estructurales y no estructurales de diferentes materiales, formas y dimensiones. La prefabricación consiste en la producción normalizada de componentes de la construcción que han sido fabricados y, dependiendo de los niveles de industrialización empleados, muchas veces ensamblados, para obtener unidades más complejas, en un lugar diferente al que ocupará definitivamente cuando se una con otros para completar la obra que se está construyendo. En una escala menor, es un método de construcción que se ha usado desde la antigüedad cuando se producían, ya veces se preensamblaban, componentes normalizados de forma artesanal en talleres, y que luego se vendían al por mayor o al detalle, tales como adobes, ladrillos, mosaicos, tejas, piedras cortadas y pulidas, puertas, ventanas y sus marcos, listones de madera, clavos y otros, que posteriormente se unían en obra por métodos artesanales. En el siglo XIX se comenzaron a usar en Europa y Estados Unidos métodos industrializados y maquinaria especializada para la producción masiva de éstos y otros nuevos componentes constructivos más complejos como tuberías, escaleras, cubiertas y otros; también se comenzaron a producir en fábrica, componentes normalizados en paquetes (kits) como el sistema de entramado integral de madera (balloon framing) , que luego eran trasladados a su destino temporal o final, para la

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construcción de barracas militares, hangares, hospitales de campaña, viviendas temporales y otros. Desde finales del siglo XIX se fue incorporando el concepto de sistema en la industria de la construcción, para la producción y ensamblaje de edificios completos o de componentes que diferentes empresas fabricaban industrialmente en plantas, bien sea en instalaciones permanentes o a pie de obra, para ensamblarlos posteriormente en obra. La normalización de los componentes, una visión holística del edificio y la coordinación entre productores han sido indispensables para crear sistemas constructivos prefabricados. La prefabricación pesada, con grandes componentes de concreto armado producidos en planta, fue usada ampliamente en Europa, especialmente en Francia, Inglaterra, los países escandinavos y los del antiguo bloque socialista, para la producción de viviendas masivas después de la 11 Guerra Mundial. Entre las grandes ventajas de la prefabricación están: a) la elaboración de componentes constructivos genéricos, producidos por adelantado y almacenados hasta su adquisición, traslado y ensamblaje en la obra; b) el control de calidad y la producción en plantas techadas que permiten mejores acabados, mayor resistencia de los componentes de concreto y reducción de los tiempos y costos en la construcción; c) como el vaciado del concreto se hace en planta, se elimina la brecha entre el tiempo del vaciado en sitio y el momento en que está disponible para resistir cargas, generalmente un período de fraguado (curado) de 28 días. La industrialización de la construcción de edificios no sólo incluye los sistemas prefabricados, sino también los sistemas que incorporan en su proceso de producción métodos, técnicas o procesos industrializados como, por ejemplo, los sistemas de muros vaciados en sitio con encofrados reutilizables. La automatización en la industria de la construcción es un nivel más avanzado de la mecanización que consiste en el uso de sistemas de control, tal como las computadoras, para controlar la maquinaria y el proceso productivo en general, sustituyendo en muchos casos a la fuerza de trabajo humana.

Una cronología de las primeras innovaciones en las construcciones de concreto armado y de hierro fundido y acero La figura 7 muestra los cambios registrados desde finales del siglo XVII hasta las primeras décadas del siglo XX. En ella se incluyen las primeras innovaciones en las construcciones de hierro y acero y de concreto armado, así como la creación de instituciones y la publicación de libros.

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Siglo XIX

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Siglo XVII 1600

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La arquitectura de la ciudad contemporánea: nuevas técnicas constructivas, nuevos tipos, nuevas concepciones espaciales y nuevos problemas A finales del siglo XIX en la ciudad productiva se generaron extensas áreas de viviendas precarias caracterizadas por el hacinamiento, el deterioro físico, la ausencia de higiene y con condiciones socioeconómicas complejas. Las autoridades encargadas de controlar el orden y crecimiento de estas ciudades se mostraban incompetentes en sus funciones. Estaban agobiadas. La urbanística acababa de nacer como profesión y los nuevos profesionales no estaban preparados para afrontar estos desafíos inusitados. Una vez superado el desastre económico, infraestructural, social y político que dejó la 1Guerra Mundial, la reformulación de las ciudades se convirtió en un verdadero reto para políticos y profesionales.

El movimiento moderno A principios del siglo XX un grupo de arquitectos y urbanistas europeos y estadounidenses, reaccionaron contra estas condiciones. Consideraban que era necesario inventar una nueva arquitectura que expresara, en las nuevas ciudades que comenzaban a surgir, el espíritu de una nueva era que desafiara a las ideas tradicionales relacionadas con estilos, materiales y tecnologías que habían dominado hasta entonces la arquitectura y la organización y el control de las ciudades. En 1928 se reunieron en Suiza en el primer CIAM para sistematizar sus discusiones, promover la justicia social, intercambiar experiencias y establecer conceptos y preceptos con relación a la arquitectura y el urbanismo modernos, dando lugar a la fundación del movimiento moderno. Estos profesionales lucharon para cambiar las regulaciones urbanas y la arquitectura tradicional, con el objetivo de mejorar las condiciones ambientales y proveer de viviendas decentes e higiénicas a las ciudades en rápido proceso de transformación debido al éxodo de la población rural en busca de mejores condiciones de vida. Los acelerados avances en nuevos materiales y técnicas constructivas durante la segunda mitad del siglo XIX, apoyaron los grandes cambios que se produjeron en la nueva ingeniería civil, la arquitectura y los patrones urbanos que originaron la presente configuración de las ciudades contemporáneas. El movimiento moderno y sus impulsores se plantearon encarnar una nueva época y, luchando en todos los ámbitos y con los recursos que tuvieron a su disposición (crítica, historiografía, arquitectura de papel, manifiestos, congresos, charlas y proyectos), lograron imponer internacionalmente una

La arquitectura de la ciudad contemporánea

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nueva forma de construir y ordenar las ciudades, que ha caracterizado a la ciudad contemporánea. Los variados planteamientos que se venían generando desde mediados del siglo XIX, con el gran impulso de concreción programática, fisicoconstructiva y educativa de la Bauhaus y los planteamientos del constructivismo soviético, se sintetizaron en los cinco puntos. La Carta de Atenas, documento basado en las discusiones sostenidas en el cuarto CIAM, celebrado cerca de Atenas en 1933 (publicado en 1943), proporcionó las guías para el desarrollo urbano, que recomendaban patrones simples y claros del urbanismo. La planificación urbana basada en estos patrones tuvo como principio descentralizar las ciudades, dejando los centros urbanos para las actividades financieras y comerciales, mientras las residenciales autosuficientes, complementadas por centros comerciales y centros comunales, se ubicaron en las zonas suburbanas. El sistema de circulación separaba las vías para los vehículos de los peatones. La vivienda de bajo costo, uno de los problemas más graves que consolidó la crisis de la ciudad tradicional, no debería quedar en manos de la especulación privada, sino que debía resolverse con conjuntos masivos construidos por el Estado, cuyas viviendas normalizadas garantizarían a sus usuarios iluminación y ventilación naturales, rodeadas de grandes áreas verdes, aireadas y asoleadas. Los postulados de dicha Carta se constituyeron en puntos de referencia obligatorios internacionalmente y muchas veces adquirieron carácter normativo obligatorio para remodelar ciudades existentes o diseñar y construir ciudades nuevas. Estos postulados fueron interpretados por los arquitectos, urbanistas, funcionarios y políticos de la época como un modelo descontextualizado para desarrollar "la ciudad del futuro" y como los conceptos que representaban el progreso. El movimiento moderno se configuró con la convergencia de diversos factores: 1) urbanísticos: La Carta de Atenas; 2) arquitectónicos: los cinco puntos de la nueva arquitectura de Le Corbusier; 3) políticos: mayor intervención del Estado en la resolución de los problemas socioambientales de las masas, incluyendo aspectos colectivos de higiene y salubridad, así como subordinación de lo privado a lo público; 4) económicos: creación de nuevas ciudades y nuevos tipos edificatorios, usando los progresos del desarrollo industrial, y reconstrucción de ciudades arrasadas en la 11 Guerra Mundial; 5) simbólicos: glorificación del maquinismo y del funcionalismo, en que la máquina y la función se convirtieron en fines en vez de limitarse a un mero criterio o un medio,

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Capítulo 1.. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

Edificios singulares aislados

restándole identidad a los sujetos sociales concretos; y 6) institucionales: creación de órganos de planificación y diseño públicos para ordenar, coordinar y dirigir los nuevos proyectos urbanos enmarcados en una visión global. Este proyecto de acción múltiple y pretendidamente coordinada fue la síntesis mejor estructurada de las diversas propuestas vanguardistas de finales del siglo XIX y principios del XX en Occidente. Fue la propuesta de una nueva racionalidad que se opuso a la racionalidad constructivo-espacial heredada de La Ilustración: una verdadera ruptura en todos los ámbitos, creando y proponiendo modelos totalizantes que, supuestamente, resolverían los problemas del presente y cercano futuro en un plan exhaustivo que abarcaría todos los ámbitos de la ciudad y del ciudadano. La idea de progreso recorrió todas las propuestas. Ideológicamente, su pensamiento se podría resumir en L'esprit nouveau 12 (el nuevo espíritu) donde la imaginación no tenía límites, ni espaciales ni temporales. El nuevo espíritu del tiempo moderno se manifestó teórica y prácticamente en nuevas formas edificatorias y urbanas que se correspondieron progresivamente con los nuevos problemas y contenidos que los grandes cambios requirieron. La velocidad, la rebeldía sin límites, incluso la revolución en cualquier campo, se hicieron presentes: las ciencias cambiaron de paradigmas, la tecnología hizo su aparición al surgir la ciencia y la filosofía de la técnica, las artes se convirtieron en manifiestos cuestionadores de múltiples condicionamientos, la filosofía fue cada vez más política pasando a la acción, la economía incluyó métodos científicos y la política se mundial izó al polarizarse el planeta a partir de la Revolución Socialista de Octubre (Rusia, 1917). Se generalizó el concepto de edificio singular para todos los ciudadanos apoyado en dos grandes aspectos: el individualismo de cada edificio y la propiedad privada de la parcela, y el desarrollo de una variedad bien articulada de tecnologías constructivas (estructurales, de instalaciones, de cerramientos, etc.). Las exigencias siempre cambiantes del desarrollo de la ciudad contemporánea generaron, a su vez, dos condiciones de los edificios singulares: a) El edificio singular aislado. b) El edificio singular colindante.

En parcela o manzana compartida

En manzana aislada

Edificios singulares colindantes

En una misma parcela o manzana Figura 8

Título de la revista fundada por Le Corbusíer y el pintor Amédée Ozenfant en 1920, en la que publicó numerosos articulos sobre sus nuevas teorías arquitectónicas. 12

De acuerdo con la ubicación de los edificios singulares en las manzanas, se derivan tres casos que se ilustran en la figura 8. El concreto armado se impuso como el material del movimiento moderno debido a sus propiedades más importantes: la gran resistencia al fuego, el

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Estancamiento y atraso Progreso Signo de ---------------+-------------------+------------------1 Altura de edificios en centros urbanos

Baja

Alta

---.----------+----------------+-------------------1 Métodos mecanizados, automatizados Producción artesanal; caro y y producción masiva de componentes; Proceso constructivo consume gran cantidad de tiempo económico y rápido Sistema estructural

13 Pastiche: (voz francesa) Imitación o falsificación que consiste en combinar cierto número de motivos tomados de obras de determinado artista, de modo que parezcan una creación independiente. El pequeño Larousse Ilustrado, Editorial Larousse, Bogotá, 2001, pág. 767. 14 Collage: (voz francesa) 1. Conjunto de textos, imágenes, etc., de procedencia diversa, agrupados formando una unidad. 2. Procedimiento contemporáneo de composición plástica, musical y literaria que consiste en introducir en una obra elementos preexistentes heterogéneos, creadores de contrastes inesperados. El pequeño Larousse... , ob. cit., pág. 261.

Muros estructurales de mampostería

Pórticos de acero y concreto armado

bajo costo, tanto en la obtención y uso del material en la construcción del nuevo estilo arquitectónico, y, sobre todo, la flexibilidad y versatilidad para lograr formas arquitectónicas caprichosas. El proceso iniciado por el movimiento moderno fue avanzando a tal velocidad con ideas y propuestas que se superaban unas a otras y que, al final, comenzó ya a perfilarse una imagen de ciudad pastiche,13 un collage 14 de formas, configuraciones, materiales, tamaños, colores, etc., que generó un resultado paradójico: todas las ciudades del mundo que siguieron este patrón de crecimiento y transformación se parecen entre sí por el caos resultante de la variedad de sus edificios individuales. La nueva ciudad, la ciudad contemporánea, se ha caracterizado por la gran densidad urbana, especialmente en el centro. Se impusieron las individualidades en los rascacielos o edificios altos, que representan el poder de las grandes corporaciones, rodeados por plazas desiertas y amplios estacionamientos, los cuales compiten entre ellos en el uso de nuevas tecnologías y modelos arquitectónicos arriesgados, y se suman unas a otras para construir la ciudad privada corporativa, dejando en la historia la ciudad pública cívica. Mientras tanto, se estandarizaron los patrones que seguirían los diseñadores de los edificios singulares para la gran masa. Fue así cómo hasta muy entrada la década de los setenta se construyeron grandes urbanizaciones de viviendas económicas y se intervinieron los centros históricos, derribando en muchos casos viviendas tradicionales para dar paso a los edificios de oficinas, y se sustituyeron sus estrechas calles por vías rápidas para dar facilidades al uso del vehículo individual. El cuadro 1 presenta la comparación entre los aspectos más emblemáticos que diferencian el modelo edificatorio tradicional y el moderno.

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El estilo Intemaclonal Se caracterizó por los criterios desarrollados inicialmente por el movimiento moderno, como son las formas rectilíneas, espacios interiores libres de muros, audaces luces en estructuras porticadas de concreto armado y acero, grandes ventanales de vidrio, superficies planas sin decoración. Tres grandes arquitectos del movimiento moderno, Walter Gropius, Ludwig Mies van der Rohe y Le Corbusier se empeñaron en "internacionalizar" el movimiento moderno y promovieron durante los años de 1920 y 1930 una versión más estilizada y menos austera. Aunque la denominación surgió por iniciativa de los estadounidenses Henry-Russell Hitchcock y Philip Johnson, y se usó por primera vez en 1932, fue especialmente en los años de 1950 y 1960, después de la 11 Guerra Mundial, cuando se convirtió en la tendencia dominante de la arquitectura occidental. Debido a la situación política en Alemania en los años de 1930, Gropius y Mies emigraron a Estados Unidos, principalmente al Instituto Tecnológico de lIIinois en Chicago, a la escuela de diseño de la Universidad de Harvard en Boston y al Black Mountain College en Carolina del Norte. El modelo de edificio propuesto por ellos, consistente de una estructura porticada de acero recubierta por un muro cortina de vidrio, sigue siendo el símbolo corporativo internacional. El estifo internacional además se usó ampliamente en el diseño descontextualizado de los "superbloques" de viviendas, las fábricas y otros, cuyos modelos se repitieron en las ciudades que pretendían mostrar que habían entrado en el mundo moderno, símbolo de progreso. No es sorprendente encontrar los mismos tipos de edificio en ciudades de países con grados diferentes de desarrollo, condiciones climáticas muy variadas y culturas diversas. Los maestros Los tres grandes maestros y artífices de este movimiento fueron Walter Gropius, Mies Van der Rohe y Le Corbusier. Otros arquitectos importantes fueron Otto Wagner, Adolf Loos, Adolf Meyer, Tony Garnier, J. J. Pieter Oud, Siegfried Giedion, Marcel Breuer, Hendrik Berlage, Philip Johnson y Josep L1uís Sert.

Walter Gropius (1883-1969) No tuve conciencia de mi responsabilidad ante los conceptos avanzados que yo mismo habia ideado hasta después de la [primera] guerra... En este periodo me di cuenta por primera vez de la trascendencia de la tarea de los arquitectos de mi generación. Gropius, W., The New Architecture and the Bauhaus, Faber and Faber, Londres, 1935.

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Walter Gropius, The New Archítecture and the Bauhaus, 1935

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Simetrla del bloque posterlor, pero asimétricamente ubicado con respecto al bloque de entrada I I

I I I I I

I I I I I

I I

I I I Ventanales corridos a lo largo de la fachada lateral, separados de la estructura. Fue realizado 15 años antes de los ·Cinco puntos· de Le Corbusier.

Figura 9

16 Fotogratia modificada a partir de Busignani, Alberto, Walter Gropius, Sansoni Editare, Florencia, 1977, págs. 44-45.

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Fue quien más contribuyó a la creación de las bases del movimiento moderno. A pesar de que, con los años, los historiadores y críticos de la arquitectura moderna le han dado cada vez mayor importancia a Le Corbusier y en segundo plano a Mies, fue Gropius quien se arriesgó en varios sentidos. Él abrió las compuertas de la masificación de productos industrializados con diseño, los cuales hoy día son parte ineludible de la vida de la ciudad contemporánea. Su enorme importancia radica en que aportó tanto con su práctica profesional (desde 1911, edificio Faguswerk y, posteriormente, en 1925-1926, edificio Bauhaus-Dessau) como con su teoría, ampliamente desarrollada en la escuela de pensamiento de influencia mundial, la Bauhaus: la escuela de diseño, arte y arquitectura. Para bien y para mal, es Gropius el origen de la modernidad de la ciudad contemporánea que, posteriormente, Le Corbusier con sus Cinco puntos... (1926) Y los CIAM con la doctrina de la Carta de Atenas (1933) simplificaron y dogmatizaron para conformar el pensar y el hacer urbano y arquitectónico del siglo xx. La figura 9 muestra el edificio Faguswerk16 (1911), en Alfeld an der Leine, Alemania, precursor de los cinco puntos. En 1919 fundó la Bauhaus, con lo que se dio un impulso inédito a la relación entre la arquitectura y la ciudad con la sociedad y las necesidades tecnoindustriales del gran capital. El movimiento racionalista de la arquitectura allí nacido no sólo transformó la estética edificatoria, sino que además incorporó nuevos códigos formales, espaciales y de configuración, así como una nueva actitud ante la construcción y la tecnología de la arquitectura, el urbanismo y la producción industrializada. Respecto al urbanismo, sus propuestas acentuaron la realización de edificios singulares, los cuales por simple adición serían la base europea, ampliamente aplicada en Estados Unidos, de la ciudad contemporánea tipo collage. El propio edificio de la Bauhaus es emblemático. Por su escasa elaboración de detalles formales, por su compleja composición volumétrica y por el uso demostrativo de los diversos criterios de diseño, se convirtió en un verdadero modelo universal para su estudio, referencia e imitación. Consiste en un edificio singular aislado, conformado por varios componentes tanto horizontales como verticales. Combina varias configuraciones, en L yen U. Su asimetría dificulta la percepción completa desde tierra. Es por eso que en todos los libros de historia de la arquitectura se divulgan diversas fotos, incluyendo algunas aéreas. Debido a que está ubicado en un terreno dividido por una calle central, el conjunto se monta sobre ella configurando tres partes: a un lado, un conjunto

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Capítulo:1. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

de edificios, incluyendo una torre; al otro, uno de unos cuatro pisos; y, entre ambos, un volumen de conexión que, levantado del suelo sobre pilotis, pasa por encima de la calle. La figura 10 muestra una vista del edificio de la Bauhaus, cuya configuración se convirtió en paradigma universal para el diseño de edificaciones singulares.

Rgura 10

17 Arquitectura de papel es la que se dibuja y representa en un papel pero no se construye y generalmente no se puede construir.

Ludwig Mies van der Rohe (1886-1969) Arquitecto y diseñador alemán, fue un gran impulsor de planteamientos muy innovadores y esquemáticos usando la arquitectura de papel,17 no sólo para exponer su punto de vista, sino también para darse a conocer. Pensaba que cuando se produce una fuerte crisis económica y, sobre todo, de la construcción, es el momento de preparar y abonar el camino ideológico para épocas futuras mejores. A través de sus propuestas, que eran exhibidas sin el propósito de ser construidas, era posible ir mucho más allá de las limitaciones económicas, constructivas y hasta formales del momento. Mientras los clientes y financistas duermen, los arquitectos y artistas proponen y discuten. Este fue el argumento profesional dominante en Alemania justo después de finalizada la I Guerra Mundial, y que contribuyó a crear las bases tanto ideológicas como urbanas y arquitectónicas del movimiento moderno, de los CIAM y de la Carta de Atenas. También hay que destacar que la arquitectura de papel se instauró como un instrumento no sólo ideológico, sino también pensado para su comercialización futura. Mies hizo contribuciones importantes a la filosofía de la arquitectura como director del proyecto Weissenhof y, sobre todo, como director de la Bauhaus. En 1930 trasladó la escuela a Berlín y cambió por completo la orientación de su programa de enseñanza. La inmensa importancia e influencia de Mies radica en que, en su momento, fue mucho más allá que ningún otro en lo referente a la configuración de los rascacielos. En el proyecto para el concurso del edificio de oficinas en la Friedrichstrasse (1921), en el rascacielos de Cristal de Berlín (1922) y en el edificio de oficinas para ser construido en concreto armado (1923), hizo propuestas de imagen y configuración de los edificios que implicaron el surgimiento de un nuevo paradigma: plantas con geometrías irregulares, ángulos agudos, asimetrías, libertad de distribución de bloques rígidos de ascensores y escaleras, semisótanos con uso de columna corta, ventanas horizontales a lo largo de toda la fachada, o fachadas totalmente vidriadas.


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Independientemente de que a lo largo de su extensa carrera Mies no construyó nada especialmente perturbador que se pareciera a las propuestas de arquitectura de papel de principios de los años de 1920, sentó las bases para que otros arquitectos, bastante posteriores a él, se sintieran legitimados por este maestro a la hora de proyectar edificios intermedios y rascacielos con cualquier forma en planta y en alzado, aun cuando estén ubicados en ciudades ubicadas en zonas sísmicas. A finales de los años de 1930, debido a sus diferencias políticas con el gobierno nazi, decidió irse a Estados Unidos, donde ya era conocido como arquitecto y donde viviría hasta su muerte en 1969. Mies diseñó el edificio Seagram en Nueva York, construido en 1958 y que ha sido considerado como la máxima expresión de la arquitectura internacional. Para este edificio desarrolló el muro cortina, que consiste en una fachada acristalada continua, sin interrupción, de arriba abajo, sin función estructural, salvo sostenerse a sí misma. Esta fachada se sujeta a los componentes estructurales. Su uso se popularizó en los edificios corporativos. Entre otras distinciones, fue nombrado decano de la Escuela de Arquitectura del hoy día Instituto Tecnológico de IIlinois en Chicago.

Le Corbusier (1887-1965) Charles Édouard Jeanneret, pintor, arquitecto y teórico, está considerado como la figura más importante de la arquitectura moderna. Nació en 1887 en Suiza. En 1922 se asoció en París con su primo, el ingeniero Pierre Jeanneret. Además de ser un famoso arquitecto con obra construida, fue probablemente el gran dogmatizador del movimiento moderno. Podría incluso ser, como podrá observarse a continuación, quien estableció doctrinariamente la configuración del edificio singular como sistema abierto: Haga casi lo que quiera, siempre y cuando aplique los cinco puntos. En la arquitectura moderna, estos postulados de Le Corbusier son fundamentales y críticos porque constituyen la síntesis teoricopráctica de lo que ya él había estado formulando desde 1914 cuando desarrolló el sistema Dominó, junto con los planteamientos de Perret, los fundamentos de la Bauhaus, concretados en el diseño y construcción de su edificio sede, por W. Gropius, en Dessau, Alemania (1925-1926), así como las arriesgadas propuestas de la arquitectura de papel de Mies. . Teniendo en cuenta los planteamientos estructurales de Perret, Le Corbusier expuso sin ambigüedades lo que sería la base de sus postulados:

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Capítulo 1. La configuraci6n del edificio singular en la ciudad contemporánea

Una palabra más: el pilote es la consecuencia del cálculo y el resultado elegante de la tendencia moderna a la economía (en este punto tomada en su sentido más noble). Pilote: es atribuir a unos puntos determinados el cuidado de soportar, según cálculo exacto, una cargas precisas, sin ningún desperdicio. 18

Esta cita expresa algunos aspectos interesantes: creencia en la infalibilidad de la ciencia y la técnica, la belleza se deriva automáticamente del diseño cientificotécnico, el propósito del momento es la economía, no sólo en términos financieros, sino además formales y, finalmente, como en la producción industrial, la construcción de viviendas (extensible a cualquier tipo de edificio) se debe hacer sin desperdicio. Llevó a la práctica la construcción por módulos. Inventó el duplex. La figura 12 es una reconstrucción ordenada y sistemática de los cinco puntos de la nueva arquitectura planteados por Le Corbusier en 1926. En la primera columna se presenta una comparación entre dichos puntos y los planteamientos tradicionales, dibujados por Le Corbusier, y en otra columna, la descripción e interpretación de los primeros. La combinación o no de cada uno de ellos por separado produjo un gran impacto en la arquitectura del siglo xx. Pero, por otro lado, ni él ni ninguno de sus seguidores previó que cuando se aplicaran estos postulados en edificios ubicados en terrenos expuestos a sismos, sin anticipar los efectos y las consecuencias, la configuración resultante podría ser muy vulnerable. Con el propósito de mostrar cómo combinar los cinco puntos en un solo edificio, puso en evidencia su clara posición estética de lo que la arquitectura moderna debía ser en las casas Cook (Boulogne-sur-Seine, 1926) y Stein (Garches, 1927), y la villa Savoye (Poissy, 1929). Además, evidenciaba que la propuesta de los cinco puntos podía aplicarse a cualquier tipo de edificio singular. La figura 11 muestra los cinco puntos aplicados en uno de los ejemplos más famosos: la villa Savoye.

El posmodernlsmo

18 Le Corbusier, Precisiones, del capitulo titulado "Las técnicas son la base misma del lirismo", Ediciones Apóstrofe, Barcelona, 1999, pág. 68, las itálicas de la cita son del propio autor.

El término posmodernismo designa generalmente a un gran número de movimientos artísticos, culturales y filosóficos de la segunda mitad del siglo xx y abarca un amplio número de corrientes desde los años cincuenta hasta la actualidad, caracterizadas en diverso grado y manera por su crítica al modernismo. En arquitectura y urbanismo el surgimiento del posmodernismo se atribuye a la desilusión, por lo que se ha considerado el fracaso de los planteamientos originales de la Carta de Atenas. Los posmodernos consideran

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Rgura 11

Los 5 puntos dibujados por Le Corbusler 'Cómo es": tradición a evitar

Descripción e Interpretación

• Cómo debe ser": dogma a seguir

• • •

•

•

•

1. Los p1lotls son para levantar del suelo el volumen sólido del edificio y dejar un espacio libre en la planta baja .

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. . . . . 1 · . . .

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2.

La planta libre, con paredes interiores independientes de la estructura, permiten una mayor libertad para dividir los espacios.

3. La fachada libre, un cerramiento exterior flexible y variable, sin funciones estructurales, se limita sólo a separar el interior del exterior.

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4.

La ventana alargada: la independencia funcional entre la estructura y las paredes permite los ventanales longitudinales o alargados, de columna a columna.

@ Rgura 12

5. El techo jardin: construcción de techos planos para ser usados como espacios para ser vividos.

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que la preocupación de sus predecesores por renovar la forma de vida urbana y proporcionar a la mayor cantidad de ciudadanos viviendas higiénicas, confortables, económicas y funcionales, los llevó a intervenir las relaciones sociales de tal manera que algunos de los proyectos de viviendas económicas masivas, típicos de la modernidad, resultaron en desastres sociales que tuvieron que ser demolidos para erradicar el caos que estaban produciendo, como ocurrió con el histórico caso de proyecto de viviendas públicas Pruit-Igoe en San Luis, Misuri, Estados Unidos, construidas en la década de 1950 y demolidas en 1972. La arquitectura posmoderna se autocalifica de ingeniosa, divertida,ornamentada, exuberante en el uso de técnicas constructivas, en el empleo de nuevos materiales y combinaciones de colores, de utilizar ángulos no ortogonales e incorporar elementos de la arquitectura tradicional. El resultado, un collage de estilos que ha sido catalogado por algunos como neoeclectisismo, y que ha sido la respuesta al formalismo de la arquitectura moderna, considerada fría, de líneas rectas, fachadas lisas y demasiado funcionalista.

El edificio singular como "sistema" y la relación función-configuración Desde mediados del siglo XIX se había acentuado la división profesional entre ingenieros y arquitectos en el diseño y construcción de las obras civiles y militares y, sobre todo a partir de las propuestas del movimiento moderno, se requirió que el edificio singular fuera concebido y desarrollado como un objeto único con todas sus piezas bien integradas. Es decir, aunque cada subconjunto de componentes tenía y podía estudiarse por separado (condición necesaria para el análisis científico), en el momento de diseñar el edificio como una unidad bien estructurada, todos los componentes propuestos tenían que ensamblarse conformando y configurando un conjunto armónico, bien montado, en el que cada pieza cumplía con su función y, además, estaba bien articulada con las demás. De allí surgió la necesidad de enfocar el diseño del edificio singular como un "sistema". Debido a la complejidad creciente de cada componente y de su relación o ensamblaje con los demás, el proceso de diseño se fue también volviendo cada vez más complejo. Ninguna profesión pudo asumir ella sola el diseño total del sistema-edificio singular. Así, comenzó a surgir el trabajo multi e interdisciplinario que, al menos para los grandes edificios, planteó que todas o casi todas las profesiones involucradas tenían que trabajar juntas desde el comienzo del proceso de


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diseño. Ahora bien, ¿qué se entiende por sistema? ¿Cómo se aplica este concepto al edificio singular y su diseño? Un sistema es un conjunto organizado de componentes con muchas y variadas relaciones internas y pocas pero vitales relaciones externas con su "contexto". Dicho conjunto tiene autonomía e identidad histórica, y su comportamiento es dinámico durante un tiempo determinado. Tanto los componentes como las relaciones tienen diversas propiedades. Para considerar su aplicación al diseño de edificios, se parte de Benjamin Handler, quien, en 1970, publicó el libro Systems Approach to Architecture, donde daba pautas para este enfoque relacionándolo con el concepto de función: La idea de un sistema está muy vinculada con el concepto de funcionalidad. Por lo general, una función es la acción característica de algo. Así, las funciones de un edificio o de sus componentes son la forma en que ellos actúan u operan. Un sistema es el ensamblaje de piezas que se encuentran de tal manera conectadas que conforman un todo complejo. Si se desea explicar una función, se debe primero observarla como un sistema. La razón de esto es que la acción característica de algo se debe a su constitución específica. Para explicar el funcionamiento o la operación de un edificio y sus componentes, se deben entender sus componentes y cómo están conectados entre sí. Un edificio funciona de la manera que lo hace debido a que sus partes tienen ciertos atributos y porque tienen un conjunto de relaciones entre ellos. Si se cambian esos atributos y la forma como están conectados, entonces cambia la función. Si no hay cambios, las funciones permanecen. De estas consideraciones se deriva que el enfoque efectivo de la arquitectura en términos funcionales implica tratarla como un sistema. 19

19 Handler, A. B., Systems Approach to Architecture, Elsevier Architectural Science Series, American Elsevier Publishing Company, Inc., Nueva York, 1970, pág. 14.

Aunque esta descripción es de los años de 1970, el concepto en su esencia ya estaba presente no sólo en el movimiento moderno, sino incluso al inicio del diseño y construcción de los rascacielos en Chicago. El concepto de entender el edificio singular como un todo orgánico donde la forma surge desde dentro y como resultado de la función, ya estuvo formulada a finales del siglo XIX y se aplicó de diversas maneras en el diseño arquitectónico. El movimiento moderno, sin embargo, contribuyó enormemente a abrir la mentalidad de los profesionales de la arquitectura para que concibieran al edificio singular como un sistema artificial aislado o ais/able. Esto dio paso a la libertad de composición no sólo de los espacios y sus relaciones, sino además, y fundamentalmente, de la configuración del edificio, tanto en planta como en alzado. La configuración volumétrica del edificio singular pasó a ser el nuevo énfasis del diseño arquitectónico. Con la nueva libertad de creación, muchos arquitectos decidieron aprovechar las posibilidades que proporcionaban los

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sistemas estructurales y de servicios, para proponer una gama cada vez más variada de configuraciones. En estos procesos de búsqueda surgieron diseños cada vez más osados. Así, el sistema edificio singular comenzó a ser comprendido aplicando los siguientes criterios sistémicos. Handler explica: A diferencia de los sistemas orgánicos [naturales], los edificios y los procesos que los crean y los construyen son sistemas hechos por los humanos, con objetivos humanamente definidos... En el enfoque de sistemas se ha constatado que se requiere la colaboración y participación de especialistas de varias disciplinas, para lo cual hay que crear las condiciones para que concurran y se integren los aportes de los diferentes especialistas ... En tal sentido es necesario al menos hacer una lista de lo que implica el enfoque de sistemas cuando enfrenta los problemas del diseño de las edificaciones: 1. El todo es prioritario, las partes son secundarias. 2. El todo es el punto de partida y, desde éste, se consideran las partes y sus relaciones. 3. El todo es un complejo o una configuración, y su comportamiento es unitario independientemente de su complejidad. 4. Las partes juegan sus respectivos roles bajo la luz del propósito para el cual el todo existe. 5. La naturaleza y función de una parte se deriva de su posición en el todo, y su comportamiento está regulado por las relaciones de la parte en el todo. 6. Las partes, por lo tanto, se constituyen en un todo indisoluble, en el que ninguna parte puede afectarse sin afectar a las demás partes. 7. Las partes más importantes deberían ser capaces de coordinar y ajustar a las partes elementales. 8. Cada parte debería estar formulada de forma tal que indique su(s) relación(es) funcional(es) con cada una de las otras y con el todo, en vez de tan sólo consistir en un conjunto de categorías para clasificar variables. 20

Los edificios entonces no se comportan "por partes", sino como un todo, y especialmente durante un sismo. Si falla alguno de sus componentes, esa falla se transmite a todo el sistema y puede provocar el fracaso o colapso parcial o total del edificio. Edward Allen destaca la relación que hay entre el edificio como sistema y su comportamiento: Handler, A. B., Systems Approach to Architecture, Elsevier Architectural Science Series, American Elsevier Publishing Company, Inc., Nueva York, 1970, págs. 20-21. 20

A fin de entender cómo funciona un edificio, podemos analizarlo y estudiar sus diversas funciones generales. Pero pocas funciones del edificio se pueden aislar de las demás. Casi todos los componentes de un edificio tienen más de una función, teniendo algunos de ellos diez o más simultáneamente, y estas funciones son muy interdependientes. Si decidimos construir los tabiques de un edificio escolar de yeso sobre una estructura


Sistem--ª de acabados (cornisa';, r~lin'tñ~abiliZaCiÓn)

Sistema de cerramientos exteriores

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de acero, en vez de poner ladrillos, afectaremos las propiedades termales del edificio, las acústicas, la calidad y cantidad de luz en las clases, la instalación eléctrica y de agua, la utilidad de la superficie de las paredes, el peso muerto que pueda soportar el edificio, la resistencia al fuego, asT como qué empresa lo edificará y cómo se mantendrá. Algunas funciones de la escuela se verán mejoradas y otras pe~udicadas... Un arquitecto no puede pretender cambiar la manera cómo sirve una función sin afectar a otras. Un edificio [singular] tiene su propia ecorogia, delicado equilibrio interno de mecanismos conectados que no funcionan aisladamente sino en un conjunto ricamente interconectado. 21

La figura 13 ilustra un edificio singular como sistema y algunos de sus componentes, en Edward Allen, Cómo funciona un edificio: principios eleSistema estructural mentales. 22 Esta concepción del edificio singular como sistema autónomo tiene su origen en la conjunción de muchos factores: comenzando por la ideología : Sistema de que enfatizó en la individualidad y lucro particular, teniendo como punto de Sistema de "a-----~!!L--P instalaciones partida el postulado del padre de la economra polrtica, Adam Smith (Inglafundaciones • sanitarias terra, 1776), quien planteó que una sociedad maximiza su grado de bienFigura 13 estar cuando las acciones de cada uno de sus individuos está orientada a su propio bienestar. Este postulado fue aplicado progresivamente a la ciudad contemporánea a medida que los siguientes aspectos hicieron aparición: nuevas posibilidades y variedad de tipos de construcciones, nuevos tipos de funciones y usos, mayor integración de sistemas de servicios, evolución vertiginosa de nuevas posibilidades estructurales logrando cada vez mayores alturas, proliferación de diversos tipos y tamaños de parcelas, adaptación de normas urbanas a las realidades de la dinámica de la ciudad contemporánea de tipo corporativo y la creciente "necesidad" de cada empresa de diferenciarse hasta de sus vecinos, buscando en la configuración y la forma externa de su edificio los elementos visuales de identidad corporativa. Dentro de esta concepción, por lo tanto, un edificio como sistema estarra formado por un conjunto de componentes estructurales y no estructurales relacionados entre sr para dar lugar a un objeto coherente que lo identificará para una función determinada. Como se mencionó anteriormente, se ha partido de la premisa de que el edificio no es una sumatoria de componentes, sino una unidad en la que sus componentes están estre21. Allen, E., Cómo funciona un edificio: chamente vinculados y en donde la modificación de cada uno de ellos podrfa principios elementales, Editorial Gustavo influir, unos en mayor escala que otros, en el comportamiento general del ediGilí, Barcelona, 1982, pág. 41. 22 Ibíd., pág. 39. ficio singular y, en particular, en su desempeño sismorresistente.

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23 American Concrete Institute (ACI), Comité Técnico Colombiano del ACI, ACI-IP5-1 Requisitos esenciales para edificios de concreto reforzado [Essential Requirements tor Reintorced Concrete Buildings: Spanish Edition (2002)] ACl's International Publication Series, Farmington Hills, Michigan, 2002, págs. 3~0.


Los componentes del edificio singular Un edificio singular está formado por el conjunto organizado de componentes estructurales y no estructurales con el objetivo de sostener dicho edificio; resistir sin deformaciones permanentes significativas y transmitir hasta los cimientos las cargas generadas por factores exteriores tales como la gravedad, los sismos, la presión lateral de tierras y los factores ambientales como, por ejemplo, el viento, la temperatura, la lluvia y la nieve; facilitar las actividades que en ella se realizan; y contribuir a crear las condiciones ambientales internas y externas apropiadas para las actividades que en ellas se realizan y de acuerdo con el contexto que las rodea. El edificio se comporta como un sistema conformado por subsistemas interrelacionados, tales como el estructural, el de cerramientos interiores y exteriores (paredes interiores, puertas, ventanas, elementos de fachadas), instalaciones eléctricas, sanitarias y mecánicas, herrería y otros. Entre los componentes estructurales se encuentran, entre otros, los muros estructurales; las columnas, pilares y machones; las vigas, cerchas, viguetas y correas; las losas de piso y techo; las mezzaninas y la cimentación. Existe un grupo de componentes del edificio que si bien no tienen la responsabilidad de sostenerlo, son parte importante de él, deben ser autoportantes y no afectar a la función principal de los componentes del sistema de resistencia sísmica, por ejemplo, las pérgolas, las cubiertas, las escaleras y rampas, los tanques de agua y otros. Como componentes no estructurales de un edificio se han considerado cada una de las partes del mismo y todo su contenido, con excepción de los que fueron definidos anteriormente como estructurales. Por lo general, se incluyen como elementos no estructurales: los cerramientos verticales exteriores e interiores; los muros cortina; los antepechos, las cornisas, las tarimas, los cielos rasos o plafones; las puertas y las ventanas; los equipos de oficina, de escuelas y de hospitales; el mobiliario; las instalaciones sanitarias, eléctricas y mecánicas; la maquinaria; las obras de arte, los revestimientos y la decoración. Para el cálculo de las cargas muertas o permanentes producidas por los componentes no estructurales, el documento normativo del Comité Técnico Colombiano del Instituto Estadounidense del Concreto (ACI), ACI-IPS-1 Requisitos esenciales para edificios de concreto reforzado, los divide en horizontales y verticales. 23 Los horizontales: son aquellos cuya dimensión vertical es substancialmente menor que sus dimensiones horizontales, y están aplicados, soportados, fijados o anclados a las losas o a la cubierta


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de la edificación. Estos elementos incluyen, entre otros: formaletería permanente para losas o viguetas, morteros de afinado de piso, rellenos de piso, acabados de piso, rellenos en cubiertas inclinadas, elementos de cubiertas, tejas, membranas impermeables, aislamientos térmicos, claraboyas, cielo raso, alistados, y duetos para servicios. En edificios de oficinas u otras edificaciones donde se puedan construir o redistribuir particiones, se debe hacer provisión de carga para particiones, ya sea que éstas figuren o no en los planos arquitectónicos.

Los verticales: son aquellos cuya dimensión vertical es substancialmente mayor que su mínima dimensión horizontal y se encuentran erguidos libremente o soportados por los elementos estructurales verticales o fijados a ellos o anclados solamente a las losas de entrepiso. Tales elementos incluyen, entre otros: fachadas, muros no estructurales, particiones, recubrimiento de muros, enchapes, ornamentación arquitectónica, ventanas, puertas, y duetos verticales de servicios.

24 Término incorporado por L. T. Guevara desde 1989 en Architectural Considerations in the Design of Earthquake-Resistant Buildings: Influence of Roor-Plan Shape on the Response of Medium-Rise Housing to Earthquake, Disertación Doc· toral en arquitectura, College of Ambiental Design (CEO), Universidad de California, Berkeley, 1989.

El sistema de resistencia sísmica es el conjunto de componentes estructurales que le proporcionan al edificio la resistencia necesaria para soportar las fuerzas generadas como respuesta a los efectos de un sismo. Se considerarán como parte de dicho sistema todos los componentes que contribuyan y afecten la resistencia sísmica del edificio, por lo que cuando se diseña la estructura se debe ser cuidadoso en tener en cuenta todos los componentes, estructurales o no, que pudieran afectar de alguna manera a la capacidad de respuesta y de disipación de energía del edificio ante las acciones sísmicas. Es frecuente que ciertos componentes no estructurales, algunos de ellos muy rígidos, no se tomen en cuenta para el análisis del sistema estructural en el diseño de edificios sismorresistentes (DESR). Si estos componentes están adosados a los componentes estructurales y no se adoptan las medidas pertinentes, pueden ser causantes de daños no previstos en el edificio y provocar su colapso. Por esta razón, a estos componentes se les ha llamado no intencionalmente estructurales,24 porque debido a su carácter original de "no estructurales", generalmente se desestima su participación en el comportamiento sismorresistente del edificio. Pero, en cambio, por sus características dinámicas y a que no han sido debidamente separados de los componentes estructurales, al producirse un sismo pueden provocar efectos indeseados no previstos. Este es el caso, por ejemplo, de las configuraciones tipo columna cautiva y piso blando que se describen en el capítulo 4. Entre este tipo de componentes se pueden incluir, entre otros, las paredes de albañilería, los conductos para instalaciones y los equipos muy pesados.

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Es importante remarcar que cuando ocurre un sismo, el edificio actúa como un sistema, y el comportamiento de cada uno de sus subsistemas y sus correspondientes componentes, estructurales o no estructurales, no será sólo el que le ha sido asignado individualmente de acuerdo con sus propiedades dinámicas, sino también el debido a los efectos que pueden producir al resto de los componentes que conforman el sistema.

La influencia de la configuración en la vulnerabilidad sísmica de los edificios modernos En el aspecto formal, el movimiento moderno fue una reacción a los múltiples estilos del siglo XIX, argumentando supuestamente a favor de un no estilo. En la práctica, los cinco puntos se convirtieron en el estilo internacional, nombre por cierto muy adecuado para resumir la esencia de la globalización del capital al inducir la descontextualización edificatoria mundial. A partir de esta política, desde los años veinte del siglo XX, profesionales y clientes diseñan y construyen cualquier tipo de arquitectura. La paradoja histórica ha sido que, como todo estilo formal, se ha producido un cansancio al respecto, una reacción contra el dogmatismo teórico y formal, desatándose desde la segunda mitad del siglo XX el todo vale que ha ido incorporando a las ciudades edificios innovadores y de eclecticismo formal.

Cowan, Henry, Science and Building: Structural and Environmental Design in the Nineteenth and Twentieth Centuries (traducción y resumen de la Introducción), John Wiley & Sons Inc., Nueva York, 1978, págs. 3-4. 25

El deslinde Institucional y laboral entre arquitectos e Ingenieros25 Un factor que ha sido significativo en el comportamiento sísmico de los edificios de la ciudad contemporánea desde el punto de vista sísmico, es el deslinde institucional y laboral entre arquitectos e ingenieros que se generó a partir del siglo XVII. En la cronología general de la Introducción del libro se muestra, de una manera sincrónica y diacrónica, cómo esta marcada separación en las atribuciones de cada profesión hizo que se sectorizaran las responsabilidades en el proceso de diseño y construcción de los edificios, así como en el comportamiento de éstos ante acciones externas. De esta manera, tanto arquitectos como ingenieros perdieron la imagen holística en el comportamiento de los edificios y de la ciudad como un todo. El cambio en la forma de asignar las atribuciones de los diferentes profesionales que participan en este proceso y la creación de nuevas instituciones académicas y profesionales se debió principalmente a la incorporación de los avances científicos y técnicos en la construcción de los edificios y a la dinámica y complejidad en la conformación de las nuevas ciudades. El proceso histórico se describe a continuación.

La influencia de la configuraci6n en la vulnerabilidad sísmica de los edificios modernos

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El significado de las palabras arquitecto e ingeniero, de acuerdo con los conceptos manejados en la actualidad, surgen a principios del siglo XIX. La palabra griega architekton significa maestro constructor, y se usa tanto para el responsable de la construcción de puentes y acueductos como para el de teatros y templos. Por tanto, lo que hoy constituye profesiones separadas, en la antigüedad griega eran una sola profesión. Además, desde la antigüedad hasta el renacimiento las actividades de diseñar y de construir la obra estaban íntimamente relacionadas, hasta el punto de que gran parte del diseño se hacía en la obra. A partir del renacimiento comienza la separación entre el diseño y las etapas subsiguientes del ciclo de vida de la obra. En 1671, se funda en Francia la École des Beaux Arts de París, donde se enseñaba a diseñar edificios, enfatizando en el producto de esta actividad: el plan del edificio (planos, maquetas, dibujos, etc.) casi como un fin en sí mismo. En 1675 se fundó el Corps des Ingénieurs du Génie Militaire. Los grandes cambios, sin embargo, se produjeron progresivamente con la revolución industrial, el desarrollo de la ciudad capitalista y el surgimiento de nuevos tipos de edificios, que combinados alteraron y transfiguraron las técnicas constructivas y la profesión de construir. La producción industrial acentuó la división del trabajo aun dentro del propio proceso de diseño. En la medida en que surgían nuevos tipos de edificio, nuevos materiales, nuevas técnicas y nuevos procesos, se fue acentuando el surgimiento de nuevos desafíos, conocimientos, habilidades y propuestas de diseño. Los primeros pasos se iniciaron en Francia con el ejército francés cuando crearon Le Corps Institutionnnel des Ponts et Chaussées (1716) y, a partir de éste, L'École des Ponts et Chaussées (1747), que se convirtió en el modelo para las futuras escuelas de Ingeniería. La separación de las responsabilidades se corporativizó posteriormente, pero no en Francia, sino en Inglaterra, con la creación de la Institution of Civil Engineers (lSlS) y el Royallnstitute of British Architects (lS34). La diferenciación institucional surgió debido a los tipos de objetos manejados por cada grupo y no por los métodos de construcción empleados, ya que en ese período ambos seguían construyendo de manera tradicional. Los ingenieros se encargaron de los caminos, puentes y canales, y los arquitectos de los edificios monumentales y representativos de las élites. Los cambios de métodos comenzaron a surgir posteriormente cuando aparecieron los nuevos tipos de edificios, y fueron los ingenieros quienes asumieron el diseño completo de, por ejemplo, las fábricas: diseñaron tanto las máquinas, los procesos productivos como los mismos edificios que los albergaban. El hierro fue

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Capitulo J.. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

el material inicial de las estructuras de estos edificios, puesto que ya era el material usado en el diseño y construcción de las máquinas. Los arquitectos, que posteriormente comenzaron a usar estos nuevos materiales y estructuras, solicitaron a los ingenieros para que los asesoraran en el uso adecuado de un material y unas técnicas que les eran desconocidos. Algo similar sucedió con el concreto armado. En la medida en que se fue desarrollando el conocimiento tecnológico, y sobre todo científico, el diseño de estructuras en hierro, acero y concreto armado se realizaba con apoyo de las matemáticas, dominadas principalmente por los ingenieros. Los arquitectos renunciaron a estas nuevas áreas de conocimiento y diseño constructivo, lo que provocó que se separaran aún más las responsabilidades y la división del trabajo entre ellos y los ingenieros. En la mayoría de las ciudades que surgieron desde principios del siglo xx, los ingenieros tendieron a concentrarse en el diseño y el cálculo de las estructuras y las instalaciones, y los arquitectos se especializaron en la configuración, el establecimiento de rangos de actividades y de espacios, acabados, función, ocupación y desempeño de los edificios, así como la coordinación de los diseños de cada uno de los ingenieros especialistas. Algunas veces los arquitectos se ocuparon también de la supervisión de la obra. Esta separación en las atribuciones de los profesionales trajo graves consecuencias en las zonas sísmicas, donde el comportamiento de los edificios no está regido exclusivamente por las decisiones que toma el ingeniero estructural, sino por la concepción holística de todos los profesionales que intervienen en el diseño y construcción del edificio, así como en su ubicación dentro de la trama urbana y en la relación con los otros edificios. Como consecuencia de las lecciones aprendidas del sismo de México en 1985, Donald Geis, Carlos Hernández y Jesús Aguirre Cárdenas, comentan:

Geis, Dona/d, y otros, capítulo 6: "Architectura/ and Urban Design Lessons froro the 1985 Mexíco City Earthquakes: A Learning and Applications Project for Design Professionals", en Bertero, V. V., Lessons Learned from the 1985 Mexico Earthquake, Earthquake Engineering Research Institute 89-02, El Cerrito, California, 1989, pág. 227. 26

Tradicionalmente se ha considerado que el ingeniero estructural es el profesional con la responsabilidad primaria en el desempeño sísmico de una edificación. Esto ya no es verdad. El arquitecto tiene que jugar un papel por lo menos tan importante como el del ingeniero estructural. Si un arquitecto, por ejemplo, le da al ingeniero un concepto y los detalles constructivos de un edificio que son fundamentalmente pobres en su sismorresistencia, este profesional se enfrenta a un trabajo dificil, si no imposible, en la concepción de un edificio seguro. 26

Configuraciones arquitectónicas vulnerables De la dinámica tecnoformal y constructiva que marcó a la ciudad contemporánea y su arquitectura se pueden derivar parámetros que inducen a diseñar configuraciones que aumentan, en vez de disminuir, la vulnerabilidad de los

La influencia de la configuración en la vulnerabilidad sísmica de los edificios modernos

Figura 14

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edificios ante un eventual sismo. Por ejemplo: • La aplicación de los cinco puntos de Le Corbusier y la promoción de los edificios individuales en parcelas independientes, unidos al laisser faire que dominaba la época, generaron una gran variedad de formas arquitectónicas identificadas hoy día como irregulares y con configuraciones que pueden aumentar la vulnerabilidad de los edificios en zonas sísmicas. La figura 14 muestra cuatro ejemplos de edificios que se convirtieron en modelo para los arquitectos contemporáneos. El primero y el último, además, fueron diseñados para zonas de alta sismicidad, aunque el primero nunca se construyó: 1) Le Corbusier (1933), Edificio de viviendas (proyecto), Argelia; 2) SOM (1952), Edificio Lever, Nueva York, EE UU; 3) Stirling y Gowan (1959-1963), Universidad de Cambridge, Inglaterra; 4) Rhone e Iredale (1969), Vancouver, BC, Canadá. • El problema en las ciudades en zonas sísmicas no son los rascacielos altos y aislados, representativos de una gran corporación para cuyo diseño y construcción generalmente se seleccionan excelentes diseñadores arquitectónicos y estructurales, así como los mejores constructores e inspectores, sino los edificios construidos para especular, que imitan la imagen ofrecida por los diseños de los rascacielos, pero que no cuentan con los profesionales adecuados para realizar un diseño sismorresistente. • Los retranqueos generados por la fijación de porcentajes de ubicación diferentes para los pisos inferiores y los pisos superiores del edificio, lo cual es común en zonas de usos mixtos: comercios en los pisos inferiores y residencias u oficinas en las plantas superiores. Esta exigencia, al vincularse con la norma que fija el límite de altura del edificio en función del ancho de la calle frontal, más la distancia de retiro de la torre de pisos superiores respecto del lindero de frente, da lugar a edificios con una plataforma alineada con la acera y las torres retraídas. • La exigencia de retranqueos consecutivos de los pisos superiores en la fachada, siguiendo la normativa originada a principios del siglo xx en Nueva York para garantizar la iluminación y ventilación de los espacios interiores de los edificios altos, que produce una configuración escalonada del edificio, al igual que el caso precedente. • Las plantas bajas libres exigidas para no interrumpir las vistas en zonas con valores paisajísticos y la libre circulación del aire y de las personas en la planta baja, o, como fue muy común en las décadas de 1960 y 1970, para la ubicación del aparcamiento para vehículos.

Capítulo.1. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

54

•

•

La determinación de alturas diferentes para la planta baja de los edificios dedicada al uso comercial y las superiores que se destinan a viviendas u oficinas. Esta norma persigue la creación de oportunidades para la construcción de mezzaninas en los locales comerciales. La búsqueda de nuevas configuraciones no tiene límites aparentes. La figura 15 ilustra otro edificio diseñado por Le Corbusier para un país sísmico como Argelia, que, aunque no se llegó a construir, se convirtió en otro modelo a imitar. Este modelo contiene un conjunto de configuraciones arquitectónicas que hacen sísmicamente vulnerable al edificio.

Desde el punto de vista urbanístico, en los puntos 94 y 95 de la Carta de Atenas, se proponía que a la hora de definir los reglamentos el objetivo era "[ ... ] la distribución de todo el suelo útil para equilibrar las necesidades vitales del individuo en plena armonía con las necesidades colectivas", "[ ...] el interés privado será subordinado al interés colectivo". Pero se evidenciaron

Problemas de configuración Plataformas en cascada o viviendas "bandeja" en Durand, Argelia,

Escalonamientos set backs

1933-1934

Voladizos sucesivos escalonados

Sobrepesos irregulares por jardines escalonados Planta baja libre (estacionamientos)

Figura 15

La influencia de la configuración en la vulnerabilidad sismica de ios edificios modernos

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las contradicciones entre la propuesta del CIAM del control de la tierra por un lado y la necesidad de mantener la dinámica del laisser faire, el dejar hacer a cada uno lo que quiera del neoliberalismo económico. La normativa urbana terminó por propiciar el diseño y la construcción de edificios singulares donde cada uno construyó a voluntad en cada parcela, generando bloques de edificios individuales con variadas configuraciones pero siempre con una significativa influencia de los cinco puntos, favoreciendo la pérdida de los alineamientos y la fractura del muro urbano homogéneo. La singularidad de cada edificio y la búsqueda de su "equilibrio ecológico" interno ha implicado que los arquitectos tengan que trabajar desde el principio del proceso de diseño conjuntamente con todos los demás profesionales necesarios para lograr el edificio autosuficiente; por ejemplo, ingenieros de muy variadas especialidades, y con el propietario o los propietarios. En las últimas décadas los ingenieros estructurales han sido quienes han tenido que asumir la responsabilidad social y civil, yen algunos casos hasta penal, en la determinación de los estándares a tener en cuenta. Por ejemplo, en Estados Unidos se ha fortalecido la ingeniería sísmica basada en el comportamiento o desempeño (PBSE, Performance Based Seismic Engineeringj, que consiste en establecer, para cada proyecto, que la responsabilidad sobre la decisión crucial sobre cuál es el estándar de riesgo que se va a adoptar sea del propietario de la obra, basándose en un mínimo necesario de conocimientos y criterios facilitados por los ingenieros. Por lo tanto, ahora se pretende que los profesionales, en este caso los ingenieros estructurales, expongan la información pertinente y faciliten a los propietarios la comprensión de cada estándar y sus implicaciones, pero aclarándoles que son ellos los quien tienen el deber y el riesgo de decidir. Desde el punto de vista sísmico, el posmodernismo, con sus diferentes estilos, ha aumentado la vulnerabilidad de las ciudades ubicadas en zonas sísmicas. Debido a la gran variedad de formas introducidas, es muy difícil predeterminar su posible comportamiento y normalizar las recomendaciones y prescripciones para controlar el diseño y la construcción de los edificios de este movimiento que han poblado las ciudades en zonas sísmicas. La búsqueda de concepciones formales y constructivas cada vez más arriesgadas son motivo incluso de propaganda comercial en revistas institucionales, y aunque en ciertos casos cuentan con previsiones sismorresistentes, nunca están a la vista ni se publicitan, quedando en cambio en la mente su imagen y configuración arquitectónica irregular.

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Architectural Record. "Building Types Study: Preserving landmarks". octubre de 1983, pág. 88.

27

En la figura 16 se muestra la propaganda de United States Steel, difundida en 1983 en la prestigiosa revista Architectural Record. 27 Por medio de un juego de palabras en inglés "Diseña un retranqueo y róbate el show" (steel=acero y steal=robar, se pronuncian igual), se fomenta el uso de los retranqueos (set-back) y se hace alarde de las posibilidades que brindan las estructuras del material publicitado para crear una configuración arquitectónica irregular. Pero si la solución estructural no está apropiadamente resuelta, puede resultar muy vulnerable en zonas sísmicas. Este es un excelente ejemplo de ideologización profesional y comercial promovida por dos instituciones: la revista especializada para arquitectos y la famosa empresa productora de componentes de acero. La configuración arquitectónica del edificio muestra una sección interior escalonada, sobre la cual se apoya parcialmente un extremo de un gran volumen rectangular mientras el otro extremo lo hace sobre dos columnas altas y esbeltas. El texto de la publicidad está lleno de expresiones como: "Todos fueron ganadores", "Se tuvo éxito al crear una imagen global e interesante", "El ingeniero estructural cumplió con el desafio de este diseño inusual", "El propietario obtuvo un edificio práctico y funcional a la vez de llamativo", etc. Estas configuraciones son muy peligrosas en zonas sísmicas.

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La penetración de la arquitectura moderna en las ciudades hispanoamericanas Los países hispanoamericanos, con excepción de Paraguay y Uruguay, están sobre o muy cerca de las zonas de unión de las placas tectónicas de Nazca, Sudamericana, del Caribe, del Coco y Norteamericana, lo cual quiere decir que la mayoría de ellos están en zonas sísmicamente activas. Con el objetivo de revisar la rápida penetración del movimiento moderno en la arquitectura hispanoamericana y su influencia en el establecimiento de las normas urbanas de zonificación, a continuación se mencionan algunos de los aspectos más importantes que marcaron la adaptación de los postulados de fa Bauhaus, de la Carta de Atenas y de los cinco puntos de Le Corbusier: 1. Arquitectos hispanoamericanos, entre otros, Oscar Niemeyer, Rogelio Salmona, Germán Samper, Carlos R. Villanueva, Augusto H. Álvarezy Mario Pani, estudiaron y trabajaron en Europa con los principales promotores del movimiento moderno, e incluso algunos participaron en los CIAM, y en Estados Unidos con los promotores del estilo internacional. 2. Dentro del espíritu del movimiento moderno y del estilo internacional, de transformación de los centros urbanos, resultó más fácil y económico en Hispanoamérica ir sustituyendo las viejas casonas de las manzanas organizadas en damero por rascacielos construidos para las corporaciones públicas y privadas, que modernizar áreas completas de la ciudad, como se hizo en Europa. Los postulados modernos penetraron rápidamente en la arquitectura y urbanismo hispanoamericanos. Se destaca, por un lado, el desarrollo de grandes conjuntos habitacionales para las clases trabajadoras y condominios para las clases media y alta en nuevas áreas de expansión de las ciudades y, por el otro, la construcción de rascacielos en los centros urbanos. Además, se ensayaron algunos de los postulados del CIAM, del movimiento moderno y del estilo internacional, con la creación de dos nuevas ciudades, Brasilia en Brasil y Ciudad Guayana en Venezuela. 3. Al igual que en el resto de las ciudades que aplicaron los nuevos dogmas arquitectónicos, la normativa urbana terminó por fomentar el diseño y construcción de edificios individuales, generando bloques que son una sumatorta de edificios con variadas configuraciones, propiciando la pérdida de los alineamientos y la fractura del homogéneo borde urbano construido. 4. Hay que recordar, además, que la normativa municipal hispanoamericana, en general, se desarrolló a partir de la adaptación a las circunstancias. Dice Francisco Domínguez Compañy: "La necesidad obligaba a

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los municipios a legislar sobre la marcha, sin atenerse a disposiciones que todavía no existían, y cuando más tarde las normas autorizaron a unos y otros, directa o indirectamente, a elaborar ordenanzas, no se ocuparon de establecer un formato, ni indicar los asuntos que debían ser regulados por ellas. Los Cabildos, sin antecedentes legales a que referirse, simplemente establecieron disposiciones sobre lo que era apremiante y necesario regular".28 Este comportamiento fue conveniente para los cambios que iba requiriendo la modernización arquitectónica. Esta es la razón por la cual hoy en día en los cascos históricos conviven edificios tradicionales adosados a otros nuevos, que tienen diferentes alturas totales y de entrepisos, configuraciones en planta y en alzado y una gran variedad de sistemas constructivos y materiales. 5. La falta de una política pública para la reducción del riesgo sísmico en las ciudades, cuya normativa hubiese guiado los procesos de urbanización y construcción de edificios singulares, ha aumentado la vulnerabilidad urbana y arquitectónica ante un sismo. La mayoría de estos edificios han sido concebidos como unidades independientes y con comportamientos estructurales diferentes, por lo que, al ocurrir un sismo, pudieran producir efectos negativos en su entorno.

Crónica sobre la influencia de la configuración en el desempeño sísmico

28 Domínguez Compañy, F., Ordenanzas municipales hispanoamericanas. Asociación Venezolana de Cooperación IntermunicipalInstituto de Estudios de Administración Local, Madrid-earacas. 1982. pág. 12.

Aunque existen algunas experiencias empíricas aisladas previas, los estudios sistemáticos sobre los sismos y sus efectos en los edificios singulares se iniciaron con el siglo xx. Esta crónica comienza con una cronología en la cual se correlacionan los acontecimientos más significativos durante el siglo xx en ingeniería sísmica, arquitectura, urbanismo y los sismos ocurridos, representados en la figura 17. Esta cronología evidencia que ha habido una creciente preocupación científica y académica para la innovación y el desarrollo tecnológico, en especial durante la segunda mitad del siglo, con el objetivo de comprender y dar respuesta a los riesgos que tienen las ciudades contemporáneas y sus edificios cuando están expuestos a los sismos. Es de destacar que aunque desde principios del siglo xx los especialistas que observaron y estudiaron los efectos de los sismos fueron percibiendo que la forma del edificio guarda estrecha relación con su comportamiento sismorresistente, no fue sino hasta finales de dicho siglo cuando se produjo el cambio de paradigma y el inicio del proceso de revisión de los postulados heredados de la Bauhaus y de los CIAM, en especial para

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las ciudades contemporáneas ubicadas en zonas sísmicas, y las consideraciones sobre la influencia de la configuración en el comportamiento sismorresistente de los edificios singulares. En la cronología se destaca fa sincronía entre normas y recomendaciones sísmicas de California (SEAOC, UBC-IBC), la realización de los congresos mundiales de ingeniería sísmica y algunos sismos importantes. Así mismo, como referencia cronológica del desarrollo de la arquitectura y la planificación urbana, se ubican la Bauhaus, los CIAM y la Carta de Atenas. El aprendizaje al final del siglo XX fue que la mayoría de los edificios que se construyeron a lo largo de todo el siglo se diseñaron con formas complejas que pueden ser las causantes de un comportamiento inapropiado ante las acciones de los sismos. Entre estas formas se pueden distinguir: a) la distribución irregular de los componentes constructivos que definen la rigidez y la resistencia de forma irregular; b) entrantes y salientes de dimensiones significativas tanto en planta como en alzado; c) losas de piso con grandes aberturas que producen discontinuidad en la distribución de las fuerzas horizontales; d) proporciones extremas que generan edificios esbeltos y alargados; e) uso de componentes no estructurales que modifican el comportamiento del sistema de resistencia sísmica; f) componentes no estructurales cuyo comportamiento independiente no esperado ni deseado puede causar daños a las personas y pérdidas económicas cuantiosas; g) incorporación sobre la trama urbana tradicional de edificios contemporáneos y adyacentes a los existentes sin tener en cuenta los efectos que se pueden producir entre ellos. Debido a la gran variedad de formas y tamaños que se puede generar por la combinación de los diferentes aspectos arquitectónicos y la complejidad para modelar en la fase de diseño paramétrico o analítico su posible comportamiento, las normas han tardado en incorporar parámetros relacionados con la configuración arquitectónica y a menudo se recurre a las simplificaciones. Esta tendencia conduce, en muchos casos, a soluciones que no se ajustan a la realidad. Por ello, es conveniente que no sólo se cumplan los requisitos establecidos en las normas, sino también que se manejen los conceptos que permitan entender el comportamiento del edificio como un todo, y poder definir medidas complementarias de seguridad y garantizar, ante la incertidumbre, una redundancia que equilibre la falla de alguna de las partes esenciales del sistema de resistencia sísmica. En este apartado se relata cómo se fue fortaleciendo la premisa de la relación entre los aspectos arquitectónicos de un edificio o conjunto de ellos

Crónica sobre la influencia de la configuración en el desempeño s{smico

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y su comportamiento sismorresistente. En las secciones posteriores se describirán diferentes casos de irregularidad en la configuración de los edificios como un todo, es decir, del edificio singular, y entre edificios adyacentes o colindantes.

Freeman. J. R., Earthquake Damage and Earthquake Insurance. McGraw-Hill. Nueva York. 1932, pág. 711. 30 No se menciona título. 31 Freeman. J. R., Earthquake Damage...• ob. cit., pág. 710. 29

Antecedentes Desde principios del siglo xx, los arquitectos e ingenieros de Japón habían comenzado a usar estructuras de concreto armado y de acero, y las configuraciones arquitectónicas que en ese momento se imponían en Europa y Estados Unidos y que habían surgido como consecuencia de las libertades que les permitían estos nuevos avances en la manera de construir. Como consecuencia del gran sismo de Kanto, Japón, en 1923, que causó una gran destrucción en Tokio y Yokohama, se evaluaron las nuevas tecnologías constructivas y la variedad de configuraciones edificatorias que habían generado. John Freeman describe en su libro Earthquake Damage and Earthquake Insuranc&9 que después del sismo de Kanto, Tachu Naito, un reconocido ingeniero y profesor de arquitectura de la Universidad de Waseda en Tokio, que había diseñado y calculado varios edificios que tuvieron un excelente comportamiento en dicho sismo, fue invitado a presentar un resumen en inglés de su libro30 en el boletín de junio de 1927 de la Sociedad Sismológica de Estados Unidos, porque se consideraba que era un verdadero tratado sobre diseño sismorresistente. Dicho libro había sido escrito en japonés ocho años antes del mencionado sismo. Según Freeman,31 Naito explicó que Toshikata Sano, de la Universidad Imperial de Tokio, fue aparentemente el primer autor que realizó un estudio sistemático de los edificios sismorresistentes del nuevo estilo arquitectónico denominado European and American types (los tipos europeo y estadounidense), basándose en la información que se obtuvo del sismo de San Francisco de 1906. Al respecto, Naito mencionó que el nuevo estilo de arquitectura comercial que se estaba construyendo en Estados Unidos había comenzado también a adoptarse desde principios del siglo en los grandes edificios japoneses, debido principalmente a la rapidez con que se podían construir y a que, en comparación, resultaban más baratos que los edificios rígidos por él propuestos, pero que no prestaban particular atención a su sismorresistencia. Muchos de estos edificios sufrieron daños severos en el sismo de Kanto. Glen Berg resume en cuatro puntos los principios fundamentales para el diseño de edificios sismorresistentes propuestos por Naito en su libro,

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en los cuales hace mención a aspectos de la configuración arquitectónica de los edificios: 1. Un edificio debe ser diseñado para actuar como un cuerpo sólido rígido en la medida de las posibilidades. Los miembros estructurales deben estar rígidamente conectados y reforzados generosamente. 2. Se debe usar una ·planta cerrada"; es decir, la forma de la planta del edificio debe ser un rectángulo completamente cerrado en lugar de una forma de U, L, Yo H. 3. Se debe usar un buen número de paredes rígidas y dispuestas simétricamente en planta y continuas en toda la altura del edificio. 4. Las fuerzas laterales deben distribuirse en los pórticos de la edificación en proporción a su rigidez. 32

32 Berg, G. v., Seismic Oesign Codes and Procedures, Earthquake Engineering Research Institute (EERI), Berkeley, California, 1983, pág. 23. 33 Ibíd., pág. 24. 34 Whittaker, A. et al, Oevelopment of Japanese Building Seismic Regulations en http://nisee.berkeley.edu/kobe/codes.html, National Information Service for Earthquake Engineering (NISEE), Universidad de California. Berkeley. 35 Berg, G. V., Seismic Oesign Codes ... , ob. cit., hace una descripción de las características de dicho edificio, pág. 24.

Estos puntos serían de gran importancia con posterioridad para el estudio de la influencia de la configuración en el desempeño de los edificios. Otro de los factores importantes con relación a la configuración de los edificios que se tomaron en cuenta como consecuencia del sismo de Tokio de 1923, fue la altura total. Glen Berg33 menciona que como consecuencia de dicho sismo las regulaciones para la reconstrucción de Tokio y Yokohama fueron más estrictas. Limitaron el tamaño de los edificios y regresaron a la altura límite de 100 pies (30,5 m) sobre el nivel de la calle. Esta regulación se mantuvo hasta la II Guerra Mundial. 34 No obstante, uno de los edificios más importantes que resistió el sismo de Tokio fue el Hotel Imperial, diseñado por el famoso arquitecto estadounidense Frank L10yd Wright y construido entre 1916 y 1922. Wright fue contratado para diseñar este hotel para que fuera un símbolo del renacimiento de Japón como nación moderna y representara la relación entre este país y el mundo occidental. Wright diseñó el Hotel Imperial con una estructura de muros estructurales de ladrillo, e incorporó conceptos estructurales de la arquitectura tradicional japonesa combinados con los conceptos de funcionalidad y las comodidades de que disfrutaban en Estados Unidos. 35 Aunque este edificio sufrió daños menores y fue catalogado entre los pocos edificios que tuvieron un buen comportamiento ante el sismo de Tokio de 1923, no se adoptó como modelo para el diseño de los edificios modernos en zonas sísmicas; como no reproducía los postulados del estilo internacional, en 1968 fue demolido para construir en su lugar un edificio alto que respondía a los patrones de moda en aquel momento. La relación entre el buen comportamiento de este edificio y su configuración arquitectónica no ha sido todavía estudiada cuidadosamente. Robert Reitherman menciona:


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Una reevaluación técnica de la historia del Hotel Imperial y del gran sismo de Kanto está en deuda, y algunos de los tópicos siguientes no han sido escrutados anteriormente con atención: las juntas sísmicas, el sistema estructural de "bandeja de camarero" (Waiter's Tray) , el sistema de cimentación de pilotes cortos, las paredes huecas, la distribución vertical del material, las medidas preventivas contra el fuego para después del sismo, los detalles de unión de la albañilería, el aislamiento entre los componentes estructurales y los no estructurales. Con nuestra percepción retardada, algunos de los aspectos sísmicos de la edificación pueden parecernos de dudosa validez, pero el Hotel Imperial se mantiene como un ejemplo fuera de lo común de un intento cuidadoso de un diseñador por integrar la arquitectura y la ingeniería en una estrategia de diseño sísmico exhaustiva. 36

y más adelante remarca Reitherman: Si uno tuviera que escoger el edificio cuyo comportamiento en el sismo de 1923 tuvo la mayor influencia en los arquitectos historiadores y los periodistas, y por lo tanto en el público de masas, no habría duda en que sería el Hotel Imperial. Pero si uno mira cuidadosamente el edificio con el comportamiento estructural que fue más observado y discutido entre los ingenieros, o si se escogen los ejemplos que han tenido el mayor efecto en el desarrollo del estado del conocimiento en diseño sísmico y en la evolución de los reglamentos para edificaciones sísmicas, entonces los edificios de Tokio diseñados por el Dr. Tachu Naito serían la selección obvia. En el árbol genealógico de nuestro estado del conocimiento sísmico contemporáneo se puede rastrear hacia atrás hasta Naito (y Suyehiro, Sano, Imamura, Omori, Milne y otros en Japón) y a Italia y a otros en la última mitad del siglo XIX, pero, sin embargo, Wright no forma parte de este linaje. El Hotel Imperial está fuera de esta historia evolutiva. 37

Reitherman, R. K., Frank Lloyd Wright's Imperial Hotel: A Seismic Re-Evaluation en Proceedings of the Seventh World Conference on Earthquake Engineering, IAEE, Estambul, 1980. 37 Ibíd. 36

Los principios propuestos por los japoneses al comienzo del siglo xx no trascendieron ni en Estados Unidos ni en la mayoría de los países ubicados en zonas sísmicas que seguían el modelo estadounidense. Las capitales de estos países crecían aceleradamente incorporando a las zonas urbanas los edificios con estructuras flexibles, más rápidas de construir y más económicas que las rígidas propuestas por los japoneses, las cuales además les permitían seguir las tendencias inicialmente del movimiento moderno europeo, que procedían predominantemente de Francia y Alemania, y luego su posterior desarrollo en el este de Estados Unidos, a través del estilo internacional, el cual se extendió a otras ciudades del resto del país que estaban en pleno crecimiento. Pero estas tendencias arquitectónicas se habían desarrollado originalmente en regiones donde no ocurren sismos. Al llegar este estilo a California, los ingenieros estructurales tuvieron que realizar estudios para lograr la resistencia sísmica en estructuras flexibles. En 1927, por primera vez la Internacional Conference of Building Officials

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-ICSO (conferencia internacional de funcionarios de la construcción de Estados Unidos), que había sido fundada en 1922, introdujo el Uniform Building Code - UBC (código uniforme de la construcción). En contraposición a los muros rígidos de los japoneses se estableció el concepto de ductilidad de pórticos rígidos para la seguridad de las estructuras, reduciendo así las fuerzas de diseño. Es decir, se permitía disipar energía mediante la deformación por flexión, de manera tal que la estructura se deformara pero sin llegar al colapso. Pero estas disposiciones no tenían en cuenta la configuración arquitectónica ni la rigidez que las paredes no estructurales proporcionaban al sistema de resistencia sísmica. Después de la 1I Guerra Mundial el estilo internacional se extendió por Europa, las colonias francesas, la Unión Soviética, Iberoamérica y Japón. Durante las décadas de los cincuenta, sesenta y setenta del siglo xx, las ciudades de estas regiones crecieron desmesuradamente y se transformaron en grandes metrópolis. Paralelamente, en las zonas sísmicas los ingenieros estructurales iban avanzando en el desarrollo de parámetros para permitir que el innovador sistema de pórticos de concreto pudiera resistir los efectos de los sismos. Pero, entusiasmados por las hazañas estructurales que permitía dicho sistema estructural, tardaron en darse cuenta de que las formas edificatorias generadas por las tendencias arquitectónicas que se diseminaban por el mundo no eran las más apropiadas para las zonas sísmicas. Los años sesenta y setenta

Si bien durante los años cincuenta los ingenieros estructurales habían tenido una gran actividad profesional en el campo de las estructuras sismorresistentes, no fue sino hasta el sismo de Anchorage, Alaska, en 1964, cuando se llamó la atención acerca de la imperiosa necesidad de que se tuviera en cuenta la contribución de los componentes no estructurales en el comportamiento sísmico de los edificios y el grave peligro que imponía especialmente el colapso de los componentes de fachada. El sismo de Caracas, Venezuela, en 1967, aun cuando el número de edificios que colapsaron fue reducido, produjo muchos daños tanto estructurales como no estructurales, y se convirtió en un importante laboratorio de prueba de los conceptos de ductilidad para el diseño y construcción de edificios sismorresistentes que para ese momento se debatían en Estados Unidos. Debido al acelerado crecimiento de dicha ciudad a partir de la década de 1940 gracias a los ingresos petroleros, se habían usado las técnicas

Crónica sobre la influencia de la configuración en el desempeño sTsmico

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constructivas desarrolladas en Estados Unidos y las tendencias de la arquitectura moderna en boga para ese momento en todo el mundo. Una vez más, en los innumerables informes técnicos emitidos por los comités de expertos que evaluaron los daños producidos por dicho sismo, se insistió en la presencia de ciertas configuraciones arquitectónicas que se repetían en la mayoría de los edificios dañados, entre otros, las irregularidades en planta o el uso de plantas bajas libres, generando pisos flexibles. Al respecto, Christopher Arnold y Robert Reitherman citan del informe de Robert Hanson y Henry Degenkolb: 38 La mayoña de los departamentos altos tenían muchas divisiones de bloque hueco y muros exteriores del mismo material que actuaron como muros de cortante, al menos hasta que fallaron los bloques huecos. Sin embargo, la planta baja se usaba a menudo como área comercial o como estacionamiento de automóviles, de tal modo que los muros de bloque hueco no se prolongaban hasta el suelo. Esto concentró las fuerzas, la deformación y la absorción de energía en el primer piso, con el consecuente daño en ese punto. Existe una fuerte tendencia arquitectónica en todo el mundo a dejar la planta baja abierta, es decir, a colocar el edificio como si estuviera sobre "zancos". Como señaló un ingeniero estructural: "A los arquitectos les gusta construir sus edificios sin medios visibles de apoyo". No se puede enfatizar más el hecho de que los requerimientos sísmicos reglamentarios en uso no están basados en este tipo de distribución dinámica de rigidez, y se pueden esperar grandes problemas potenciales en estos edificios construidos con los mínimos requisitos reglamentarios en áreas sujetas a grandes sacudimientos sísmicos. Los daños en muchos edificios de Caracas son una gran advertencia sobre lo que podría suceder en la costa occidental de los Estados Unidos. 39

Todavía veintitrés años después de este sismo se recordaban las lecciones aprendidas. En el suplemento del Código Nacional de la Construcción de Canadá de 1990 se menciona: Las fallas en algunos edificios en el sismo de Caracas del 29 de julio de 1967 fueron causadas por las paredes de bloques, las cuales actuaron como muros estructurales, cambiando así la rigidez de los pórticos que había sido asumida en el diseño original. 40 38 Hanson, R., y Degenkolb, H., "The Venezuela Earthquake, July 29 1967", en Earrhquakes, American Iron and Steel Institute, Washington, D. C., 1975, pág. 309. 39 Amold, Ch., y Reitherman, R., Configuración y diseño sTsmico de edificios, Editorial Limusa, Ciudad de México, 1987, pág. 275. 40 Canadá, Supplemenr ro rhe Nacional Building Gode of Ganada, National Research Council de Canadá, Otawa, 1990, pág. 215.

De igual manera, este sismo, junto con el de Alaska de 1964, constituyeron una fuente de gran importancia en el desarrollo en el ámbito internacional de la ingeniería geotécnica que recién se iniciaba, yen la creación de la especialización en ingeniería geotécnica de terremotos, debido a la correlación que se estableció entre los daños en los edificios y las propiedades dinámicas del suelo. De su estudio emanó una serie de recomendaciones que deberían ser tomadas en cuenta, aunque no trascendieron, en la normativa urbana de zonificación para la regulación en la altura de los edificios

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Capitulo :l.. La configuración del edificio singular en la ciudad contemporánea

y los requerimientos exigibles con relación a su respuesta estructural de acuerdo con las características dinámicas de los suelos de las diferentes zonas de la ciudad. La versión en español del informe de Saltan Seed y otros, Relaciones entre las condiciones del suelo y el daño a edificios durante el sismo de Caracas de 29 de julio de 1967, concluye: Evidencias analíticas y empíricas indican que las localizaciones de zonas de gran daño en Los Palos Grandes y en Caraballeda pueden ser atribuibles a las combinaciones desfavorables de condiciones del suelo y características de los edificios, las cuales resultaron en una respuesta particularmente fuerte de las estructuras averiadas. La distribución del daño muestra claramente lo indeseable de construir edificios con períodos fundamentales semejantes a los de los depósitos de suelos sobre los cuales se encuentran situados, a no ser que se tomen precauciones especiales en el cálculo estructural. De significado especial es el hallazgo de que los métodos analíticos modernos pueden predecir la distribución general del daño en el sismo de 1967, indicando la posibilidad de que los mismos procedimientos pueden ser utilizados para analizar el potencial de daño durante otros sismos que puedan afectar a Caracas en el futuro. Es de esperar que el conocimiento de la influencia de las condiciones del suelo en el movimiento del terreno y el daño a los edificios durante el sismo de 1967 conduzca a mejores Normas de proyecto no sólo en Caracas sino también en otras ciudades expuestas a la amenaza de sismos de importancia. 41

Seed, H. B., et al., Relaciones entre las condiciones del suelo y el daño a edificios durante el sismo de Caracas de 29 de Julio de 1967, Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering University of California at Berkeley, Report No. EERC 70-2 (en castellano e inglés), febrero de 1970, Berkeley, California, 1970, pág. 40. 42 Véase la descripción de estas configuraciones en el apartado "Distribución irregular de la rigidez y de la resistencia" del capítulo 4. 41

El sismo de San Fernando, California, en 1971, aunque tuvo una magnitud moderada de 6,6 en la escala de Richter y el número de víctimas mortales (65) fue reducido, se produjeron grandes pérdidas económicas y daños significativos. La infraestructura hospitalaria fue severamente afectada, de la cual dos de los grandes hospitales, el Olive View y el Veterans' Administration Hospital, sufrieron graves daños y fueron los causantes de la mayoría de las víctimas mortales. El edificio de tratamiento, consulta y hospitalización del complejo hospitalario Olive View en Sylmar, cerca de San Fernando, que se terminó de construir en 1970 como modelo de edificio que cumplía con los preceptos estructurales de las normas sísmicas vigentes, se convirtió en el modelo de "todo lo que no se debe hacer desde el punto de vista arquitectónico en zonas sísmicas, y mucho menos en un hospital, y se concentró en un solo edificio". Este edificio presentaba entre otras: planta geométricamente irregular; dos niveles de piso blando y piso débil; esbeltos núcleos de circulación vertical exteriores; y concentración de grandes masas. No se tuvieron en cuenta los efectos que podía producir la configuración arquitectónica 42 en su comportamiento sismorresistente. Se ha escrito mucho y se han realizado innumerables estudios sobre la respuesta


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sísmica de este hospital, por lo que en los centros de información especializados existe una vasta bibliografía sobre el tema. Los sismos que afectaron a Managua, Nicaragua, en 1972, y Ciudad de Guatemala en 1976, ciudades que habían tenido un crecimiento significativo en su inventario de edificios modernos, arrojaron lecciones importantes en cuanto a los daños producidos debido a las irregularidades en la configuración arquitectónica. En 1979, el sismo de Imperial Valley en California fue una muestra más de los problemas que se estaban presentando en los edificios con pisos flexibles o pisos blandos. El edificio de servicios administrativos del Imperial County, diseñado y construido dando cumplimiento a los preceptos estructurales contenidos en las normas sísmicas más avanzadas del momento, sufrió daños considerables antes de ser ocupado y tuvo que ser demolido debido a los efectos que se produjeron por una configuración arquitectónica inadecuada.

La reacción de los arquitectos e ingenieros

lagorio, Henry J., Earthquakes: An Architect's Guide to Nonstructural Seismic Hazards, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1990, pág. XIII. 44 Algermissen, S. T., et al., A Study of Earthquake Losses in the San Francisco Bayarea: Data and Analysis, National Oceanic and Administration (NOAA), Environment Research laboratories, U. S. Department of Commerce, Washington, D. C., 1972. 43

Debido al conjunto de evidencias acumuladas, en la década de 1960 se inició un movimiento entre los arquitectos investigadores de California junto con los de Japón, que se preocuparon por el estudio de la influencia de la configuración en el comportamiento de los edificios en caso de sismos. Un grupo de profesores del departamento de Arquitectura de la Universidad de California, Berkeley, mostró gran interés en los efectos producidos por los sismos y la necesidad de la conformación de equipos multidisciplinarios para enfrentarlos, tanto desde el punto de vista arquitectónico como urbanístico. Entre los pioneros están el arquitecto Henry Lagorio y los ingenieros George Simonds y Karl Steinbrugge. Desde los inicios de esa década se encuentran artículos de arquitectos pioneros en esta área, publicados en revistas especializadas y en congresos internacionales en Estados Unidos, por ejemplo, "Where the Architect Stands on the Team: An Introduction to Aseismic Design", de Robert L. Alexander, en el Boletín del Instituto de Arquitectos de Estados Unidos (AlA Journa~, "Programing for Earthquakes" de Henry Lagorio y Karl Steinbrugge, en Progressive Architecture, ambos en 1964. Estos dos últimos autores participaron a principios de los años setenta en el primer estudio de vulnerabilidad sísmica de un área metropolitana para el cual se conformó un equipo multidisciplinario. 43 El informe final, A Study of Earthquake Losses in the San Francisco Bay Area: Data and Analysis, se publicó en 1972.44 Posteriormente se realizaron estudios similares para otras áreas metropolitanas.

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A partir de la década de 1970 destacan las numerosas participaciones de Christopher Arnold en congresos nacionales e internacionales y sus artículos en revistas internacionales de arquitectura. De igual manera, Robert Reitherman publicó diversas versiones de su guía para reducir el riesgo de daños por sismos de los componentes no estructurales. Se incorporaron comentarios importantes en guías de diseño para arquitectos, como Architectural Graphic Standards publicado por John Wiley and Sons, en 1970, Design Essentials in Earthquake Resistant Buildings, por el Instituto de Arquitectos de Japón (AIJ) en 1970, y el manual de diseño de los servicios de las tres fuerzas militares de Estados Unidos (el Ejército, la Marina y la Fuerza Aérea ), titulado Seismic Design for Buildings, en 1973. Se publicaron libros de texto escritos por o para arquitectos, que han sido utilizados ampliamente por sus colegas y por ingenieros estructurales, tanto académicos como profesionales. Se pueden mencionar, entre otros: E. Botsai et al., Architects and Earthquakes, 1975; Gordon Dean y Eswing Zacher, Architects and Earthquakes: Research Needs, en 1976; D. J. Dowríck, Earthquake resistant Design: A Manual for Engineers and Architects, 1977 (reed. 1987, reimpr. 1997); G. Mc Cue et al., Architectural Design of Building Components for Earthquakes, 1978; Mario Salvadori, Why Buildings Stand Up, 1980 (reimpreso varias veces, siendo la última edición de 1994); Christopher Arnold y Robert Reitherman, Building Configuration and Seismic Design, 1982 (la versión original en inglés fue traducida a varios idiomas, en español, Configuración y diseño sísmico de edificios, 1987); James Ambrose y Dimitry Vergun, Seismic Design of Buildings, 1985, y Design for Lateral Forces, 1987; Henry Lagorio et al., Issues for Seismic Strengthening of Existing Buildings: A Practical Guide for Architects, 1986; y Henry Lagorío, Earthquakes: An Architect's Guide to Nonstructural Seismic Hazards, 1989. Este tipo de publicaciones abrió el camino a los arquitectos y motivó el desarrollo y la difusión de estudios relacionados con el tema. Durante las tres últimas décadas del siglo xx la National Science Foundation (NSF) financió numerosos estudios en Estados Unidos sobre temas relacionados con la influencia de los aspectos arquitectónicos en el comportamiento sismorresistente de los edificios. Es importante mencionar que hasta la década de 1970 fa configuración había sido definida, para los efectos del comportamiento sismorresistente, como el tamaño y forma geométrica del edificio. Pero ya en 1977 David Dowrick escribió:


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No hay, por supuesto, una forma ideal universal para un tipo particular de estructura, pero sí ciertos principios que hay que tener en cuenta. Brevemente, la estructura debe: 1. ser simple; 11. ser simétrica; 111. no ser alongada ni en planta ni en alzado; IV. tener una distribución de la resistencia, uniforme y continua; V. tener miembros horizontales que formen rótulas antes que los miembros verticales; VI. tener su rigidez relacionada con las propiedades del subsuelo. 45

Estas recomendaciones se complementaron con una serie de dibujos y comentarios sobre las formas ideales y las inadecuadas. En 1978 se publicó el documento conocido como ATC-3-06 Tentative Provisions for the Development of Seismic Regulations for Buildings, que incluía una sección titulada "Building Configuration" para que fuera incluida en la versión de 1979 del UBC; pero sus recomendaciones no se pusieron en práctica hasta que se incorporaron en el UBC 1988. Este tema se presenta con mayor detalle en el apartado uLas configuraciones irregulares en las normativas de construcción" del capítulo 3. El sismo de EI-Asnam en Argelia, en 1980, fue de gran importancia para la identificación de la influencia de las configuraciones arquitectónicas propias de la modernidad y la respuesta de los edificios ante las acciones sísmicas. Con referencia a las influencias arquitectónicas del movimiento moderno en Argelia, sobre el cual se hace un amplio recuento en la sección 1.6.1 del informe técnico coordinado por Vitelmo Bertero y Haresh Shah sobre el sismo de EI-Asnam, Argelia, del 10 de octubre de 1980, se remarca lo siguiente del punto 3, apartado 6.3 uDiseño estructural y construcción", del capítulo VI uLecciones aprendidas, conclusiones y recomendaciones" de dicho informe:

Dowrick, D. J., Earthquake Design: A Manual for Engineers and Architects, John Wiley & Sonso Reino Unido, 1977, pág.80. 45

46 Espacio inferior de aproximadamente un metro de altura libre para la tubería de las instalaciones sanitarias que, al mismo tiempo, permite la ventilación y se convierte en una barrera contra la transmisión de la humedad del suelo al primer piso del edificio.

Idoneidad sísmica de la concepción arquitectónica de las edificaciones En una región de alto riesgo sísmico como EI-Asnam, la adopción y uso de estilos arquitectónicos y de configuraciones edificatorias desarrolladas para regiones que no son sísmicas, es una de las principales razones para que se produzcan fallas en los edificios. La importancia de esta concepción arquitectónica fue ilustrada dramáticamente en este sismo. Ciertos métodos arquitectónicos que fueron empleados para mejorar la protección contra condiciones climáticas (tales como techos pesados y juntas de dilatación) y de condiciones sanitarias (uso del 'vide sanitaire' o piso sanitario)46 agravaron los efectos de las acciones sísmicas. Estos estilos muestran una falta de preocupación sobre la importancia de la simetría en la distribución de la masa del edificio y de los elementos del sistema de resistencia sísmica, o del peligro de utilizar paredes de corte en los pisos superiores de la edificación que llegan sólo hasta el

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segundo nivel creando plantas bajas abiertas (piso blando o flexible). En muchos. casos, la alternativa de una configuración basada sólo en el estilo arquitectónico produjo edificaciones con irregularidades en planta y en elevación; cambios repentinos en la distribución de la masa, rigidez, resistencia y ductilidad; torsiones excesivas; pisos blandos; o voladizos descabellados, de gran 10ngitudY

En el artículo "Dogma estilístico versus resistencia sísmica: La contribución de los preceptos modernistas a un desastre argelino", publicado en la revista del Instituto Estadounidense de Arquitectos (AlA) en el año 1981, Marcy Wang, profesora de Arquitectura de la Universidad de California en Berkeley, expuso claramente cómo los cinco puntos de Le Corbusier influyeron en la arquitectura de Argelia y cómo la mayoría de los edificios que presentaban alguno de estos conceptos en su configuración sufrieron grandes daños. Al respecto comenta Wang:

Bertero, V. V., y H. Shah (Coord.), EI-Asnam, Algeria Earthquake of October 10, 1980: A Reconnaissance and Engineering Report, Committee on Natural Disasters, Commission on Engineering and Technical Systems, NRC-EERI, National Academy Press Washington, D. C., 1983, pág. 6-3. 48 Tresbolillo (DRAE): Dicho de colocar plantas: en filas paralelas, de modo que las de cada fila correspondan al medio de los huecos de la fila inmediata, de suerte que formen triángulos equiláteros. 47

Casi todos los arquitectos educados en el mundo occidental están familiarizados con los cinco puntos de la nueva arquitectura publicados por Le Corbusier en sus Oeuvres Completes: 1. Pilotis (o columnas en el primer nivel para liberarlo del suelo); 2. Planta libre (libre de restricciones sistemáticas producidas por paredes de carga); 3. Fachada libre (una piel exterior tal como un muro cortina que es independiente de la estructura que soporta el edificio); 4. Techo-terraza (se estimula a que sea construido con una capa de arena cubierta con losetas gruesas de cemento con juntas al tresbolill0 48 sembradas con grama); 5. Ventanas corridas apaisadas (longitud horizontal de la ventana en tiras ininterrumpidas). Mientras "los cinco puntos" han sido los causantes de acelerar las palpitaciones de los corazones de muchas generaciones de arquitectos, para los ingenieros y otros especialistas en edificios sismorresistentes tienen más connotaciones siniestras, puesto que ellos identifican los pilotis como "pisos blandos", los cuales han sido la causa principal de la falla de docenas de edificios modernos en sismos ocurridos en todo el mundo. La fachada libre genera movimientos complicados e interacción entre la estructura y los componentes no estructurales. Los techos-terraza implican una absurda carga pesada de concreto, arena y tierra. Las ventanas apaisadas destruyen eficazmente la reSistencia de las paredes de corte o crean columnas cortas, que son altamente susceptibles a las fallas por corte. (...) En la ciudad de EI-Asnam, que habfa sido casi totalmente reconstruida tan sólo hacfa veinte años (después del sismo de 1954), el 80 por ciento de las estructuras fueron destruidas (por el sismo de 1980). Esta vez la mayoña eran edificios modernos de concreto armado. (...) Un equipo de investigadores especialistas en sismorresistencia de Estados Unidos (del cual la autora era miembro) concluyeron: "El colapso de estos edificios no ocurrió


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debido a que no fueran estructuras ingenieriles o porque se economizó en el uso de materiales estructurales. El colapso ocurrió por el hecho de que los edificios no estaban diseñados ni desde el punto de vista arquitectónico ni desde la ingeniería para los efectos de los fuertes movimientos del suelo debido al sismo" .49

En 1982, el ingeniero Luis Decanini presentó, ante las segundas Jornadas Argentinas de Ingeniería Estructural, el artículo "Influencia de la configuración y regularidad estructural sobre el comportamiento sísmico de las construcciones",50 en el que incluía numerosas descripciones, con gráficos y recomendaciones, de diversos tipos de configuraciones irregulares. Arnold y Reitherman, en varios artículos de principios de la década de 1980 y en su libro Building Configuration and Seismic Design51 publicado en inglés en 1982, establecían que para los efectos de los estudios de la influencia de la configuración de los edificios también incluiría la naturaleza, el tamaño y ubicación de los componentes estructurales, así como la naturaleza, el tamaño y ubicación de los componentes no estructurales que puedan influir en el comportamiento sismorresistente. Con referencia a la definición de la configuración, la versión publicada en español de Arnold y Reitherman dice textualmente: Esto comprende componentes como muros, columnas, losas de piso, núcleos de serWang, M., ·Stylistic Dogma vs. Seismic Resistance: The Contribution of Modemist Tenets to an Algerian Disaster", en AlA Journal, noviembre de 1981, págs. 59-63, AlA. Washington, D. C., 1981 (traducción libre del texto original en inglés). 50 Decanini, L., Influencia de la configuración y regularidad estructural sobre el 49

vicio y escaleras, y también la cantidad y tipo de divisiones interiores y, la manera en que el muro exterior se deja sólido o perforado para iluminación y ventilación. Esta amplia definición de configuración es necesaria debido a la intrincada relación entre estos tres tipos de elementos de configuración respecto al comportamiento sísmico. De este modo, nuestra definición va más allá de la idea de la forma del edificio, la cual tiende a limitarse a la forma de conjunto o a la naturaleza de la construcción como una masa escultórica. 52

comportamiento sísmico de las construcciones, No. 1 l. S., departamento de

Estructuras, Facultad de Ciencias Exactas, Rsicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Argentina, 1982. 51 Arnold, Ch., y R. Reitherman, Building Configuration and Seismic Design, John Wiley-& Sons, Inc., Nueva York, 1982. 52 Amold, Ch., y Reitherman, R., "Configuración y. .. ", ob. cit., pág. 16. 53 Bitrán, D., Conferencia Internacional sobre Mitigación de Desastres en Instalaciones de Salud: Impacto económico de los desastres naturales en la infraestructura de Salud, Organización Panamericana

de la Salud (OPS), Washington, D. C., 1996, Cuadro 12.

En 1985 se produjeron dos grandes sismos que afectaron zonas urbanas, y de los cuales se obtuvieron lecciones importantes respecto a la configuración de los edificios y su comportamiento sísmico. El 3 de marzo, el sismo de Val paraíso y Viña del Mar en Chile, con una magnitud 7,8, produjo 180 víctimas mortales; y el 19 de septiembre, el gran sismo de Michoacán, México, con una magnitud de 8,1, causó aproximadamente 10.000 víctimas mortales y daños en cuantiosos edificios de Ciudad de México. 53 El sismo de México proporcionó muchas lecciones y constituyó un hito en el cambio de paradigma de la ingeniería sismorresistente, y sobre todo respecto al papel de los arquitectos y urbanistas en la vulnerabilidad de la ciudad en general y los edificios en particular.

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Capitulo 1. La configuraci6n del edificio singular en la ciudad contemporánea

Al estudiar los efectos de este sismo, se corroboró lo siguiente: Los edificios más dañados tenían configuraciones arquitectónicas y urbanas similares a las que ya se habían identificado en los sismos de Caracas en 1967, San Fernando en 1971 e Imperial County en 1979, ambos en California, y EI-Asnam, Argelia, en 1980. • Si bien se produjeron daños estructurales importantes y un número elevado de edificios colapsaron, otros edificios no llegaron a este punto pero, debido a su ductilidad, presentaron muchos daños en los componentes no estructurales, así como en el equipamiento y el mobiliario. En algunos casos resultó más económico demoler el edificio completo que remover los escombros y sustituir los componentes dañados. Al seguir la filosofía de Estados Unidos, se utilizaban estructuras porticadas sin muros estructurales y se diseñaban usando ductilidad. El concepto de seguridad de las estructuras diseñadas por ductilidad fue ampliamente cuestionado, pues aunque a éstas se les debe dar la mayor ductilidad económicamente posible, no se debe abusar de esta propiedad a costa de reducir la rigidez y la resistencia, puesto que la ductilidad física significa daño y, como se vio en este sismo, grandes pérdidas económicas. • Igualmente, se detectaron factores importantes que afectaron el ámbito urbano y que requerían de una evaluación profunda, sobre todo con respecto a la relación suelo-estructura y, por lo tanto, en la manera cómo los diferentes tipos de configuraciones se comportan de acuerdo con el tipo de suelo sobre donde se les ubica. Uno de los aspectos que fue estudiado con gran detalle como consecuencia de los daños producidos por este sismo, fue el efecto de golpeteo entre edificios colindantes, causante de daños desmesurados en algunas zonas de la ciudad como consecuencia de los largos períodos del movimiento del suelo y de la resonancia de los edificios esbeltos con relación a aquél. 54 •

54 SRI International Science and Technology Policy Program, History of the NSF Earthquake Hazard Mitigation Program (Draft Report), National SCience Foundation, ArIington (Virginia), 1999, pág. 24.

El sismo de Val paraíso y Viña del Mar en Chile puso a prueba una gran variedad de estructuras diseñadas con disposiciones sismorresistentes. Los resultados fueron observados cuidadosamente por los especialistas, puesto que los ingenieros chilenos, a diferencia de los de la mayoría de los países hispanoamericanos, no habían seguido los preceptos de la seguridad estructural por ductilidad recomendados por Estados Unidos, sino que adoptaron la tendencia propuesta por los japoneses desde principios del siglo xx de edificios rígidos y el uso de muros estructurales, que se fueron


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generalizando para edificios de gran altura, generando lo que se conoce como el modelo chileno de edificios. 55 Sobre el comportamiento de los edificios y los aspectos de regularidad, R. Riddell,56 en su informe Comportamiento de los edificios de concreto armado en el sismo de Chile de 1985, concluye lo siguiente: Basado en el inventario yen los casos presentados anteriormente, las conclusiones del estudio son las siguientes: al El buen comportamiento sísmico de los edificios de varios pisos en Viña del Mar ha demostrado que el uso generoso de muros estructurales resultó ser un sistema estructural sismorresistente efectivo, b) sin embargo, el uso abundante de muros en la dirección de evaluación (cross sectional area of walls) no garantiza un buen comportamiento sísmico, e) La distribución de daños no se correlaciona bien con simples índices estructurales o con causas directas, sin embargo, la irregularidad fue una característica típica en los edificios dañados.

55 Rores, R., "Ingeniería sismica en Chile", en http://www2.ing.puc.clj-iingjed428/ rodrigoflores.html. 56 Riddell, R., "Performance of R/C buildings in the 1985 Chile earthquake" en Proceedings of the la' World Conference on Earthquake Engineering, 10WCEE, vol. 8, A. A. Balkema, Róterdam, 1992, págs. 4.251-4.256.

En los sismos de Loma Prieta en 1989 y Northridge en 1994, ambos en California, y Kobe, Japón en 1995, se volvió a poner de manifiesto la relación entre las irregularidades en la configuración y los edificios dañados, tales como piso blando, distribución irregular de la rigidez, especialmente en los edificios en las esquinas, y los efectos de golpeteo entre edificios. Pero quizá el aspecto que detonó los cambios más importantes en la filosoña del diseño sismorresistente fue el tomar conciencia de que la reducción del número de víctimas y las pérdidas económicas cuando ocurre un sismo no dependen sólo de la seguridad sismorresistente de cada edificio individual, es decir, considerado aislado de los otros edificios, sino de un enfoque holístico de seguridad de la ciudad y, por lo tanto, de su normativa urbana. Otra serie de sismos destructores que ocurrieron durante la última década del siglo xx y principios del siglo XXI, afectando a grandes zonas de ciudades contemporáneas y edificios modernos, pusieron una vez más en evidencia la enorme influencia de la configuración arquitectónica y urbana en la vulnerabilidad sísmica de las ciudades. Algunos de estos sismos ocurrieron en Northridge, California, 1994; Kobe, Japón, 1995; lzmit y Duzce, Turquía, y Chi-Chi, Taiwán, 1999; Gujarat State, India, 2001, y Boumerdes, Argelia, 2003. En Hispanoamérica: Valle de la Estrella, Costa Rica, conocido también como el sismo de El Limón, 1991; Cariaco, Venezuela, 1997; Bahía de Cadáquez, Ecuador, 1998, Armenia, Colombia, 1999; San Miguel y San Pedro Nonualco, El Salvador, 2001, y Puerto Plata, República Dominicana 2003.

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La capaci~ad pe respue~ta de un edificio ante las exitaciones impuestas ppr un md~imi~nto sí$mido ~~I terreno, representa su grado de vulnerabili~~d sísmtc~. ~h el c~~ítUlb i ;se generalizó sobr~'\la vinculabón que tiene~ , i 10$ aspedtds ~rQujtedt6nihbs cbn ~,I_ cDni~o~lamieilio sjsmotr~sist~nte de uh\ ,", j ,;; : ," , ¡ /edlf'teio y¡' la'\ iMI~~rlc;a ~~~ ~je~c~ ~Li ~on~ig~rEici~n:',en'.s~',gradQ dé/vu\i\eri:!. .' \ ! 1 i ',: l I r : '.' ; .' .;: ' :.~ '~:. : .•'.. ,.' r: ; ~

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El diseño de edificios slsmorresistentes

Tenacidad: en Ingenierfa Sismorresistente, reacción de un cuerpo sometido a cargas cíclicas provocadas por el fenómeno sísmico, es decir, a ciclos repetidos con reversión de deformaciones (comportamiento histerético estable). 1

El término diseño de edificios sismorresistentes (DESR) se utiliza en este libro para describir el proceso de prefiguración de los edificios que forman parte de una ciudad (pre-anteproyecto, anteproyecto y proyecto), cuyo objetivo es proporcionar una mayor tenacidad 1 ante sismos de diferente magnitud dentro de ciertos niveles de desempeño. El objetivo principal del DESR sería entonces estudiar la manera en que dichos edificios responden a los movimientos sísmicos que puedan ocasionar diferentes daños potenciales, para proporcionar los métodos que permitan diseñar y construir edificios más tenaces ante tales movimientos; evaluar con mayor precisión la vulnerabilidad sísmica de los edificios en proyecto y existentes, para reducir las pérdidas de vidas y los posibles daños sobre éstos, y tratar de alcanzar la resiliencia de la ciudad (véase la definición en pág. 14).

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78

Capítulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sísmicos

Menciona Vitelmo Bertero:

2 Detallamiento o detallado estructural: conjunto de disposiciones basadas en la experiencia analítica, empírica y experimental, cuyo objetivo es analizar cuidadosamente el comportamiento de los componentes estructurales y no estructurales, tanto independientemente como relacionados entre ellos para conformar la edificación como un todo. 3 Bertero, V. V.: "Superstructure: Selection of Proper System and Configuration for the Superstructure", en Earthquake Engineering - V. V. Bertero, National Information Service for Earthquake Engineering, Universidad de California, Berkeley, 1997: http://nisee.berkeley.edu/bertero/.

Los edificios pueden ser de muchos tipos y configuraciones y no hay, por supuesto, una configuración ideal para cada tipo de edificio. Sin embargo, existen ciertos principios básicos y reglas de diseño sismorresistente que pueden ser usados como guías para seleccionar la configuración, el sistema y los materiales estructurales, y los componentes no estructurales de forma adecuada. 1. El edificio, conformado por la superestructura y los componentes no estructurales, debe ser liviano y se deben evitar masas innecesarias. 2. El edificio debe ser simple, simétrico y regular en planta y en alzado para prevenir fuerzas torsionales significativas, evitando grandes desproporciones entre las dimensiones del edificio, las cuales generan, en vertical, edificios muy esbeltos, y, en horizontal, plantas muy alargadas. 3. El edificio y su superestructura deben tener una distribución uniforme y continua de la masa, la rigidez, la resistencia y la ductilidad, evitando la formación de pisos blandos y/o débiles. 4. Las superestructuras sismorresistentes deben tener luces relativamente menores entre sus apoyos que las permitidas para las estructuras que no son sismorresistentes, y se debe evitar el uso de grandes voladizos. 5. Los componentes no estructurales deben estar bien separados de manera que no interactúen con la estructura, o tienen que estar integrados a ésta. En el último caso, es preferible que la estructura tenga suficiente rigidez lateral para evitar daños significativos ante las vibraciones de sismos menores y moderados, y tenacidad, es decir, estabilidad en la resistencia, rigidez y deformabilidad, ante las repetidas distorsiones reversibles [en un sentido y en el contrario) que pueden ser inducidas por movimientos sísmicos severos. Cuanto más rígida sea la estructura, menos susceptible será a los efectos de los componentes no estructurales que pueden interactuar con ella, y cuanto más tenaz sea, menos susceptible será a los efectos de la falla repentina de los componentes no estructurales que están interactuando con ella. 6. El "detallamiento· 2 de la superestructura debe permitir la restricción (control) de las deformaciones inelásticas para que se desarrollen en determinadas partes de ésta y de acuerdo con una jerarquía deseable. 7. La superestructura debe tener el mayor número posible de líneas de defensa, es decir, debe componerse de diversos subsistemas estructurales conectados, o acopiados, por fusibles estructurales de gran tenacidad cuyos comportamientos inelásticos permitan al conjunto de la estructura encontrar la salida de una situación crítica de respuesta dinámica. 8. La superestructura tiene que estar provista de una rigidez y una resistencia equilibrada entre sus miembros, uniones y apoyos. 9. La rigidez y la resistencia del edificio completo debe ser compatible con la rigidez y la resistencia de su sistema cimentación-terreno. 3

79

Parámetros para la evaluación de la vulnerabilidad de los edificios slsmorresistentes Rittel, H.: ·Some PrincipIes for the Design of an Educational System for Design°, en Passoneau, J. (ed.), Education for Architectural Technology, Washington University & AlA, Sto Louis, 1969, págs. 103-151; yen Design Methods Grou¡:r Design Research Society DMG-DRS Journal, vol. 7, n. 2, abril-junio de 1973, San Luis Obispo, California, 1973. 5 La correlación entre las variables de contexto, diseño y comportamiento y los conceptos de amenaza, vulnerabilidad y riesgo, fue establecida por L.T. Guevara, desde 1986, en Evaluation Methods for Prefabricated Housing System: App/ication of Techniques on Building Configuration Evaluation by The National Housing Institute, Venezuela, Tesis de máster, CEO, Universidad de California, Berkeley. 6 Las leyes de atenuación de la intensidad consisten en los estudios encaminados a determinar la reducción de la amplitud de las ondas generadas por un sismo durante su propagación en el interior de la Tierra, en función del tiempo y la distancia recorrida. Sirven para estimar los movimientos máximos del terreno identificados a través de la aceleración, velocidad y desplazamiento. 7 Licuación de suelos: en ciertos casos, especialmente en suelos arenosos de gradación uniforme y de formación reciente y, por lo tanto, poco o no consolidados, con niveles freáticos altos, los suelos pierden instantáneamente la resistencia al corte, provocando la disminución de su capacidad portante y el consecuente hundimiento súbito del mismo o pérdida de su solidez por causa del aumento de la presión del agua que contiene al suceder la vibración sísmica; ocurre principalmente por acción de las vi· braciones sísmicas fuertes en suelos aluviales de llanuras de inundación de río, así como las formaciones deltaicas, intermareales, litorales y pantanosas. Gajardo, Enrique, comunicación personal, enero 2004. 4

En este libro, la identificación de los criterios y parámetros que se tienen o deberían tener en cuenta para diseñar y evaluar los edificios sismorresistentes (ESR) está basada en el modelo de diseño propuesto por Horst Rittel 4 en el que se identifican tres diferentes tipos de variables: de contexto, de diseño y de comportamiento para el diseño de cualquier objeto. Estos tres conjuntos de variables se han adaptado para representar los parámetros vinculados con el tema del libro y se identifican como: a) Variables de contextoAmenaza; b) Variables de diseño-Vulnerabilidad; c) Variables de comportamiento-Riesgo. 5 Las variables de contexto (V-Cont) o contexto sísmico

Son aquellos factores que identifican la amenaza o peligro sísmico y son las que afectan o pueden afectar al edificio, o al conjunto de edificios, que se están diseñando. En el DESR existen variables de contexto producidas por efectos directos e indirectos: • los directos: identificados por las características del movimiento sísmico probable; es decir, el daño potencial que pudiera provocar dicho movimiento, como: la magnitud de los sismos que probablemente pudieran afectar la región; las leyes de atenuación6 de los movimientos sísmicos probables originados en la zona (ubicación de los epicentros); las características geodinámicas del terreno, la topografía del lugar donde se ubicará la obra que se está diseñando y las normas vigentes que establecen ciertos y determinados requisitos y limitaciones; • los indirectos, tales como: desplazamientos de la cimentación por fractura del terreno; fallas de la cimentación por licuación;7 aplastamiento por derrumbes, aludes o deslizamientos de tierra; incendios; tsunamis; derrames de materiales peligrosos; inundaciones; golpeteo con edificios colindantes; y problemas de adyacencia debidos a la interacción terreno-estructura de los edificios vecinos, que pudieran cambiar las características del movimiento sísmico inducido directamente. Desafortunadamente, en general, las únicas variables de contexto que se tienen en cuenta son las producidas por los efectos directos. La mayoría de los factores que conforman el contexto no están bajo el control del diseñador del edificio; es decir, no pueden ser ni modificados ni manipulados por el diseñador, pero debe considerarlos para diseñar el


80 Variables de diseño

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Ver Bertero, V. V., "Perspectivas actuales !uttJras en cuanto al uso del diseño ~or desempeño en los Estados Unidos', Mell10riaS del VII Simposio Nacional de Ingeniería Sísmica (SNIS), 29 y 30 de noviembre de 2002, Cuernavaca, México, SMIS, Ciudad de México, 2002, pág. 4.

8

edificio apropiado para dicho contexto. Sin embargo, hay algunos de ellos que podrían modificarse, así como por ejemplo la amenaza potencial del movimiento sísmico para un sitio dado; es decir, 105 efectos del movimiento sísmico se podrían manipular, bien fuera mejorando las características del terreno local o usando la estrategia innovadora del aislamiento de la base del edificio, con lo cual estos parámetros pasarían a ser variables de diseño. Las variables de diseño (Y-Dls) Están conformadas por los parámetros que identifican el grado de vulnerabilidad, no sólo de la obra individual, sino de los diferentes componentes del área urbana donde se construirá dicha obra. La vulnerabilidad se modifica manipulando 105 valores de estas variables relacionadas con el comportamiento sismorresistente de la obra, es decir, en el caso de los edificios: el programa de espacios, la configuración, los sistemas constructivos, los materiales, etc. Hoy día, aunque aún existen muchas incertidumbres, especialmente en lo referente a la predicción de cuándo van a ocurrir los sismos y cuál será el comportamiento de las construcciones, la vulnerabilidad sísmica de los edificios regulares es generalmente más fácil de cuantificar en términos ñsicos y funcionales que la de los irregulares. Las variables de comportamiento (Y-Comp) Representan los parámetros que permiten evaluar si el edificio o cada uno de sus componentes actúan de una manera apropiada para el contexto sísmico donde se va a construir; es decir, para medir las probabilidades de que la solución de diseño escogida, en el contexto específico donde se va a construir, tendrá un comportamiento determinado por los diferentes "niveles de desempeño".8 Por ejemplo, simplificando el número de variables, para diseñar un edificio en un terreno blando con una determinada sísmicidad identificada en los mapas de zonificación sísmica de las normas (variables de contexto), habría que evaluar qué solución estructural sería la más apropiada, sí un sistema estructural de pórticos de concreto armado, un sistema de muros estructurales o un sistema mixto (variables de diseño) o si se aísla la base del edificio del terreno. La figura 1 identifica el modelo de la interacción entre: Variables de contexto (V-Cont)-Amenaza (A); Variables de diseño (V-Dis)-Vulnerabilidad (V); y Variables de comportamiento o de desempeño (V-Comp)-Riesgo (R). La figura 2 ilustra un ejemplo donde se aplican estos tres tipos de variables en la evaluación de una posible solución generada en la fase de diseño

Parámetros para la evaluación de la vulnerabilidad de los edificios sismorresistentes

Los gráficos y esquemas metodológicos de la SEAOC y de V. Bertero que se usaron como base para esta figura, se encuentran en Bertero, V. V. (2003) .. Ingenierfa sísmica basada en el desempeño: una revisión critica de los procedimientos propuestos", traducción de A. Mazzeo, para el VII Congreso Venezolano de Sismología e Ingeniería Sísmica, Barquisimeto, Venezuela, 12-14 de noviembre de 2003. Éstos fueron: fig. 1. Flujograma de estimación del riesgo sismico (pág. 40); fig. 2. Criterios conceptuales de ingenierfa basada en el desempeño (SEAOC - Vision 2000, 1995) (pág. 41); fig. 3. Matriz de objetivos para desempeño sismorresistente (PDOM) (SEAOC - Vision 2000) (pág. 42); fig. 6. Rujograma de los criterios conceptuales para la ingeniería basada en el desempeño (pág. 43).

Fase del diseño

Pre-

conceptual

anteproyecto

81

9

FIgura 2

paramétrico O analítico de un edificio sismorresistente, de acuerdo con los conceptos expuestos en varios gráficos propuestos por el comité Vision 2000 de la Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC) y Bertero,9 en los cuales se considera qué debería preverse desde la fase de diseño conceptual hasta la del paramétrico o analítico en las distintas etapas de diseño: pre-anteproyecto, anteproyecto y proyecto y plan de obra, así como en el resto de etapas del ciclo de vida de un edificio. En dicha figura se destaca que: 1. Cada uno de los tres tipos de variable (V-Cont, V-Dís, V-Comp) tiene dos o más valores y algunos de ellos pueden tener a su vez conjuntos de variables con sus correspondientes valores.

82

Capitulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sísmicos

2. Es responsabilidad del diseñador escoger la combinación de valores de cada uno de los tres tipos de variables y establecer sus relaciones para cada solución propuesta. 3. El proceso de diseño es iterativo: se revisan una y otra vez las diversas soluciones elegidas y las decisiones tomadas. 4. La mejor de todas las propuestas sería el proyecto, que, si se aprueba, se convierte en el plan de obra. De lo anteriormente expuesto se infiere que para poder interpretar el posible comportamiento que un edificio con ciertas propiedades dinámicas podría presentar ante los efectos de los sismos (grado de vulnerabilidad), es importante conocer además las características del movimiento sísmico que se puede producir en el lugar donde está o estará ubicada (contexto).

El movimiento sísmico y sus efectos generales Aunque desde principios del siglo xx el estado del conocimiento sobre los sismos y sus efectos en los edificios y en el medio ambiente construido avanzó significativamente, en términos generales se ha aceptado entre la comunidad de investigadores de los fenómenos naturales que todavía está lleno de incertidumbres. Sobre el origen y características de los sismos existe una amplia literatura especializada tanto en publicaciones como en Internet; sin embargo, se considera oportuno presentar a continuación una explicación elemental sobre el origen y características de estos fenómenos naturales y algunos conceptos básicos relevantes que permitirán observar con mayor claridad los efectos que dichos fenómenos generan en los edificios.

El fenómeno sísmico La mayoría de los movimientos significativos del terreno se deben a los sismos, pero también existen otras fuentes que pueden generar vibraciones del terreno como son: la explosión de los volcanes, las pruebas nucleares, la explosión de bombas, el choque de un meteorito con la Tierra, el tráfico de trenes, y otros. Un sismo, seísmo, terremoto o temblor ocurre cuando en un lugar de la corteza terrestre llamado foco o hipocentro se produce la liberación brusca de energía de deformación, originada por causas internas de la Tierra, que ha estado acumulada en una de las fracturas existentes en la corteza terrestre denominadas fallas. El epicentro es la proyección superficial del hipocentro y

El movimiento sísmico y sus efectos generales

83

está ubicado directamente sobre éste. La longitud del segmento de recta comprendido entre el hipocentro y el basamento rocoso del lugar donde se encuentra el sismógrafo que registra el sismo, se llama distancia hipocentral. La longitud del segmento de recta comprendido entre el epicentro yellugar donde está un sismógrafo que registra el sismo, se llama distancia epicentral. La figura 3, basada en los gráficos de Bertero,lO ilustra esquemáticamente los factores más importantes de un sismo. Distancia e Icentral

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10 Bertero, V. V., "Seismic Performance of Reinforced Concrete Structures" (Comportamiento sísmico de las estructuras de concreto armado), ponencia presentada en las sesiones Científicas "Doctor Abel Sánchez Díaz" sobre Ingeniería Sismorresistente, noviembre de 1978, pubiicada en los Anal Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, tomo 31, Buenos Aires, 1979, fig. 8, "The Faetors Involved in Predicting seismic Response" (Factores implicados en la predicción de la respuesta sísmica), pág. 84.

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Al liberarse la energía, los bloques de la corteza terrestre se mueven uno con relación al otro en el plano de la falla. En cuestión de segundos la energía se libera en la forma de ondas de alta y baja frecuencia que se propagan desde el hipocentro en todas las direcciones a través del basamento rocoso, de una manera similar al movimiento de las ondas sonoras. Las ondas sísmicas se irán separando unas de otras a medida que se van alejando del hipocentro y que las características dinámicas van cambiando. Como resultado, la vibración del terreno en el basamento rocoso de lugares distantes del hipocentro presenta períodos más largos que los que se producen en sitios cercanos a éste. A veces el movimiento de las ondas tiene una dirección predominante. La vibración que se produce en el terreno como consecuencia de un sismo es aleatoria, es decir, que no presenta un patrón regular constante en el tiempo. El sismógrafo es el instrumento usado para registrar el patrón del movimiento del terreno de un sismo particular en función del tiempo. El término


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Gráfico basado en la diapositiva núm. 76 del Set J de la colección "Mexico: General Overview" en el CD The EERI Annotated SJide CoJlection, EERI, Oakland, California, febrero 1987. 11

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sismómetro se usó originalmente para referirse a un instrumento que mide el movimiento sísmico. El acelerómetro se usa para medir la variación de la velocidad del terreno por un movimiento sísmico en función del tiempo; se usa en sismología principalmente para medir cuantitativamente la severidad de la vibración del terreno al paso de las ondas sísmicas por el punto de observación. El ace/erógrafo registra en unos gráficos en forma de ondas (acelerogramas) el movimiento oscilatorio del terreno en función del tiempo. El eje horizontal indica el tiempo y el vertical, la variación de la aceleración. Las principales características del movimiento sísmico son la duración, la frecuencia y la amplitud. La duración se refiere al tiempo que dura la vibración del terreno. La frecuencia se refiere al número de ciclos de oscilación del movimiento por unidad de tiempo. La amplitud se define por el desplazamiento, la velocidad o la aceleración del terreno. Mediante integraciones sucesivas del acelerograma se pueden obtener los registros de velocidad (distancia recorrida por una partícula en una unidad de tiempo) y desplazamiento (longitud de la trayectoria comprendida entre la posición inicial y la posición final de la partícula en movimiento). En la figura 4,11 se ilustra el registro de la componente este-oeste del sismo de Michoacán, México, 1985 de la estación del Centro de Comunicaciones del Equipo de Apoyo Técnico-Fondo de las Naciones Unidas para la Población (CST-UNFPA). Las vibraciones del movimiento sísmico se trasmiten desde el basamento rocoso hasta la superficie libre, en algunos casos a través de capas de suelo que presentan características diversas. La frecuencia y la amplitud de la vibración en la superficie con relación a la que se produce en la roca, pueden variar (crecer o decrecer) de un lugar a otro de acuerdo con las características dinámicas de las capas de suelo que la vibración tenga que atravesar hasta llegar a la superficie libre. Las vibraciones que llegan a la superficie del terreno serán las que afectarán al medio ambiente natural y construido y, por tanto, a la población. El período natural y el factor de amplificación caracterizan geotécnicamente el comportamiento en la superficie libre de un terreno ante un movimiento sísmico. A la variación entre los parámetros característicos del movimiento sísmico probable en la roca y en la superficie libre de un sitio en particular -debida no sólo a las características geotécnicas de las capas de suelo sino a su topografía- se le llama efecto local. El efecto local más común cuando los suelos son blandos es el de amplificación de la vibración de las ondas sísmicas.

El movimiento sísmico y sus efectos generales

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Para el estudio del movimiento sísmico y sus efectos, se toman como referencia los seis grados de IíbertacJ12 que se requieren para describir el movimiento de un objeto en un espacio euclidiano (tridimensional). Se consideran las tres componentes traslacionales ortogonales, que se representan como dos desplazamientos ortogonales horizontales (X e Y) y uno vertical (Z); y tres componentes rotacionales que giran alrededor de cada uno de estos ejes ortogonales. Además cabe destacar que en cada una de estas direcciones ortogonales, el sentido de las componentes del movimiento sísmico son generalmente de carácter reversible, como se ilustra en la figura 5. Los desplazamientos o traslaciones del movimiento sísmico son considerados como los más significativos; son además los únicos que se registran en los acelerógrafos, pues estos equipos no registran las componentes rotacionales; se representan en los acelerogramas. La figura 6,13 ilustra las componentes de traslación que se registran en un acelerógrafo. La figura 7 muestra como ejemplo, los acelerogramas del sismo de Guerrero, México, del 8 de octubre de 2001, correspondientes a los desplazamientos horizontales (Norte-Sur y Este-Oeste) y al vertical (V), que se registraron en la estación núm. 6, Coyoacán del Centro Nacional de Prevención de Prevención de Desastres, México (CENAPRED).14

Figura 6

Véase la explicación en el apartado "El movimiento· de este capítulo, Norte-Sur (NoS) en la pág. 96. 13 Basada en la figura 5-11: Componentes que se registran en un aceler6grafo en García, L. E., Dinámica estructural Este-Oeste (E-() aplicada al diseño sísmico, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes, Bogotá, 1998, pág. 106. " CENAPRED, Últimos registros aceleroVertical (V) gráficos obtenidos por la red de observaci6n sísmica del CENAPRED con el sismo del 8 de octubre del 2001 a las 03:39:20 GMT, en http://www.cenapred. unam.mx/estructura/instrumentacion/ Figura 7 prodato/ultimo/UltReg015.html 12

85

86


En estos acelerogramas se puede observar en la sinusoidal 15 que se forma, la característica de reversibilidad del movimiento sísmico.

Cada una de las curvas planas, a manera de eses, cuya magnitud perturbada sigue la ley del seno de una variable. (DRAE). 16 Lineas que indican sobre un mapa de una zona afectada por un sismo, los límites de los rangos de igual valor de las intensidades en la escala de Mercalli Modificada (MM). 17 Basado en el mapa desarrollado por Sergio Mora, para Guevara, L. T., Terremotos en El Salvador 2001, Serie Crónicas de Desastres, Organización Panamericana de la Salud (OPSjOMS), Washington, D. C., 2002, pág. 25. 18 Centro Sismológico de América Central, Escuela Centroamericana de Geología, Universidad de Costa Rica, San José de Costa Rica. 19 Véase Escalas de magnitud en Servicio Nacional de Estudios Territoriales (SNET) de El Salvador en http://www.snet.gob.sv/ verjseccion+educativajsismologiaj escalas+de+magnitudj. 20 Las ondas coda son aquellas que se registran en el sismograma después de la llegada de una onda bien definida. Por ejemplo, la coda P aparece después de la llegada de la onda P. 15

Dimensión de los sismos y de sus efectos Para medir la dimensión de un sismo y de sus efectos se usan conceptos y escalas diferentes. La magnitud de un sismo no se debe confundir con la intensidad. La magnitud representa la cantidad de energía liberada en el hipocentro o foco durante un sismo. La intensidad, en cambio, describe los efectos causados por un sismo en un sitio en particular. Un sismo posee una sola medida de magnitud y en cambio puede tener varios valores de intensidad. En la figura 8 se observa un mapa de isosistas 16 que muestra la distribución de las diferentes intensidades generadas por el sismo del 13 de febrero de 2001,17 en El Salvador, cuya magnitud fue de Mw=6,5. 18 Aunque generalmente los valores de la intensidad disminuyen a medida que los lugares se alejan del epicentro, éstos dependerán de la magnitud del sismo, de la duración de la vibración más fuerte del sismo, de la geología local, y de las características dinámicas del terreno y de las de los edificios.

~Pacfflco

Agura 8

E/ movimiento sísmico y sus efectos genera/es

87

A continuación se presenta un resumen comparativo entre los conceptos de magnitud e intensidad.

Es un índice cuantitativo registrado por el acelerógrafo y representado por el acelerograma que permite medir la energía liberada en el foco y comparar el tamaño de diversos sismos.

Es un índice cualitativo que refleja los efectos producidos por el movimiento sísmico sobre las personas, los animales, las construcciones y el medio ambiente natural, en un lugar determinado.

Se mide en el momento en que ocurre la ruptura de la falla.

La evaluación se realiza después de ocurrido el sismo.

Es una medida objetiva que se registra instrumentalmente.

Es una medida subjetiva basada en la percepción de los observadores y de los entrevistados.

Sólo hay una magnitud para un sismo.

Generalmente en el área afectada por un sismo, existen diferentes intensidades.

Existen diversas escalas de magnitud que varían de acuerdo con los diferentes métodos para obtenerla, tales como: ondas P (mb); desplazamiento y área de la falla; magnitud de momento (M w); magnitud energía (Me); duración de la señal (Md) y ondas superficiales (MS);19 duración o características de ondas coda (MC);20 pero la más usada es la escala de Richtero de magnitud local (ML), ideada por Wadati en Japón y desarrollada por Charles Richter en 1935 en el Instituto de Tecnología de California; fue desarrollada para estudiar únicamente aquellos sismos ocurridos dentro de un área particular del sur de California.

Se usan diversas escalas. Las más usadas en el mundo occidental son las escalas Mercalli Modificada (IMM) ideada originalmente por Rossi y Forel, mejorada por Giusseppe Mercalli, traducida al inglés por Harry O. Wood y Frank Neumann, revisada por Charles F. Richter y publicada en 1956, y la Macro Sísmica Europea o European Macro Seismic (EMS) publicada por la Comisión Europea de Sismología en 1988 y actualmente usada internacionalmente.

Se usan escalas cuantitativas. La escala de Richter se define como el logaritmo en base diez de la amplitud máxima de la onda sísmica registrada por un sismógrafo Wood-Anderson estándar.

Generalmente son escalas cualitativas, aunque se está intentando cuantificarlas a través de las aceleraciones del terreno.

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Capítulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sTsmicos

Cada unidad de la escala de Richter corresponde a la liberación de cerca de 30 veces más energía que el anterior, como por ejemplo, un sismo de magnitud 5,0 libera cerca de 900 veces más energía que uno de magnitud 3,0.

Tanto la IMM como la EMS contienen 12 unidades, cuyo valor está descrito por los diferentes niveles de efectos que pueden ser producidos por los movimientos sísmicos

Se usan números arábigos para identificar los diferentes valores de la escala. Se expresa en números completos y fracciones decimales. Puede contener unidades negativas que representan desde eventos muy pequeños hasta valores cercanos a 9, de sismos de gran magnitud.

En casi todas las escalas se usan números romanos que identifican los diferentes valores de la escala.

Es de límites abiertos. El máximo depende del sismo de mayor magnitud registrado y el mínimo del grado de desarrollo de la tecnología para detectar sismos muy pequeños.

Escalas cerradas: existe un máximo y un mínimo.

Los efectos del movimiento sísmico en los edificios La vibración del terreno que se produce cuando ocurre un sismo se transmite a la base de los edificios que están asentados sobre él, en algunos casos solamente a través de su cimentación, yen otros a través de las paredes del sótano que están en contacto con el terreno. El edificio reacciona, y a diferencia de cuando resiste las fuerzas producidas por el viento, las cuales le son aplicadas directamente, en el caso de los sismos debe resistir las fuerzas de inercia generadas por él mismo al oponerse al movimiento producido en su base (cimentación y paredes de sótanos) por la vibración del terreno. Cada una de las partes del edificio reaccionará en momentos diferentes y de una manera diferente a cada una de las componentes del movimiento sísmico aplicado a su base. Se generan desplazamientos y rotaciones en cada una de ellas, que producen no sólo variaciones con respecto a su posición y forma originales sino deformaciones en el edificio como un todo. Las deformaciones inelásticas importantes del edificio no se pueden determinar sumando las deformaciones de cada parte por separado.

Los efectos del movimiento sísmico en los edificios

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La reacción o efecto que se produce en un edificio como consecuencia de la vibración del terreno se conoce como respuesta sísmica o respuesta dinámica, la cual depende de: a) El movimiento estimado de la superficie libre del terreno local ante un sismo probable y b) la capacidad de resistencia del edificio ante las deformaciones producidas por el movimiento del terreno en su base, determinada por las características dinámicas de sus componentes y de su contenido, actuando entre ellos como un todo, y de la distribución de su masa reactiva, de su resistencia y de su rigidez. En la figura 9 se ilustran los factores X1 , X2 , X3 y X4 , descritos por Bertero en Seismic Performance of Reinforced Concrete Structures, como necesarios para analizar la respuesta dinámica de un edificio; se describen también cada uno de estos factores y las ecuaciones propuestas por Bertero para relacionarlos. 21

Ac:eleroerama de lIIl sIsmo de magnitud M" NS

~

...

(gal}_2

~1~lJ¡~+,¡~, .,~

I

2~

EO o (gal) -2

2

V

o ..... ~,_~ '~l\o.",,,,,,.

'r'

(gal) -2

o Bertero, V. V., ·Seismic Performance... ", ob. cit., pág. 84.

21

FIgura 9

10 20

30

•

40 50 60 70 80 90 t(s)

90


Xi Es un factor que identifica la severidad del movimiento sísmico en el basamento rocoso del sitio donde se va a ubicar el edificio. La severidad es una función de la magnitud estimada en el foco del sismo (M L) la cual es descrita simbólicamente por el acelerograma en las tres direcciones (N-S, E-O, V) Y la distancia hipocentral (R i ), que es la distancia desde el foco del sismo hasta el basamento rocoso del sitio donde se va a ubicar el edificio.

Xi

= f i (M L Ri )

X2 Es un factor que identifica la dimensión del movimiento estimado en la superficie libre del terreno. Está determinado por las características dinámicas de las diferentes capas del suelo en el sitio donde se va a ubicar el edificio, las cuales influyen en la transmisión de Xi desde el basamento rocoso hasta la superficie libre y están representadas por un coeficiente dinámico (A) el cual se obtiene de los estudios realizados por el experto geotécnico, cuyos informes se basan en ensayos experimentales. Puede ser un coeficiente de amplificación o de atenuación, dependiendo de las características dinámicas de los materiales que conforman las capas del suelo.

X2

= Xi A

X3 Es una función o variable que identifica la severidad del movimiento que se puede generar en la base del edificio; depende de la dimensión del movimiento estimado en la superficie libre del terreno (X2 ) y de los efectos debidos a la interacción suelo-cimentación representado por el coeficiente (1) el cual se obtiene de los estudios geotécnicos y estructurales.

X3 ~

= X2 1 -7 Xi A 1

Es una variable que identifica la predicción de la deformación del edificio en términos de unidades lineales. Este factor está relacionado con la magnitud del movimiento estimado en la base del edificio (X3 ) y las características dinámicas del sistema estructural previsto representado por un operador dinámico (D).

X4

= X3 D -7 Xi A 1 D

Tanto el movimiento del terreno debido a los sismos como sus efectos son tan complejos que se ha considerado conveniente recordar algunos conceptos básicos de Física Mecánica que permiten describir y predecir el comportamiento que tendrán los edificios ante tales eventos.

Los efectos del movimiento s1smico en los edificios

91

Las fuerzas que deben resistir los edificios Las tres Leyes de Newton explican la generación de las fuerzas de inercia en un edificio cuando tiende a oponerse al movimiento que se produce en él como consecuencia de un movimiento del terreno. Estas leyes constituyen la base sobre la cual se desarrolla la dinámica de cuerpos rígidos, usada ampliamente en el desarrollo de la teoría de la dinámica estructural, y por lo tanto, en el estudio de los edificios sismorresistentes. De ella se desprenden los siguientes conceptos. La inercia se define como la tendencia de los cuerpos a mantener el estado de reposo o de movimiento en el que se encuentran, hasta que una fuerza externa actúe sobre su masa y modifique dicho estado. Una fuerza es una acción capaz de deformar o de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo que tiene una masa. La masa m es la cantidad de materia contenida en un cuerpo y la medida cuantitativa de la resistencia que opone dicho cuerpo a una aceleración, generada bien sea por la variación en su posición de reposo o en su velocidad, debida a la aplicación de una fuerza; por lo tanto, es la medida de su inercia. La fuerza inercial es la reacción que opone el cuerpo a cambiar el estado, o la dirección, o el sentido de su movimiento, ante la fuerza que causa el movimiento. La dirección de la fuerza de inercia es la misma que la de la fuerza que produce dicho movimiento, y su sentido, el contrario. La inercia es una fuerza más en el equilibrio dinámico. De acuerdo con la segunda Ley de Newton, la magnitud de la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo (F) es igual a la masa del cuerpo (m) por la aceleración (a) que adquiere al aplicarle la fuerza. F= m· a

22 ACI, ACI-IP5-1 Requisitos..., ob. cit., edición de 2000, cap. 4: "Cargas... •

El peso de un cuerpo, w, es igual a la masa por la aceleración de la gravedad yes la medida de la fuerza vertical que se genera cuando la masa del edificio se ve sometida a la aceleración de la gravedad g, la cual por acuerdo internacional tiene un valor aproximado de 9,81 m/s2 (= 9806,65 mm/s2 ).22 Por lo tanto, en la Tierra, al nivel del mar, el peso W de un cuerpo que tiene una masa m, es igual al producto w = m . g. También se expresa el peso o fuerza vertical con la letra P. Una carga es la cantidad de peso que puede ser sostenido en un determinado momento por una estructura. La fuerza cortante en la base o cortante basal (Vs ), es la fuerza inercial horizontal que se genera en la base del edificio como reacción a la aceleración del terreno producida por un movimiento sísmico.


92 /

'===-==--;;:' (----- - - ¡¡Va Aceleraci6n del terreno

Cortante en la base

De acuerdo con la segunda Ley de Newton, Vs es equivalente a la fuerza sísmica Fs y, como se muestra en la figura 10, actúa en sentido contrario a ésta. 23

Vs se define como el producto de la masa reactiva del edificio, por un coeficiente sísmico o coeficiente de corte basal (C).

Vs

Figura 10

= m· e

La masa reactiva es la masa que afecta el comportamiento del edificio ante la vibración del terreno e incluye, además de la masa de la estructura, la de los componentes no estructurales, el equipo y mobiliario fijado al edificio, y los acabados. La aceleración máxima que puede alcanzar la masa reactiva del edificio depende de sus caracteñsticas dinámicas y de las características dinámicas del movimiento sísmico. La aceleración del terreno se registra directamente en los acelerómetros y, en general, se mide en términos de g. El coeficiente C es una función de la aceleración máxima que puede originarse en el edificio debido al movimiento sísmico y de acuerdo con sus características dinámicas, es decir, del período de vibración del edificio T,24 y de la aceleración espectral Sao El valor de Sa se expresa como un porcentaje de la gravedad g y representa la máxima aceleración horizontal del terreno donde se ubicará la base del edificio. Se obtiene de los espectros de diseño sísmico basados en estudios geotécnicos del suelo local.

e = S8 (T)

23 Basada en la diapositiva núm. 7 del módulo 6 de L. E. Garcla. Serie de presentaciones Arquisis del curso "Conocimientos básicos sobre los sismos y sus efectos en las construcciones, para arquitectos·, Universidad de Los Andes. Bogotá. 24 Véase la explicación sobre período de vibración T. en "Los desplazamientos horizontales· en el apartado "Los desplazamientos en los edificios· de este capItulo (pág. 103).

La dimensión de las fuerzas que resistirá el edificio sin sufrir daños importantes dependerá de la relación entre sus características dinámicas y la intensidad y duración del movimiento sísmico que lo afectará. Generalmente en los métodos de análisis estructural, tanto para la estimación de Vs como para el cálculo de las fuerzas de inercia que se generan en las diversas partes del edificio y para el estudio de sus correspondientes efectos, se recurre a modelos simplificados. En el penúltimo apartado de este capítulo "Métodos de análisis estructural", se describen algunos de los métodos de análisis estructural más habituales.

El movimiento Para construir el modelo analítico de cada edificio y buscar su respuesta ante las acciones de un sismo determinado, es muy importante entender


- -".

Agura 11

Agura 12

93

las posibles variaciones del movimiento, las cuales generan deformaciones en él como un todo y en cada una de sus partes independientemente. Para estudiar los movimientos de traslación y rotación de sus diversas partes, se aplica la mecánica del sólido rígido, a través de la cual se analiza el movimiento y equilibrio de los cuerpos sólidos sin tener en cuenta su deformación. En los cuerpos rígidos, el centro o centroide de masa (Cm) es el punto hipotético donde se supone que actúa la resultante de cualquier fuerza que se le aplica a dicho cuerpo. Una fuerza que actúa a través del Cm de un cuerpo rígido hace que todas las partículas se trasladen paralelamente la misma distancia yen la misma dirección de la trayectoria de la fuerza, sin que haya rotación. En el diagrama de cuerpo libre de la figura 11 se ilustra cómo de acuerdo con la tercera Ley de Newton, al aplicarse una fuerza al cuerpo, éste genera como reacción una fuerza inercial (R) para impedir el movimiento y mantenerse en equilibrio. El centro de gravedad (Cg ) es un punto hipotético de un cuerpo en el cual se supone que se concentra la sumatoria total de su peso; es decir, donde se supone que actúa la reacción (R) para evitar el movimiento que se puede generar debido a las fuerzas gravitacionales que lo atraen hacia el centro de la Tierra, como se ilustra en el diagrama de cuerpo libre de la figura 12. El Cm Yel Cg coinciden cuando se trata de un cuerpo rígido en un campo gravitatorio uniforme; es decir, cuando la aceleración es constante. Representan un punto único en un cuerpo o sistema, en el cual actúa la resultante de cualquier fuerza aplicada a dicho cuerpo y su reacción a las fuerzas y momentos externos. Una rotación en el plano representa el giro del plano en torno a un punto ftio, llamado centro de rotación, que puede estar o no dentro de la figura. El centro de rigidez (C r) de un cuerpo, es el punto hipotético donde se concentra la resultante de las fuerzas de reacción a las fuerzas que se le aplican a dicho cuerpo. También se conoce como centro de resistencia. Si el cuerpo tiene una distribución homogénea de su rigidez, el Cm Y el Cr coincidirán en el mismo lugar y, al aplicarle una fuerza, la reacción actuará en el mismo punto; si la reacción es menor que la fuerza aplicada, el cuerpo tenderá a desplazarse en la misma dirección y sentido de dicha fuerza, pero no rotará. Cuando en un cuerpo existe un desequilibrio en la distribución de la masa o de la rigidez, se produce el desplazamiento relativo entre su Cr y su Cm, generándose un brazo de palanca, conocido como excentricidad (e).

94

Capitulo 2. La vulnerabilidad de Jos edificios singulares ante los movimientos sísmicos

Al aplicarle una fuerza, ésta actuará en el Cm Ygirará alrededor del Cr produciéndose un momento torsor. Se considera que un cuerpo es excéntrico cuando, al aplicarle una fuerza, gira alrededor de un punto que no es su centro geométrico. 25 La Terminología de la normas venezolanas COVENIN-MINDUR de edificaciones,26 define: Excentricidad estática: la menor distancia entre la línea de acción de la fuerza cortante y el centro de rigidez. Excentricidad accidental: valor adicional a la excentricidad estática que toma en cuenta los efectos debido a irregularidades en la distribución de las masas y de las rigideces, así como los efectos de la excitación rotacional del terreno. Excentricidad dinámica: cociente de dividir el momento torsor proveniente de un análisis dinámico con tres grados de libertad por nivel, calculado respecto al centro de rigidez, entre la fuerza cortante en ese nivel.

En el DESR estos conceptos son muy importantes, pues permiten estudiar los efectos que producen las fuerzas generadas por el movimiento sísmico en las estructuras. En los modelos hipotéticos usados se supone que: a) las losas de piso junto con las vigas conforman los diafragmas; b) los diafragmas son infinitamente rígidos en su plano; c) la resultante de su peso P actúa a través de su centro de masa; d) la masa de un piso está conectada con la masa de los pisos contiguos a través de elementos estructurales verticales; e) la fuerza de inercia generada por las vibraciones del terreno actúa a través de su centro de masa; f) la base está empotrada en el terreno; y g) las uniones entre componentes son rígidas. Si una estructura regular de un piso tiene una distribución homogénea de su resistencia, de su masa y de su rigidez como la que se ilustra en el primer caso de la figura 13, el Cm yel Cr coinciden en el centro geométrico

Según el DRAE. En "1.Terminología" en COVENINMINDUR, Norma COVENIN 2004-1998: Terminología de las normas CaVENINMINDUR de edificaciones, Ministerio de Desarrollo Urbano, Fondonorma, Caracas, 1998, pág. 12_ 25 2tl

Figura 13


95

del diafragma superior y, al aplicarle una fuerza cortante horizontal, dicho diafragma se desplaza con respecto a la base sin rotar; en el segundo caso, se observa una distribución irregular de la rigidez, generando un desplazamiento del Cr con relación al Cm; y en el tercero, una masa asimétrica generando un desplazamiento del Cm con relación al Cr • En el segundo y tercer casos se producen momentos torsores. El momento torsor o torsional es el producto de la fuerza aplicada en el Cn multiplicada por su excentricidad con respecto al Cm' En la figura 14 se ilustra cómo, ante el movimiento del terreno, en el segundo caso de la figura anterior se genera una fuerza de inercia cuya resul· tante actúa en el Cm del diafragma superior, y cómo debido a la irregularidad en la distribución de la rigidez que produce la excentricidad entre Cr y Cm, Y a la flexibilidad de las columnas, se genera un momento torsor (Mr ), igual a la fuerza (F) por la excentricidad (e). Se origina un desplazamiento horizontal en Cm y una rotación del diafragma superior alrededor de Cr. Al moverse el terreno, también se producen en las estructuras momen· tos flectores y fuerzas cortantes. El momento flector es el que se genera como reacción a una fuerza perpendicular al componente estudiado. Se cal· cula multiplicando la fuerza aplicada por la distancia vectorial desde el punto donde se está determinando el momento hasta el punto donde se está aplicando la fuerza.

..

r \.

e

Fuerza de inercia Movimiento del terreno

96

Capítulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sfsmicos

Para el estudio de las posibles variaciones del movimiento y las deformaciones que se generan en el edificio se establece el número mínimo de movimientos independientes requeridos para definir la posición desplazada de las masas importantes del edificio relativa a su posición de equilibrio original, es decir, los grados de libertad de movimiento (GOL). El número de GOL asignados a la parte de la estructura que se está analizando, refleja el número de ecuaciones necesarias para describir su movimiento debido a la fuerza de inercia que se está estudiando. El movimiento del edificio como un todo y de cada una de sus partes se describe al igual que el movimiento sísmico, a través de las seis componentes del movimiento; es decir: tres desplazamientos, con relación a los ejes X, Y Y Z, y tres rotaciones alrededor de cada uno de estos ejes. Si un cuerpo puede desplazarse en el espacio en las tres direcciones X, Y Y Z en ambos sentidos, y tener las rotaciones correspondientes, se dice que posee seis GOL. En la figura 15 se ilustra el modelo de la estructura porticada regular usado anteriormente, cuyo diafragma superior se supone limitado a desplazarse

..

..

Movimiento del terreno


1 grado de libertad

iZ

3 grados de libertad

¡

(



FIgura 15

Figura 16

X

Los efectos del movimiento slsmico en los edificios

97

sólo en una dirección horizontal en ambos sentidos; es decir, tiene un solo GOL. Para realizar un análisis dinámico del movimiento del diafragma de la misma estructura pero en la cual se ha sustituido una columna por un muro en forma de L, como se ilustra en la figura 16, se tomarían en cuenta tres GOL: dos desplazamientos horizontales y una rotación con relación al eje vertical.

27 En la mecánica del sólido rígido se estudian los sistemas isostáticos, es decir, se analiza el movimiento y equilibrio de los cuerpos sólidos sin tener en cuenta su deformación. Una estructura isostática es estáticamente determinada y se puede resolver con ecuaciones lineales independientes. la mecánica de sólidos deformables estudia los sistemas hiperestáticos o indeterminados; el comportamiento de los cuales no se puede determinar por métodos estáticos sino que hay que tener en cuenta la deformación de los cuerpos y sus efectos internos.

Las deformaciones Las traslaciones y las rotaciones que genera el movimiento sísmico en las distintas partes del edificio les producen distintos tipos y tamaños de deformación, lo cual, en el caso de que se formen deformaciones elásticas, depende de las características dinámicas de cada una de ellas actuando independientemente, o en combinación con las restantes conformando un todo. Es importante mencionar que en el caso de deformaciones inelásticas no se pueden estudiar los desplazamientos y las fuerzas independientemente con respecto a los ejes X y Y. La deformación de un cuerpo consiste en la modificación del tamaño o de la forma natural o regular de éste al aplicársele una o más fuerzas. De acuerdo con su capacidad ñsica de deformación dominante ante fuerzas externas, cada cuerpo presenta cierto nivel de resistencia antes de fragmentarse. Aplicando este concepto a un edificio o a sus componentes, la resistencia a deformarse: a) es inherente al tipo de fuerza que se está aplicando, por ejemplo, un mismo componente puede ser resistente a la compresión pero no a la tracción; b) depende no sólo de la magnitud, la dirección y el sentido de la fuerza aplicada, sino de su configuración y de las características ñsicas de los materiales que lo componen; c) tiene que ver con propiedades físicas tales como: fortaleza, dureza, disipación de energía, tenacidad; y d) es lo opuesto a conceptos tales como: debilidad, blandura, fragilidad, vulnerabilidad, delicadeza. Como se explicó anteriormente, las deformaciones de los edificios no se pueden estudiar por métodos estáticos, es decir, por aquellos que sólo analizan el movimiento y el equilibrio, considerándolos como sistemas isostáticos, sino considerándolos como sistemas hiperestáticos. 27 El estudio de la deformación y el flujo de los materiales se realiza a través de la reología, definida por el ORAE como: "estudio de los principios físicos que regulan el movimiento de los fluidos" y particularmente las deformaciones debidas al flujo de materiales como el concreto y el acero, con respecto al tiempo, la humedad, la temperatura y otros.

98

Capitulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sfsmicos

Existen diferentes tipos de capacidad de deformación de los cuerpos ante la aplicación de una fuerza, que dependen de la manera cómo reacciona cada cuerpo después de retirar la fuerza aplicada: • Elástica o deformación reversible: el cuerpo se deforma pero recupera su forma original al retirar la fuerza. • Plástica o irreversible: el cuerpo alcanza o sobrepasa el límite de su resistencia elástica y ya no puede recuperar su forma original una vez retirada la fuerza; el material cede originando una deformación permanente o se fractura. La mayoría de los cuerpos sólidos, de acuerdo con su composición ñsica, al aplicarle una fuerza presentan un comportamiento elástico, el cual produce deformaciones lineales, generalmente pequeñas, hasta que llega a un límite, conocido como límite elástico aparente o límite de fluencia, a partir del cual las deformaciones aumentan considerablemente. También se pueden producir deformaciones no lineales, como el efecto P-Delta (véase fig. 26 Y su explicación). La fluencia es un fenómeno ñsico que se genera en ciertos materiales, que les permite resistir una deformación plástica considerable bajo una fuerza durante un largo período de tiempo, antes de fragmentarse. La resistencia de los cuerpos sólidos depende del tipo de fuerza que se le aplica y de las características ñsicas de los materiales que lo componen. Por ejemplo, el acero puede resistir grandes fuerzas a la tracción y presentar un comportamiento dúctil, es decir, soportar grandes deformaciones plásticas antes de fallar; mientras que a compresión su comportamiento depende de la proporción del cuerpo; si tiene una gran esbeltez, se dobla por pandeo y pierde su capacidad resistente. El concreto, en cambio, trabaja muy bien a la compresión, mientras que a la tracción tiene poca resistencia y aunque puede resistir pequeñas deformaciones plásticas, rápidamente presenta un comportamiento frágil; es decir, se fragmenta en pedazos. Los cuerpos rígidos pueden llegar a soportar grandes fuerzas sin sufrir mayores deformaciones, aunque generalmente cuando sobrepasan su límite elástico pueden presentar pequeñas deformaciones antes de fallar. El vidrio es un material rígido que no tiene capacidad para deformarse plásticamente. Si sobrepasa su límite elástico al aplicársele una fuerza, no puede seguir deformándose y explota en pedazos. Es un material que puede fallar fácilmente al entrar en resonancia si se le aplica una fuerza periódica de frecuencia igualo parecida a su frecuencia natural.

Los efectos del movimiento sismico en los edificios

La vibración

c: 12

13 11

99

14 15

O

1

2

3

10

8

7

6

5

9

Figura 17

28 Basada en la diapositiva núm. 8 del módulo 6 de L. E. Garcia, "Serie de presentaciones... ", ob. cit. 29 Oscilación: cada uno de los vaivenes de un movimiento oscilatorio. 30 Véase el apartado "Métodos de análisis dinámico· de este capitulo (pág. 121). 31 Basadas en las diapositivas núm. 9, 10 Y 14 del módulo 4 de L. E. Garcia. .. Serie de presentaciones... ", ob. cit.

4

La vibración o movimiento oscilatorio, se define como el desplazamiento alternativo que se genera en un cuerpo flexible con una base fúa, al aplicársele una fuerza perpendicular a su eje principal. Las diversas partes del cuerpo se mueven desde su condición de reposo, primero en un sentido, y luego como respuesta, en sentido contrario y así sucesivamente hasta que regresan a su posición de reposo. Para estudiar los efectos vibratorios en un edificio, se supone que su base está empotrada en el terreno y la concentración de su masa en la parte superior, con lo cual, bajo ciertas condiciones, puede considerarse como si fuera el movimiento de un péndulo simple invertido; es decir, como si se estudiara el movimiento de una masa m, suspendida de un hilo y sometida a un campo gravitatorio constante. Si se le aplica una fuerza horizontal a la masa y se libera inmediatamente para que se mueva sin restricción, ésta oscilará de un lado a otro. La amplitud de cada vibración irá disminuyendo hasta regresar a su posición de reposo como se ilustra en la figura 17. 28 En el caso de edificios de varios pisos, en un mismo intervalo de tiempo T, un piso alto recorre una distancia mayor que uno bajo. Si la aceleración es igual al desplazamiento por el tiempo al cuadrado, las aceleraciones serán mayores en los pisos superiores que en los inferiores. Estas aceleraciones, multiplicadas por la masa del piso, conducen a fuerzas mayores en los superiores. Es un parámetro que está relacionado con las características dinámicas del edificio y su altura. El intervalo de tiempo necesario para que una masa del edificio efectúe una oscilación completa,29es decir, un ciclo completo de movimiento, se llama período de vibración T. La frecuencia se refiere al número de ciclos de oscilación del movimiento por unidad de tiempo. Uno de los conceptos que se utilizan en el análisis dinámico de las estructuras para describir un patrón o forma característica hipotética de deformación de un edificio al desplazarse sus componentes, o parte de ellos, horizontalmente, es el modo de vibración. 30 La figura 18 de la página siguiente,31 muestra un ejemplo del primer modo de vibración libre de un modelo con forma de péndulo invertido al que se le aplica un desplazamiento horizontal en la base, en un solo sentido, yen el cual se supone que la respuesta no excede su límite elástico. Al moverse la base, inicialmente, por inercia, la parte superior se queda atrás, pero a continuación esta parte superior responderá desplazándose para tratar de alcanzar su posición original con relación a la base. Al cesar el desplazamiento de la base, la parte superior queda oscilando .

100


Figura 18

..._-... "..-~~~~7----..

Deformaci6n i de la estructu"¡ iI

Deformación de la estructura

t::'~!!!ÍE~~~-=-=---~-;ormaci6n del terreno

FIgura 19

Figura 20

En este caso, si la vibración de la base se detuviese, los movimientos oscilatorios irían disminuyendo debido al amortiguamiento que la estructura posee, hasta alcanzar su posición original de reposo, como se ilustra en la figura 19. Pero éste no es el caso con el movimiento sísmico. El terreno vibra en diferentes direcciones y sentidos produciendo desplazamientos y rotaciones en las diversas partes de los edificios. La amplificación del movimiento del edificio con relación al movimiento del terreno dependerá de su configuración, de las características dinámicas de sus componentes y de la relación entre su período fundamental y el período natural del terreno.

Los efectos de/ movimiento sísmico en los edificios

32 Fluencia: "designa las complejas variaciones de las deformaciones que sufren los materiales sometidos a tensiones permanentes y/o temperaturas, en función del tiempo. Sus múltiples facetas constituyen una especialidad dentro de la Ciencia de los Materiales denominada 'Reología', entre nosotros estudiada por los ingenieros metalúrgicos·, en "AA Términos Glosados· de la Norma CaVEN/N...• ob. cit., pág. 54.

101

Si, como se ilustra en la figura 20, en alguno de 105 primeros modos de vibración (primeros ciclos de oscilación), el período fundamental del edificio coincidiera con el período natural de vibración del terreno, podría producirse un fenómeno llamado resonancia. La resonancia es un fenómeno que se presenta en un cuerpo elástico al aplicarle una fuerza periódica de frecuencia igualo parecida a la frecuencia natural de dicho cuerpo, de manera que provoca una ampliación de sus oscilaciones al comportarse como un resonador. Pero todo cuerpo tiene un límite para mantener la resonancia, a partir del cual cambian sus características mecánicas debido al daño que está sufriendo por el movimiento, y se produce un cambio en el período de vibración y sale de la resonancia. El valor de la amplificación máxima en el comportamiento elástico se podría reducir por medio del amortiguamiento, el cual depende de la capacidad del edificio para disipar de una manera progresiva la energía producida por la vibración del terreno. Cuanto más pequeño es el amortiguamiento, mayor será la amplificación. Si la resonancia no cesara rápidamente, la aceleración del edificio iría en aumento en cada período, se podrían producir daños graves e incluso su colapso parcial o total. Sin embargo, si el material es dúctil, la resonancia se puede evitar cuando la estructura entra en su rango elástico (plástico). La capacidad que poseen los componentes de un edificio para soportar grandes deformaciones inelásticas (plásticas) alternantes, sin fractura y sin pérdida apreciable de su capacidad resistente, se refiere a una propiedad física de los materiales conocida como ductilidad. Esta propiedad física le permite al edificio disipar cantidades significativas de energía y reducir la posibilidad de una falla repentina de tipo frágil. La ductilidad aparece en el momento que se inicia la fase de fluencia de los materiales. 32 No se debe confundir el concepto ductilidad con amortiguamiento aunque ambos conceptos se mencionan con relación a la disipación de energía. El amortiguamiento está exclusivamente relacionado con la modificación de la velocidad de la vibración que puede depender de la viscosidad del medio ambiente en que ocurren las vibraciones, La ductilidad está relacionada con la capacidad física de deformación plástica de los materiales y con los esfuerzos a los que son sometidos. Un edificio sufrirá daños cuando sus componentes estructurales y no estructurales y todo su contenido excedan las deformaciones elásticas que son capaces de resistir cuando se produce el movimiento sísmico. Cuando la deformación de la estructura sobrepasa su límite elástico, el edificio

102

Véase Frau. C.D. y G.R. Saragoni. "N2 A01-18: Demanda sísmica de fuente cercana. Situación del oeste argentino· en Memorias del Congreso Chileno de Sismologia e Ingenieria Antisismica. 16-19 de noviembre de 2005, Asociación Chilena de Sismología e Ingeniería Antisísmica Concepción. Chile. 33

CapItulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sísmicos

sufrirá daños; el colapso ocurre cuando la energía de disipación debida a las deformaciones plásticas excede la tenacidad de la estructura, es decir, la capacidad de absorber y disipar tal energía. Así, aunque el edificio regrese a su posición original, el daño ha sido causado por la deformación inelástica. La mayoría de las normas aceptan, implícita o explícitamente, que bajo las acciones intensas producidas por los movimientos sísmicos moderados y severos, los edificios regulares lleguen a tener deformaciones inelásticas; es decir, se permite que se produzcan daños estructurales, que pueden incluso ser económicamente irreparables, pero previniéndose el colapso. Sin embargo, si se permiten deformaciones inelásticas significativas que lleven a daños cercanos al colapso, la predicción de los daños estará asociada a mayores incertidumbres que cuando se mantienen en el rango elástico. Por ello, en una estructura diseñada adecuadamente este concepto se usa sólo para darle a la columna una resistencia a cortante apropiada para que la disipación de energía ocurra en las vigas y no en las columnas. Las columnas se diseñan a cortante para que en el caso de que salgan del rango elástico, no fallen por esta razón; por lo tanto, las articulaciones en la base del pórtico deben ser las últimas que se formen y se debe evitar que se genere una falla por falta de resistencia al corte por deslizamiento en la base. Pero se debe evitar la formación de articulaciones en las columnas porque, si se generan articulaciones plásticas en los dos extremos de todas las columnas de un mismo piso, se puede producir un mecanismo parcial de falla de toda la estructura. Generalmente, los movimientos sísmicos en las áreas cercanas al epicentro tienen un patrón muy irregular y son de períodos cortos (movimientos del terreno muy bruscos); como resultado, los efectos de resonancia en esta área afectarán a los edificios bajos y rígidos que están localizados en sitios rocosos, o de terreno firme, excepto en el caso de fallas cercanas donde pueden originarse pulsos extensos y muy largos, es decir, de mucha duración, debido a dos efectos independientes: el efecto de directividad o dirección de propagación de la ruptura de la falla y el fling step o pulso violento, como un latigazo de larga duración. 33 En las áreas distantes del epicentro, generalmente los períodos de los movimientos sísmicos que prevalecen son más largos, particularmente en los sitios de suelos blandos, y por lo tanto van a afectar a los edificios altos y flexibles, en los cuales se producen significativas amplificaciones de las


103

vibraciones del terreno, se generan aceleraciones mayores que en el resto de los edificios y, como consecuencia, las fuerzas de inercia son mayores. Dos ejemplos importantes que presentaron estos efectos son la zona de Altamira y Los Palos Grandes, en el sismo de Caracas 1967,34 que presentan grandes profundidades de suelos blandos, yen el sismo de Michoacán en 1985, en México, DF, donde originalmente estaba el lago; en ambos casos los edificios altos entraron en resonancia con el terreno, lo que ocasionó graves daños y hasta el colapso de varios edificios.

Los efectos de los desplazamientos en los edificios Mientras dura el movimiento sísmico, las traslaciones y las rotaciones se producen simultáneamente en las diferentes partes de un edificio, sin un patrón regular constante. Sin embargo, con fines didácticos, se describen a continuación los distintos tipos de movimiento por separado. Dentro de las premisas que tienen en cuenta las normas sísmicas para el diseño y análisis de los edificios con formas regulares, se ha supuesto que las componentes del movimiento sísmico que producen mayores efectos sobre ellos son generalmente, aunque no siempre, los desplazamientos predominantemente horizontales (X y Y); por ello, tanto los efectos de las componentes rotacionales como los desplazamientos verticales (Z) son desestimados en el diseño de edificios regulares, aunque esto no debe aplicarse a los que presenten configuraciones irregulares. Para hacer más comprensibles los conceptos y con el fin de elaborar la explicación correspondiente a cada movimiento, a continuación se aislan los desplazamientos horizontales, los verticales y las rotaciones.

Seed, H. B., Y J. L. Alonso, Soi/Structure Interaction Effects in the Caracas Earthquake of 1967, informe núm. 73-23, Centro de investigación en ingeniería sísmica (EERC), Departamento de ingeniería, Universidad de California, Berkeley, California, 1974. 34

Los desplazamientos horizontales y sus efectos Como se muestra en la figura 21 de la página siguiente, debido al movimiento sísmico, el terreno se desplaza horizontalmente y con él la base del edificio, que se desplaza de su posición original una distancia que se conoce como el desplazamiento absoluto del terreno. La parte superior reaccionará a las fuerzas de inercia y cada uno de los diafragmas se desplazará una distancia adicional con relación al diafragma inferior. Este desplazamiento horizontal relativo entre dos puntos colocados en la misma línea vertical del edificio se conoce como deriva (i\). Como ejemplo tridimensional de las deformaciones que se pueden producir debido al desplazamiento horizontal del terreno, la figura 22 presenta un caso muy sencillo de una estructura cúbica formada por dos losas de

CapItulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sísmicos

104

Fuerza de inercia

Reacción


FIgura 21

~H

Desplazamiento absoluto de la losa superior Desplazamiento relativo o deriva ( ) de la losa superior

Despiazamiento absoluto del terreno

piso rígidas, inferior y superior, y cuatro columnas con la misma masa y características mecánicas, unidas rígidamente a ellas y con una distribución regular de la rigidez, de la resistencia de sus componentes y de su masa reactiva, por lo que el centro de masa y el centro de rigidez coincidirán. Suponiendo que al producirse un sismo el terreno se desplaza horizontalmente en una sola dirección a la vez y que la base de la estructura está empotrada en dicho terreno, por ser la estructura regular en planta y en alzado, inicialmente su base y la parte inferior de las columnas se desplazan con el terreno en la misma dirección y sentido que éste. Mientras que, debido a la flexibilidad de las columnas, la losa superior y con ésta la parte ~

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111 Cm

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Losa superior (2)

Figura 22

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Fuerza de inercia en la losa superior

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Desplazamiento del terreno

Reacción en la losa superior

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LOs efectos del movimiento sfsmico en los edificios

105

superior de las columnas se quedarán en su posición original hasta que la reacción a las fuerzas inerciales horizontales generadas por el movimiento d e la base las llevarán a moverse también en la misma dirección y sentido, bouscando restituir su posición relativa original sobre la losa inferior. Si el terreno dejara de moverse, la parte superior oscilaría horizontalmente de un lado a otro de acuerdo con el período de vibración de la estructura, hasta recobrar su posición de reposo. En este proceso las columnas sufrir,án desplazamientos horizontales diferenciales y se deformarán. Cuando el t€rreno regrese en sentido contrario, se repetiría este proceso. Sin embargo, en el caso de edificios de más de un piso, cuando la base Se mueve con el terreno, cada uno de los pisos superiores se comenzará a mover de manera y en tiempo diferentes, tratando de recuperar su posición original sobre el piso inferior. Mientras tanto, el terreno ha comenzado a moverse nuevamente en la misma dirección pero en sentido contrario produciéndose nuevos desplazamientos horizontales diferenciales de los pisos superiores, en el sentido contrario. Estos nuevos desplazamientos a su vez producirán otras deflexiones laterales que la estructura tendrá que resistir. Aunque el edificio tuviera suficiente capacidad de tenacidad para no colapsar, pero no pudiera resistir estos desplazamientos elásticamente, sufriría daños. Los efectos que producirá el movimiento sísmico sobre los edificios también están condicionados por la dirección predominante del sismo, y su relación con la dirección de sus ejes principales. Para dar una idea de las deformaciones que se producen en el tiempo, empleando los conceptos de análisis modal que se discuten al final de este capítulo, en la figura 23 se muestran algunas de las posibles deformadas modales de un edificio de varios pisos en una de las direcciones horizontales.

Agura 23

Capítulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sismicos

106

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(b) Ante fuerzas horizontales

Agura 24

Explicación basada en el apartado .. Expl icación estructural", de L. E. García en Guevara, L. T. YL. E. García. "The Captíve- and Short-Column Effects" en Earthquake Spectra, vol. 20, n. 1, Earthquake Engineeríng Research Institute (EERll, Oakland, 2005. págs. 1-20. 36 Rgura y explicación, ibíd. 35

Las deformaciones que producen los diferentes tipos de fuerzas que deben resistir los componentes de edificios porticados varían en su forma y magnitud según se trate de cargas verticales, tales como el peso propio, la carga muerta, las cargas de acabados y las cargas vivas, o de solicitaciones horizontales tales como el sismo o el viento. 35 En la figura 24, se muestran como ejemplo las deformaciones que puede tener un pórtico ante cargas verticales (q) y ante fuerzas horizontales (f). Se puede apreciar que la forma de las deformaciones inducidas por las cargas externas tanto de las vigas como de las columnas es diferente en cada caso. En el gráfico (a) de dicha figura, cuando el pórtico se ve sometido a cargas verticales los extremos de cada columna se mantienen dentro de la misma línea vertical, a menos que el pórtico sea extremadamente irregular, mientras que en el gráfico (b) se ilustra el caso un pórtico que se somete a fuerzas horizontales; el extremo superior de cada columna tendrá su desplazamiento (.ll) correspondiente. El fenómeno P-Delta (p.1l) es un efecto de segundo orden causado por la acción de las cargas verticales (P) de un edificio al verse desplazadas horizontalmente por la fuerza lateral (F). La carga P, es igual al peso w. La figura 25 ilustra este efecto. El momento producido en la estructura será proporcional a la fuerza P por el desplazamiento .ll. Por lo tanto la masa de los componentes del edificio juega un papel muy importante en la generación de este efecto que puede generar daños significativos. Un aspecto muy importante es el orden de magnitud de las deformaciones laterales que tiene la columna en los dos casos mencionados anterioremente. En el caso de las cargas verticales, las desviaciones horizontales de la columna con respecto a su eje vertical son mucho menores que las que tiene al verse sometida a las fuerzas horizontales, en cuyo caso son del mismo orden de magnitud de las derivas que se presenten. En la figura 26 se ilustra la diferencia en la deformación horizontal de la columna de un pórtico con respecto al eje vertical de la columna no deformada. 36 Se muestran las fuerzas internas que se presentan en los extremos del componente -momento flector M, fuerza axial P y fuerza cortante V- y además se han incluido los diagramas de momentos de los dos casos. Debe resaltarse la diferencia en orden de magnitud de la deformación horizontal (6), en cualquier punto del componente, medida con respecto al eje vertical. En la columna sometida sólo a cargas verticales de la figura (a), 6 depende únicamente del factor 6e • relacionado con los momentos flectores y


107

con su rigidez, por lo tanto, (o-oe), mientras que en el caso de que se produzca desplazamiento lateral en la parte superior de la columna, (o) está relacionado con dos factores: (('¡e) y (Od), el cual depende directamente de la deriva del diafragma superior con respecto al inferior (i\) y del efecto P-Delta (p.i\). El P-Delta relativo en cada punto a lo largo de la columna dependerá del (oe) de ese punto. La deriva es función de la rigidez de la estructura en conjunto y ésta a su vez de la de sus componentes. La relación entre los momentos flectores que actúan en los extremos de la columna y la fuerza cortante se obtiene de la aplicación del principio de equilibrio por medio de la ecuación 1:

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Agura 25

Generalmente se desprecia el efecto p.i\ en el análisis de los edificios de poca altura. Sin embargo, para edificios altos debe tenerse en cuenta. Por lo tanto, en los edificios de poca altura, la fuerza cortante Vs se obtiene por la ecuación 2, es decir, por la suma algebraica de los momentos en los extremos (M a + Mb ) dividida por la luz libre de la columna h.

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(a) Ante cargas verticales

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(b) Ante fuerzas horizontales y cargas verticales Agura 26

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Cuando los componentes estructurales verticales son flexibles, como en el caso de los pórticos, estos momentos generan deflexiones en las columnas. Al fallar los componentes de la base o si existen irregularidades en la distribución de resistencias en el apoyo del edificio, la fuerza horizontal que se genera en el mismo lo puede hacer rotar parcial o totalmente con respecto a los ejes horizontales, produciendo el momento de vuelco, explicado más adelante. Si la estructura no ha sido diseñada adecuadamente y se exceden los límites de deriva (desplazamientos horizontales), se puede producir el efecto P-Delta, el cual podría ser un factor determinante en el colapso del edificio, especialmente en el caso de configuraciones altas y esbeltas. El P-Delta es muy grave en estructuras que no están apropiadamente diseñadas y que exceden los límites de deriva. Para disminuir las posibilidades de que la estructura colapse debido a deformaciones excesivas, se controla la deriva. En una estructura rígida diseñada adecuadamente, el P-Detta es menor y por ello algunas normas sísmicas eximen la revisión de P-Delta en los casos en que se ha cumplido con la deriva. Si la deriva es mayor del

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Fractura por tracción

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Tracción

FIgura 27

FIgura 28

Momento estabilizador o reacción de la fundación

límite establecido por la norma, la estructura debe rigidizarse. En las normas sísmicas generalmente se incluyen los procedimientos para verificar las derivas, lo cual debe incluir los efectos torsionales de toda la estructura y el efecto P-Delta. La mayor parte de los daños en los edificios por efecto de vuelco se origina por fallas debido a grandes deformaciones generadas por las fuerzas horizontales en los componentes verticales del primer piso, generalmente producidas por irregularidades por piso flexible y/o por piso débil, como se muestra en las figuras 27 y 28. La componente rotacional vertical del movimiento sísmico puede aumentar el momento de vuelco. Otras razones por las cuales se pueden producir los efectos de vuelco generados por las fuerzas horizontales son las fallas del terreno debidas a asentamientos diferenciales, licuación u otros, como se ilustra en la figura 30 yen la foto del sismo de Kocaeli, Turquía, 1999, en la figura 29; o por falla ñsica debida a la fractura de los componentes de la cimentación o por un mal comportamiento del sistema suelo-cimentación-superestructura.

FIgura 29

Figura 30

Momento estabilizador o reacción del terreno

Los efectos del movimiento sTsmico en los edificios

109

Los efectos de los momentos de vuelco pueden producirse no sólo en un edificio completo sino individualmente en los componentes no estructurales, tales como: paredes interiores y exteriores, equipos y mobiliario, como se muestra en las figuras 31 y 32. Este efecto generalmente se produce por la ausencia o falla de los anclajes de seguridad que unen a estos componentes con la estructura, lo cual puede poner en peligro la vida humana. Es un factor que debe tenerse en cuenta en todo tipo de edificios, pero especialmente en las edificaciones esenciales, tales como escuelas y hospitales. Figura 31

Figura 32

Los desplazamientos verticales Los edificios generalmente se diseñan para resistir los efectos verticales de la fuerza de la gravedad. Sin embargo, en zonas sísmicas esto no es suficiente para resistir las vibraciones producidas por un sismo; la dirección de la fuerza de la gravedad tiene siempre un mismo sentido, mientras que la dirección del movimiento vertical de las fuerzas sísmicas es de carácter reversible, por lo que aumenta o disminuye los efectos de la gravedad y puede causar deflexiones diferenciales en los diafragmas, como se muestra en la figura 33. Los edificios con grandes voladizos se deben analizar cuidadosamente porque las deflexiones generadas por la componente vertical del movimiento sísmico, sumadas a la fuerza de la gravedad, pueden causar daños significativos, especialmente en los componentes de cerramiento tanto exteriores como interiores ubicados en los extremos. Cuando debido a la fuerza de gravedad la masa del diafragma presiona hacia abajo un componente vertical, como una columna, un muro o una pared no estructural, puede hacerlo fallar por pandeo. La figura 34 muestra como

Figura 33

110


ejemplo el extremo del voladizo de un edificio con agrietamiento entre los ladrillos en paredes no estructurales en pisos alternados y desprendimiento de los ladrillos en el piso intermedio, durante el sismo de Caracas de 1967. En las normas sísmicas generalmente se incluyen las consideraciones que se deben tener en cuenta cuando existen voladizos, como por ejemplo el artículo A.3.6.13 de la norma sísmica colombiana NSR-98, Efecto de las aceleraciones verticales, que dice:

Rgura 34

En las zonas de amenaza sísmica alta e intermedia, deben tenerse en cuenta los efec· tos de los movimientos sísmicos verticales en los siguientes elementos estructurales: a) en los voladizos, considerando una fuerza vertical, ascendente o descendente, en la punta del elemento con un valor igual al 30 por ciento de la carga muerta del voladizo en las zonas de amenaza sísmica alta, y del 15 por ciento en las zonas de amenaza sísmica intermedia, y b) en los elementos construidos con concreto preesforzado, deben utilizarse combinaciones de carga adicionales a todas aquellas que incluyan carga muerta, utilizando el 50 por ciento de la carga muerta.

Los edificios irregulares en planta, o regulares geométricamente pero con diafragmas que cubren grandes luces, o de formas muy alongadas, pueden sufrir también daños significativos causados por la componente vertical del movimiento sísmico. Cuando se diseñan los edificios regulares, los efectos de la componente vertical Z del movimiento sísmico generalmente son menospreciados. Sin embargo, estos efectos pueden producir tensiones que no estaban previstas e incluso el desplazamiento vertical del edificio de sus bases. Cerca del epicentro, la intensidad de la componente vertical del movimiento sísmico puede llegar a ser mayor que la de la componente horizontal. Los efectos de la rotación del terreno en los edificios Las rotaciones que se generan en el terreno cuando se produce un movimiento sísmico son generalmente desestimadas en el DESR. Indudablemente que existen, se trasmiten al edificio a través de su base y pueden producir efectos en el mismo, pero no ha sido posible registrarlas con los instrumentos disponibles hasta el presente. Los acelerógrafos, como se explica en el apartado "El fenómeno sísmico" de este capítulo, sólo registran los desplazamientos del terreno. Las rotaciones que se consideran más importantes en el DESR son las que se producen debido a la distribución irregular de la masa y la rigidez del edificio, como se explica en el capítulo 4.


La rotación en horizontal Igual que ocurre con los desplazamientos verticales antes mencionados, cuando se diseñan edificios sismorresistentes, generalmente se considera que la rotación con relación al eje vertical Z, ilustrada en la figura 35, produce efectos de menor importancia sobre éstos que los desplazamientos horizontales del terreno. Sin embargo, cuando el edificio está cerca del epicentro, los efectos generados por las rotaciones en el plano horizontal del terreno, combinados con los de los otros movimientos, pueden ocasionar daños considerables. Para explicar los efectos que puede producir la rotación horizontal del terreno, en la figura 36 se usa el mismo modelo con el que se explicaron los efectos de los desplazamientos horizontales. Cuando el terreno rota, la losa inferior del edificio rota con él produciendo desplazamientos horizontales y rotación en el extremo inferior de las columnas y generando desplazamientos diferenciales y torsión en ellas. Al principio la losa superior se mantiene en su posición original y se genera un momento torsional de inercia en el sentido contrario al de la losa inferior. Seguidamente, la losa superior girará alrededor de su centro de rigidez y el extremo superior de las columnas se desplazará y girará con ella. En este proceso, los extremos de las columnas sufrirán desplazamientos horizontales

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Figura 35

Rotación del terreno

Figura 36

111

Momento torsional de inercia en la losa superior

112

Capítulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos sismicos

diferenciales y se deformarán; en el extremo superior de las columnas, además, se generarían también desplazamientos verticales y pequeñas rotaciones diferenciales alrededor del centro de rigidez de la losa, con relación a la parte inferior de las columnas, lo cual conduce a pequeñas torsiones en dichos elementos. Si el terreno dejara de moverse, la parte superior rotaría primero en una dirección y después en la contraria, de acuerdo con la capacidad de amortiguamiento de la estructura hasta recobrar o exceder su posición relativa original. Sin embargo, debido al carácter reversible del movimiento rotacional del terreno, mientras dura el sismo la base rotará con el terreno en un sentido y en el contrario y la parte superior le seguirá generándose nuevas fuerzas de inercia y momentos diferenciales. Para que se entiendan mejor las deformaciones que sufrirían las columnas, a continuación se presenta una explicación de los diferentes tipos de deformación a los que estarían sometidas en sus extremos. Si una columna fuera un elemento lineal al que se le aplican rotaciones diferenciales en sus extremos, se produciría torsión con relación al eje longitudinal, como los ejemplos que se muestran en la figura 37: (a) cada extremo girando en dirección contraria uno del otro; (b) el extremo inferior fijo y rotación en el superior; y (c) cada extremo rotando en la misma dirección pero con diferente velocidad angular. Eje longitudinal

Eje longitudinal

Eje longitudinal

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Eje longitudinal

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Rotación Figura 37

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Rotación (a)

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Los efectos del movimiento sísmico en Jos edificios

113

Pero ahora, en la figura 38, se observa el comportamiento hipotético de una columna fundada en el terreno y con una masa en la parte superior, cuyos centros de masa y rigidez coinciden con el eje longitudinal, como en (a); si se le aplica un pulso dinámico de rotación en la base, en un primer momento la masa superior, por la fuerza de inercia, permanece sin rotar, y se producirá torsión de la columna como en (b); pero debido a la rotación en la base, la masa superior va a comenzar a girar alrededor de su centro de rigidez en la misma dirección que giró la inferior y sobrepasará su posición, como en (c) y, aunque no se siguiera moviendo la base, la masa superior continuaría vibrando hasta alcanzar una posición de reposo. Si su comportamiento es elástico, esa posición de reposo será como en (d), es decir, la masa superior en la misma posición relativa con respecto a la parte inferior. , @ _J-.~®

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Rotación del terreno (b)

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Figura 38

Sin embargo, cuando la columna forma parte de un sistema de componentes estructurales de un edificio, como se ilustra en la figura 39, una esquina del modelo tridimensional que se analizó anteriormente, al aplicársele un pulso dinámico de rotación en la base, la losa inferior girará con éste y la losa superior, por inercia, se mantendrá inicialmente en su lugar, pero después tratará de seguir a la inferior y girará alrededor de su centro de rigidez en la misma dirección y sentido y después en el contrario, sucesiva y alternadamente hasta alcanzar una posición original de reposo. Cada uno de los extremos superiores de las columnas igualmente girará alrededor del centro de rigidez de la losa y no alrededor de su propio eje longitudinal.

114


Cuando la losa inferior rota, la deformación en las columnas es causada principalmente por los desplazamientos horizontales que se generan en los extremos de cada una de ellas. Se está introduciendo flexión en las columnas, y los momentos flectores que se generan debido a la masa de la losa son importantes. Sí no se diseña la estructura apropiadamente para disipar energía en los componentes horizontales, se pueden generar daños en los componentes verticales del sistema de resistencia sísmica que podrían llevar a toda la estructura al colapso. En el caso de edificios de varios pisos, estas deformaciones no ocurren simultáneamente en cada uno de ellos, sino que a medida que se va produciendo la rotación de la base, cada losa de piso, de abajo hacia arriba, va persiguiendo a la inferior y rotando a su manera de acuerdo con sus propiedades dinámicas, produciendo deformaciones en las columnas que unen las losas, y en el edificio en general. La figura 40 presenta, a través del mismo modelo con el que se explicaron los efectos de los desplazamientos horizontales, una apreciación hipotética y exagerada de la deformación de un edificio en el tiempo y en el espacio, correspondiente a diferentes modos de vibración del terreno. Mientras las losas superiores están rotando para recuperar su posición relativa original con las de abajo, debido al carácter reversible del sentido de las componentes del movimiento sísmico, la base ya se está regresando en sentido contrario con el terreno y nuevamente los pisos superiores intentan regresar persiguiendo a su nivel inferior. Las deformaciones que se van produciendo en cada componente y en el edificio como un todo, son difíciles de predecir.

Figura 40


z

y Figura 41

115

La rotaci6n en vertical La rotación de las estructuras con relación a los ejes horizontales X y/o Y, como se ilustra en la figura 41, es generalmente menospreciada en el DESR, sin tener en cuenta los efectos que éstos pueden causar en los edificios. La rotación del terreno con relación a los ejes horizontales X y/o Y, puede generar momentos importantes en la base del edificio que se sumarían al momento de vuelco que producen los desplazamientos horizontales, y aumentaría también el P-Delta descrito en el apartado "Los efectos de los desplazamientos en los edificios".

Métodos de análisis estructural En cuanto al entendimiento del comportamiento de las estructuras ante los eventos sísmicos se produjeron grandes avances durante el siglo XX, especialmente en sus últimas décadas y en los inicios del siglo XXI, debido a los nuevos paradigmas en el DESR y a la evolución en los métodos de análisis estructural. El uso cada vez más frecuente de los programas computarizados ha permitido modelar más rápidamente el posible comportamiento de las estructuras e incluir un mayor número de variables. Sin embargo, es importante recalcar que, debido a las incertidumbres aún existentes en cuanto a las caracteñsticas de los eventos sísmicos y a las características dinámicas del sistema estructural total ante estos eventos, y a las numerosas simplificaciones a las que se recurre para realizar el análisis estructural, los modelos que se obtienen son solamente una aproximación a la realidad. Por lo tanto, se requiere un manejo importante de los conceptos en cuanto al movimiento del terreno donde se va a ubicar el edificio, como a las técnicas constructivas disponibles para proporcionar un comportamiento ñsico apropiado del mismo como un sistema de componentes dependientes unos de otros, y no como una sumatoria de componentes independientes. En el análisis hay que tener en cuenta también que, para que el diseño estructural de un edificio sea factible y se pueda convertir en realidad, no sólo se deben considerar las técnicas constructivas disponibles, sino también las posibilidades económicas para llevar adelante la obra hasta el final. Para predecir la magnitud del movimiento estimado en la base de un edificio y las caracteñsticas dinámicas que debe tener la estructura para resistirlo, existen diferentes métodos de análisis. Dichos métodos permiten representar de una manera simplificada la respuesta del edificio ante las fuerzas de inercia generadas ante los movimientos sísmicos a los que probablemente estará expuesto.

116


La modificación de la señal sísmica desde la roca hasta la superficie del terreno debida a la influencia de las condiciones geológicas y topográficas locales, se conoce como efecto de sitio. Generalmente, los estudios de microzonificación local describen las modificaciones en el tiempo que experimentaría el movimiento sísmico de diseño en su contenido de frecuencias, duración y amplitud de cada uno de los pulsos fuertes, debido a su paso desde la roca a través de las capas de suelo del sitio o de la zona donde se ubicará el edificio. El estado del conocimiento en cuanto a los métodos de análisis estructural que hoy día se consideran adecuados, no son los mismos que se usaban en el pasado. En 1915 Toshikata San037 introdujo en la ingeniería estructural de Japón el concepto antes mencionado de coeficiente de corte basal para el cálculo de la fuerza que debía resistir un edificio al producirse un sismo. Estableció que una fuerza lateral (V) era el producto del coeficiente de corte basal (C) y el peso de la estructura (W), es decir, V=CW. Desde entonces, el estado del conocimiento sobre los sismos y el comportamiento de las estructuras ante tales eventos avanzó significativamente, pero aún esta ecuación básica sigue vigente, aunque se le han ido incorporando una serie de coeficientes relacionados con parámetros tales como: la zonificación de amenaza sísmica, el tipo de suelo, la importancia del edificio, el tipo de sistema estructural, el tipo de material, así como los coeficientes que castigan la irregularidad de la configuración de un edificio en planta y alzado, que fueron incluidos a partir de 1988 en la norma sísmica de California (USC, Uniform Building Code), base de las normas sísmicas de otros países. Generalmente las normas sísmicas incluyen un apartado con la descripción de los métodos de análisis recomendados para el diseño del sistema de resistencia sísmica de acuerdo con los parámetros antes mencionados. Existen métodos estáticos y métodos dinámicos, y entre estos últimos se encuentran los elásticos y los ínelásticos. Método de fuerza horizontal equivalente

37 Whittaker A. et al., " Development of Japanese Building Seismic Regulations"; http://nisee.berkeley.edu/kobe/codes.ht mi, National Information Service for Earthquake Engineering (NISEE), Universidad de California, Berkeley.

El procedimiento tradicional que la mayor parte de las normas sísmicas permite usar para evaluar la magnitud de la fuerza que se generaría en las distintas partes de un edificio como reacción al movimiento sísmico, por lo menos para edificios de poca altura, es el método de fuerza horizontal equivalente, conocido también como método de fuerzas estáticas equivalentes.

Métodos de análisis estructural

117

Para analizar el comportamiento del edificio mediante el método de fuerza horizontal equivalente primero se calcula el cortante basal (Vs ); para mantener el equilibrio, la fuerza inercial total (Fs) que debería resistir el edificio, será equivalente a Vs pero en sentido contrario. Fs se sustituye por un conjunto de fuerzas horizontales (F¡) distribuidas en la altura del edificio y aplicadas en el centro de masa de cada piso; por lo tanto el cortante basal (Vs ) es equivalente a la suma de todas las fuerzas horizontales que actúan en cada piso. Con relación al estudio de las fuerzas horizontales que se generan en un edificio porticado de concreto armado vibrando, Luis Enrique García explica: 1. En el método de la fuerza horizontal equivalente, todo se aproxima al primer modo de vibración. 38 Al estar vibrando el edificio en el primer modo, se mueve todo hacia un lado y luego todo hacia el otro. Esto lo hace en un tiempo igual al período de vibración fundamental (por ejemplo, aproximadamente en un tiempo igual al número de pisos dividido por 10, lo cual para un edificio de diez pisos daría un período de vibración de 1 segundo). 2. En principio, se tiene un sistema de varios grados de libertad, donde cada grado de libertad está asociado con una masa y describe el desplazamiento horizontal de cada una de las masas independientemente. La masa es la cantidad de materia que hay en cada piso y que no está conectada con la masa del piso inferior o superior sino a través de elementos estructurales verticales, los cuales para efectos de esta explicación no tienen masa o cuya masa se puede suponer concentrada en cada losa de piso. Se puede decir que aproximadamente la mitad de la masa de los componentes verticales actúa con el piso inferior y la otra mitad con el superior. 3. La magnitud de la fuerza inercial que se genera en cada piso al vibrar el edificio horizontalmente corresponde a la masa multiplicada por la aceleración horizontal del piso (Segunda Ley de Newton). Esto es válido para cualquier situación de vibración horizontal del edificio. 39

38 Véase el cap. 15: "Análisis modal espectral n en García, L. E., Dinámica estructural... , ob. cit. 39 García, L.E., correspondencia personal, abril, 2006. 40 ACI, ACI-IPS-l Requisitos ... , ob. cit., apartado 11.2 "Fuerzas laterales", edición 2002, pág. 170.

La magnitud de estas fuerzas es función del período fundamental, que se estima con fórmulas empíricas. Para la definición del punto de aplicación de las fuerzas de inercia o fuerzas sísmicas que generará un edificio ante las acciones de un sismo, en el apartado 11.3 Sistema estructural de resistencia a fuerzas laterales del ACI-IPS-l, se incluye la siguiente definición: 11.3.4 - Centroide de masa del piso El centroide de masa de cada piso debe corresponder al centroide del área de la losa de piso. El área para la determinación del centroide de masa debe ser aquella definida por los bordes de losa, menos el área de todas las aberturas que tengan más de 2 m de lado. Las fuerzas sísmicas laterales prescritas de un piso pueden ser aplicadas en el centroide de masa de la losa de ese piso. 40

118


Si la masa es uniforme en toda la altura del edificio, entonces las fuerzas inerciales en los pisos superiores serán mayores que en los inferiores, como se ilustra en la figura 42, debido a que las aceleraciones aumentan con la altura. En este método se aplican las fuerzas sísmicas actuando por separado para cada una de las dos direcciones horizontales principales (X y Y) del sistema estructural en el centro de masa de la losa de cada piso. Se debe considerar además, para cada piso, una torsión o excentricidad accidental que puede generarse por desequilibrios imprevisibles en los valores considerados para el cálculo de los momentos torsionales o torsores, como se muestra en la figura 43. Fuerzas en las losas de piso

C=='.

..---=;)

Vs

Cortante en la base

Figura 42

Torsión --- -_.-...... accidental "- ..._-

Figura 43


119

Teniendo en cuenta estos conceptos se supone que cuando la estructura se ve sometida a las fuerzas horizontales, las losas de piso se desplazan lateralmente; los desplazamientos se manifiestan principalmente como fuerzas cortantes (Vi) y como efectos de flexión o momentos f1ecto-

res (Mi)' En la figura 44,41 se muestra cómo el cortante (Vi) en cada piso es igual a la suma de la fuerza horizontal en ese piso más las fuerzas horizontales que actúan en los superiores. En cuanto a los momentos, si se tiene en cuenta que el edificio está empotrado en el terreno, por analogía se puede considerar como si éste actuara como una viga en voladizo fija en su base, a la que se le aplica una fuerza vertical, como se muestra en la figura 45;42 si esta fuerza se distribuye de la misma manera que en la figura 8, se equilibra en la base con un momento. Fuerzas en las losas de piso

Cortante en los pisos

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. =:;) V.

Figura 44

F.

~-~=> Basada en núm. 9 del módulo 6 de L. E. García. "Serie de presentaciones... ·, ob. cit. 42 Basada en núm. 4 del módulo 3. ibíd. 41

€=t-;;====/7 Figura 45

Momento de reacción en la base M o


121

Todos estos términos definen de igual manera los cálculos necesarios para la reducción de las fuerzas sísmicas que pueden afectar los edificios. El factor R permite obtener el espectro de diseño que considera el efecto que se produce cuando se aceptan daños debido a las deformaciones plásticas (ductilidad) de la estructura. Con relación al factor R en el cálculo del cortante sísmico basal, el AC/IPS-l-S Requisitos esenciales para edificios de concreto reforzado, establece: 4.11.3.3 - Cálculo del cortante sísmico en la base. El cortante sísmico en la base, V•• equivalente a los efectos inerciales horizontales totales causados por los movimientos sísmicos del terreno se debe determinar usando la Ecuación (4-16):45

45 ACI, ACI-IP5-1 Requisitos... , ob. cit., cap. 11: "Resistencia ante fuerzas laterales', pág. 49. 46 ATC, Structural Response Modification Factors, Report ATC-19, ATC, Redwood City. California. 1995. 47 Véase el cap. 13: "Earthquake Analysis of Linear Systems' (Análisis sísmico de sistemas lineales) en Chopra, A. K., Dynamics of Structure: Theory and Applications to Earthquake Engineering, Prentíce-Hall Ine.• Nueva Jersey, 2000. págs. 507-591.

Donde Sa representa las ordenadas del espectro elástico de diseño o aceleración espectral, g es la aceleración de la gravedad, y M la masa total del edificio. El informe ATC-19 del Consejo de Tecnología Aplicada (Estados Unidos) titulado Structural Response Modification Factors,46 recomienda que en la evaluación de R se consideren los efectos de reducción debidos a tres de sus componentes principales: factor de ductilidad (Rm), factor de resistencia (Rs) y factor de redundancia (Rr). Las fuerzas sísmicas horizontales se combinan también con las cargas verticales, de acuerdo con los requisitos establecidos en la norma sísmica que se esté usando. En el caso de los edificios regulares con un sistema estructural de ejes ortogonales, el análisis resulta más sencillo y con menos incertidumbres que cuando los ejes estructurales no son ortogonales o cuando el edificio es irregular. La mayoría de las normas sísmicas recientes incluyen disposiciones para casos especiales que ameritan tener en cuenta el efecto de las fuerzas sísmicas actuando en una dirección horizontal diferente a la de los ejes principales del edificio. Métodos de análisis dinámico

Dentro de las opciones que ofrecen las normas sísmicas actuales para el análisis dinámico de las estructuras, uno de los métodos de mayor aceptación entre los ingenieros estructurales es el análisis dinámico por superposición modal o simplemente, análisis modal. 47 Este método es apropiado para modelar el comportamiento elástico ante sismos menores y permite

122


examinar, a través de modelos matemáticos, el desplazamiento horizontal hipotético en cada dirección por separado de edificios con un grado de libertad y con unas características estructurales específicas, en momentos determinados del tiempo que dura el sismo de diseño seleccionado. Con el objetivo de simplificar estos modelos se recurre a los sistemas de masas discretas,48 que simulen el caso real de masa distribuida; por ejemplo, masas concentradas con un grado de libertad en las losas de piso, estudiadas independientemente para cada una de las direcciones principales. Discretizar la masa y considerar su influencia horizontal, vertical y rotacional, implica tener en cuenta un mayor número de grados de libertad. Las estructuras se modelan ubicando una masa discreta en puntos espaciados sobre el modelo del edificio, para los modos fundamentales de vibración en dos direcciones horizontales y una vertical, y se estudia su comportamiento dinámico con los registros de sismos seleccionados. En la figura 47 se ilustra en un modelo de masas concentradas en las losas de piso (mi' m2"" m¡, mn-i Y mn) de un edificio, donde lo más importante es el primer modo de vibración. El efecto que produce el movimiento del terreno en cada masa durante un sismo, es correspondiente al de aplicar en cada uno de sus pisos una fuerza lateral dinámica equivalente F¡(t) donde (i = 1, 2, ... n), la cual varía en cuanto a desplazamiento en la dirección estudiada y amplitud, de acuerdo con el tiempo. Usando el sistema de masas discretas, la figura 48 ilustra un ejemplo de los modos de vibración de una estructura, en el cual se describe la forma característica hipotética de deformación de una estructura en una dirección, durante un movimiento sísmico.

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Véase el cap. 14: "Reduction of Degress of Freedom" (Reducción de grados de libertad) en Chopra, A. K., Dynamics of Structure... , ob. cit., págs. 593-608. 48

Base móvil

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Base fija

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Modo 1

Desplazamiento del terreno

Agura 47

Agura 48

Modo 2

Modo 3

123


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Modo 1 Ti =0,089

Modo 4 T4 = 0,018

Figura 49

Como ejemplo de un caso específico, la figura 49 ilustra esquemáticamente las formas y períodos de cuatro modos de vibración de una estructura porticada con paredes rígidas no estructurales que presentan James Axley y Vitelmo Bertero. 49 Para representar apropiadamente la estructura que se está analizando mediante el estudio de respuesta elástica, se requiere emplear un gran número de grados de libertad y de modos de vibración en el programa computarizado de cálculo. Si se incluyen muchos componentes secundarios con pequeña masa, se contamina el modelo y además se incrementa la cantidad de memoria y tiempo de computadora requeridos. Por lo tanto, es importante identificar adecuadamente las masas relevantes para modelar el comportamiento dinámico de la estructura que se está analizando. Con relación al método de análisis modal, Anil K. Chopra describe:

Axley, J.W. y V. Bertero, Infill Pane/s: Their Influence on Seismic Response of Buildings, informe UCBjEERC.79j28, septiembre de 1979, Centro de investigación en ingeniería sismica (EERC), Universidad de California, Berkeley, CA, 1979. Fig. M.3, pág. 53. 50 Véase Chopra, A., "13.1.6: Interpretation of Modal Analysis· (Interpretación del análisis modal) en Dynamics of Structure: Theory and Applications to Earthquake Engineering, Prentice-Hall Inc., Nueva Jersey, 2000, pág. 511. 49

En la primera fase de este proceso de análisis dinámico se calculan las frecuencias naturales y los modos de la estructura, y se divide el vector de distribución de tuerzas en sus componentes modales. (...) El aporte de los n modos a la respuesta dinámica se obtiene multiplicando los resultados de los dos análisis: 1) el análisis estático de la estructura con sus fuerzas aplicadas y 2) el análisis dinámico de los n modos del sistema de un grado de libertad. Por lo tanto, el análisis modal requiere del análisis estructural estático para N conjuntos de fuerzas: Sn, n = 1, 2, ... , N, sacudidos por un movimiento sísmico inducido; y del análisis dinámico de N diferentes sistemas de un grado de libertad. Combinando las respuestas modales, se obtiene la respuesta sísmica de la estructura. 50

Si se diseña para sismos mayores, especialmente cuando se trata de edificios con configuraciones irregulares, se recomienda hacer un estudio del comportamiento inelástico mediante un análisis dinámico tridimensional, en lugar de un análisis de superposición modal.

124

Capitulo 2. La vulnerabilidad de los edificios singulares ante los movimientos s¡smicos

La redundancia La redundancia en el DE5R,51 es un criterio o medida de prevención, el cual se refiere a la provisión de líneas adicionales de seguridad en los edificios para garantizar que en caso de que falle alguno de los componentes esenciales del sistema de resistencia sísmica previsto en el análisis, otros componentes del edificio o sistemas de ellos que en condiciones normales no tendrían una función sismorresistente, permitan la redistribución de las fuerzas internas. Por lo tanto, no puede considerarse que estos componentes, o sistemas de ellos, sobren o que exista demasiada abundancia de ellos, cuando se toman en cuenta los conceptos de seguridad donde puede existir incertidumbre. Jack Moehle y Stephen Mahin, explican:

Véase Bertero R. y V. V. Bertero, "Redundancy in Earthquake-Resistant Design" (La redundancia en el diseño sismorresistente), Journal of Structural Engineering, vol. 125, núm. 1, ASCE, págs. 81-88, 1999; YWen, Y. K.• ·Probabilistic Aspects of Earthquake Engineering", cap. 7, en Y. Bozorgnia y V. V. Bertero (eds.). From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering, CRC Press. Nueva York, 2004. 52 Moehle J. P. Y S. A. Mahin, "Observations on the Behavior of Reinforced Concrete Buildings during Earthquakes" (Observaciones sobre el comportamiento de edificios de concreto armado durante los sismos), en, ACI SP-127 EarthquakeResistant Concrete Structures - Inelastic Response and Design, (S.K. Ghosh, editor), ACI, Detroit, Michigan , 1991, págs. 67-89. Actualmente disponible en http://nisee.berkeley.edu/lessons/ concretemm.html. 53 Bertero, V. V., "Superstructure: Multiple Defense Unes", en Earthquake Engineering..., ob. cit.

51

Se ha observado que generalmente los sistemas estructurales que combinan varios elementos o subsistemas de resistencia a las fuerzas laterales, se comportan bien durante los sismos. La redundancia en el sistema estructural permite la redistribución de las fuerzas internas cuando se produce la falla de los componentes fundamentales del sistema de resistencia sísmica. Si no hay una capacidad para la redistribución, la globalidad de la estructura colapsa como consecuencia de la falla de componentes o de conexiones individuales. La redundancia se puede obtener por varios medios; un sistema dual, un sistema de pórticos interconectados, que permita la redistribución entre pórticos después que la fluencia se ha iniciado en los pórticos independientes, y numerosos muros estructurales. La redundancia combinada con resistencia, rigidez y continuidad adecuadas, pueden aminorar la necesidad de un excesivo detallado en la ductilidad. Este aspecto fue previamente discutido con relación al uso redundante de sistemas de muros estructurales en Chile. 52

Con relación a la redundancia menciona Bertero: Una estructura debe tener el mayor número posible de redundancias internas y externas. Aunque se desee tener un alto grado de indeterminación estática, esto no es suficiente. Para que un edificio sea eficiente para resistir una vibración sísmica severa, debe tener suficiente ductilidad, tenacidad y comportamiento histerético estable ante ciclos reversibles repetidos. Para lograr esto es necesario dimensionar (tamaño) y detallar sus miembros. uniones y apoyos de manera tal que todas las deformaciones inelásticas estén restringidas (controladas) a desarrollarse en áreas deseadas y de acuerdo con una jerarquía deseable, y esparcidas en suficiente número de áreas tanto en planta como en alzado de toda la estructura. 53

127

En este libro s~ tomó como base el concepto de configuración del edificio, explicado y definido por Christopher Arnold y Robert Reitherman en 1982: (o •• ) ¿qué hace el arquitecto que influye en el desempeño sísmico del edificio y qué con s-tituye una fuente de prf;locUpación e~presa<;la de. diversas maneras por el ingeniero? La respuesta ~s .que el arquitecto conyiqe Y. controla laconfigi,Íración deledif.icio. La . con~guraci~n ~n,ger:ieral;se defi~e corrio: 1) e.i tamGlño y:la fcinna del edificio, pero en estelíbro también irw1uyé: 2}\Ia naturaleza, el tamañp y la ubicación de los componentes ~strJdtu~les,\y 3) la n~turaleza, el tamaAo y la ubicación de componentes afe~tar el desempeño' estructural del edificio. Esto inno estructuralJ~1: que pliede'n : cluye compone~tes tales como muros, columnas, losas de piso, núcleos de servicio y escaleras, y también la cantidad y tipo de divisiones interiores y la manera cómo se deja sólida o perforada la pared exterior para iluminación y ventilación. Esta definición ampliada de la configuración es necesaria debido a la intrincada relación que existe entre estos tres grupos de elementos de dicha configuración en el comportamiento sísmico. En cuanto a éste, nuestra definición va más allá de la idea de la forma de edificio, que suele limitarse a la forma total o a la naturaleza del edificio como una masa escultórica. 1

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Amold, Ch. y Reitherman, R., Building Configuration and Seismic Design, John Wiley-& Sons, Inc., Nueva York, 1982, pág. 4. 2 Figura 9, «Prefacio - Apéndice 1" en Normas colombianas de diseño y construcción sismo resistente NSR-98, Ley 400 de 1997, Decreto 33 de 1998, Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS), Bogotá, 1998, pág. XlVIII. 1

En el último apartado del capítulo 1 se exponen los resultados de los estudios realizados desde principios del siglo xx sobre la influencia que ejerce la configuración en el comportamiento sísmico de los edificios y la preocupación existente entre los estudiosos de las ESR desde entonces. El grado de irregularidad en la configuración del edificio es uno de los factores importantes que se incluyen hoy día en la mayoría de las normas sísmicas para definir el procedimiento de análisis que se aplicará para el diseño de la estructura. Como ejemplo se incluye en la figura 1 de la página siguiente el gráfico del Paso 4 en el procedimiento de diseño recomendado por la norma sísmica de Colombia NSR-98 que muestra la irregularidad en planta y alzado como parte de los factores que se tienen en cuenta para definir el procedimiento de análisis que se utilizará. 2 Los modelos que se utilizan para prefigurar el comportamiento estructural de un edificio se definen a través de parámetros prescritos en las normas sísmicas, los cuales están relacionados con: 1) el tipo de sistema estructural, por ejemplo, muros de carga, sistema porticado, sistema combinado, sistema dual; 2) los materiales estructurales utilizados, por ejemplo: concreto armado, acero, mampostería no reforzada, reforzada o confinada, madera; 3) la disposición del material en los componentes estructurales y sus características mecánicas en el rango lineal elástico e inelástico y particularmente su capacidad de disipación de energía (ductilidad, tenacidad) y resiliencia; y 4) el grado de irregularidad en la configuración del edificio

Paso 4 . Grado de irregularidad de la estructura y procedimiento de análisis mREGU~RIDADENP~Nrn

GRADO DE IRREGU~RIDAD ENP~NTA

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Torsíonal

Salientes excesivos

Diafragma Desplazamiento díscontínuo plano del pórtico IRREGU~RIDAD EN ALZADO

Ejes no paralelos

GRADO DE

IRREGU~RIDAD ~ $ EN ALZADO

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Piso flexible

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Desplazamiento elementos

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DEPERFIL SUELO

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Piso débil

DEFINICiÓN DEL PROCEDIMIENTO DE ANALlSIS

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TIPO DE PERFIL DE SUELO

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MÉTODO DE LA FUERZA HORIZONTAL EQUIVALEN MÉTODO DEL ANALISIS DINAMICO ELASTICO MÉTODO DEL ANAuSIS DINAMICO INELAST/CO

7/7$///J7/fr//ROCA GRUPOS DE USO

I

11

III

..

IV

De acuerdo con la importancia para la recuperación con posterioridad al sismo

NIVEL DE AMENAZA SISMICA (del paso 1)

Figura 1

En los países hispanohablantes se utilizan diversos términos para expresar lo que se ha llamado en este libro irregularidades en planta y alzado. En el primer caso se utiliza "en horizontal", "en plano", "plana" y otros similares; y en el segundo caso, "en vertical", "en altura", "en elevación", "vertical" y otros similares, 3

}

}

GRUPO DE USO

ALTA INTERMEDIA BAJA

identificado por: su forma geométrica en planta y en alzado;3la distribución de la masa reactiva, la resistencia y la rigidez. Las decisiones y responsabilidad con respecto a las tres primeras variables dependen principalmente del diseñador estructural, aunque la opinión del arquitecto, basada en valores estéticos, ambientales, económicos u otros, puede jugar un papel importante. El cuarto parámetro depende principalmente del arquitecto, y muchas veces las decisiones que se toman sin consultar previamente con el diseñador estructural, sobre todo en la elección de la configuración, desempeñan un papel importante en el comportamiento del edificio ante las acciones sísmicas.

Las configuraciones irregulares y las normas sísmicas

129

Es así cómo debido a la gran cantidad de variables dependientes que se han identificado en el estudio de la relación entre el comportamiento sismorresistente y la configuración del edificio, ha resultado difícil definir los límites en la responsabilidad correspondiente a cada uno de los diferentes profesionales involucrados, sobre todo desde el punto de vista analítico, pues generalmente se trabaja con modelos teóricos en los que se utilizan hipótesis de simplificación para aislar y estudiar independientemente cada parámetro, con lo cual a veces surgen modelos que distan de la realidad. Por ello es muy importante aprender a manejar los conceptos que permiten entender el comportamiento sismorresistente del edificio, sus componentes y su contenido como un todo y no como una sumatoria de elementos físicos independientes, y la influencia que ejerce la configuración arquitectónica en dicho comportamiento. En este capítulo se explican los conceptos generales que definen las irregularidades en la configuración de los edificios con respecto al diseño sismorresistente. Se incluye una breve reseña de la incorporación en las normas sísmicas de los parámetros que definen la irregularidad de la configuración en la reglamentación para el diseño y construcción de los edificios, la descripción de los parámetros generales que identifican las configuraciones irregulares y una descripción general de las diferentes configuraciones irregulares que influyen en su comportamiento sismorresistente. Al final se describe la irregularidad geométrica del edificio; las configuraciones geométricamente regulares con distribución irregular de la masa reactiva, la resistencia y la rigidez, se describen en el capítulo 4.

Las configuraciones irregulares y las normas sísmicas En el apartado "Crónica sobre la identificación de la influencia de la configuración arquitectónica en el desempeño sismorresistente de los edificios" del capítulo 1 (pág. 58), se explica cómo después del gran sismo de Kanto en Japón en 1923 se comenzó a mencionar en los informes y recomendaciones realizados por los académicos y los profesionales vinculados con el diseño y construcción de edificaciones sismorresistentes (DESR), la necesidad de utilizar formas regulares y de evitar todas aquellas que no cumplieran con los parámetros que la definían como tales. Como regulares se referían a aquellas geométricamente simétricas, sin áreas entrantes, con proporciones equilibradas y con una distribución regular en planta y alzado de la rigidez, la resistencia y la masa reactiva.

130

Capítulo 3. La influencia de la configuración de los edificios en su comportamiento ante los sismos

Así, a medida que se fue estudiando el comportamiento de los edificios, no solamente de los dañados sino de los que no fueron dañados debido a los efectos de los sismos, se fue reforzando entre los investigadores la hipótesis de que los edificios regulares sufrían menos fallas que aquellos con sistemas estructurales similares que presentaban configuraciones irregulares, y la sospecha de que existían otros aspectos complementarios al sistema estructural que debían tenerse en cuenta para obtener edificios más seguros ante tales eventos. A principios de los años setenta del siglo xx, se había corroborado que los edificios modernos, con formas que no cumplían con las condiciones básicas de regularidad antes mencionadas, eran propensos a mayores daños que los que eran regulares. Sin embargo, hasta entonces no se habían incluido en las normas para el diseño y construcción de edificios sismorresistentes (ESR), los parámetros relacionados con este tema. Se concluyó que esto se debía en gran parte a las dificultades para definir analíticamente los límites en que el edificio deja de ser regular, y para determinar por los métodos tradicionales el posible comportamiento que pudieran tener estos edificios ante las acciones de los sismos que podían afectarles durante su vida útil. Durante esta misma década, en California, los investigadores, tanto arquitectos como ingenieros, iniciaron el estudio sistemático de los efectos que podía generar la irregularidad de la configuración arquitectónica en el comportamiento sismorresistente de los edificios; un grupo de académicos y asociaciones de profesionales vinculados con el DESR emprendieron una campaña para que los reglamentos de diseño y construcción incluyeran los parámetros y los valores que identifican las configuraciones irregulares y para establecer métodos especiales para el análisis de aquellas que se reconocieran como tales. Arnold y Reitherman comentan en su libro Building Configuration and Seismic Design que, a pesar de las evidencias, en los Estados Unidos, el Uniform Building Code (USC) no había incluido hasta 1973 ninguna disposición relacionada con las configuraciones irregulares, y que a partir de entonces y hasta 1982 sólo lo mencionaban como si fuera una advertencia. Al respecto argumentan: Si el asunto es importante, ¿por qué la norma lo trata de una manera general y sólo insinuándolo? El problema parece ser que aunque los ingenieros relacionados con el tema sísmico han reconocido desde hace mucho tiempo que la configuración es un asunto clave, se encontraron con que es muy difícil reducirlo a un simple conjunto de reglas preceptivas, que resulta ser el formato típico de nuestra norma. 4 Amold, Ch. y Reitherman, R., Building Configuration... , ob. cit., pág. 6.

4


131

Después del sismo de México (Michoacán) de 1985, y debido a los cuantiosos daños producidos en los edificios que seguían los principios de diseño y las normas sismorresistentes vigentes en los Estados Unidos, se inició una revisión importante de éstos. Como consecuencia de este sismo se puso en evidencia que la resiliencia de la ciudad no depende solamente de las normas sísmicas que proporcionan disposiciones para el diseño y construcción de edificios singulares sismorresistentes, sino que su comportamiento puede generar consecuencias en los edificios vecinos y en la ciudad como un todo que deben ser consideradas por los arquitectos y los planificadores urbanos. En la edición del USC 1988 se introdujeron cambios significativos y por primera vez se incorporó la tabla de irregularidades en la forma de los edificios para los efectos de la aplicación del método de análisis de la estructura. También se realizaron varios talleres para analizar las lecciones derivadas de dicho sismo, en los que participaron ingenieros, arquitectos, planificadores urbanos, geólogos, ingenieros geotécnicos y otros profesionales tanto de México como de los Estados Unidos. A partir de entonces, y como consecuencia de los sismos de Loma Prieta (1989) y Northridge (1994) en California, y el de Kobe (1995) en Japón, se produjo un cambio drástico, no sólo en las normas sísmicas, sino en el paradigma del DESR. Sin embargo, aún hasta principios del siglo XXI ha sido muy difícil reglamentar analíticamente estos parámetros debido a que: a) son numerosas las variables que intervienen; b) es difícil aislar cada variable para establecer la escala de valores que determine la variación de la irregularidad entre un límite menor y uno mayor claramente especificado para cada tipo de configuración; c) para valorar los niveles de irregularidad es difícil asignarles escalas cuantitativas; y d) el número de posibles combinaciones entre las diferentes irregularidades puede ser ilimitado. En este apartado se presenta un breve resumen sobre el desarrollo de los parámetros que definen a las configuraciones irregulares en la reglamentación para el diseño y construcción de ESR. Los antecedentes arquitectónicos Como se explica en el capítulo 1, el desarrollo a finales del siglo XIX del sistema constructivo porticada de concreto armado proporcionó a los arquitectos mayor libertad para lograr nuevas formas edificatorias que representarían los nuevos símbolos de la ciudad contemporánea.

132

Figura 2

Figura 3


Se rompió así con los cánones arquitectónicos y constructivos tradicionales, dejando de lado el inflexible y limitador sistema constructivo de muros de carga para permitir, tanto en las fachadas como en el interior del edificio, la gran libertad de diseño que proporcionaban los pórticos de concreto y que permitió la divulgación y aplicación en el ámbito internacional de los postulados de los Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna (CIAM) y de las nuevas formas generadas por la aplicación de las disposiciones establecidas en la normativa de zonificación urbana originadas en las ciudades del este de los Estados Unidos. Al quedar independiente la estructura de las paredes exteriores y divisiones interiores, el arquitecto podría contar con un papel en blanco con limitaciones estructurales mínimas para distribuir los espacios, las paredes y las aberturas. En la figura 2 se ilustra el esquema del Sistema Dominó desarrollado por Le Corbusier en 1914, descrito en el apartado "Las técnicas constru~ tivas ... " del capítulo 1 y que sirvió como punto de partida para desarrollar los cinco puntos de la nueva arquitectura, propuestos por dicho arquitecto en 1926 y los cuales han constituido la base de la arquitectura moderna que ha dominado internacionalmente el diseño y construcción de edificios hasta el presente. En la figura 3 se muestra un edificio, típico aún a principios del siglo XXI, donde se distingue claramente la influencia de los conceptos básicos establecidos en el Sistema Dominó: las columnas de dimensiones horizontales mínimas, la losa plana sin vigas que sobresalen y los espacios libres de paredes estructurales. De esta manera, los arquitectos se independizaron de los ingenieros estructurales en las primeras fases de diseño y comenzaron a situar a su conveniencia tanto los elementos estructurales como los no estructurales y los no intencionalmente estructurales, para lograr el programa de actividades, la funcionalidad de los espacios y los elementos estéticos que querían obtener. El inconveniente que se presenta es que los componentes de la edificación definen la ubicación del centro de masa y del centro de rigidez en cada entrepiso y lo que ocurre generalmente es que no se tiene en cuenta que su distribución irregular es también causante de patrones irregulares en la rigidez, la resistencia y la masa crítica de cada entrepiso, lo cual influye significativamente en el comportamiento sismorresistente del edificio. Los cinco puntos de Le Corbusier, descritos en el capítulo 1, promovieron la popularización de configuraciones con una distribución irregular de la


133

rigidez, la resistencia y la masa crítica en los edificios, tanto en la planta como en alzado, lo cual puede generar irregularidades en su configuración. A continuación se explica la influencia de cada uno de los cinco puntos en la generación de estas irregularidades: 1. Los pilotis: al eliminar los muros y utilizar un sistema estructural cuyos componentes verticales son columnas muy esbeltas (pilotis), se proporciona una planta "libre de barreras", creando las bases para el segundo punto. 2. La planta libre: el espacio interior de los entrepisos no está limitado por muros estructurales inamovibles, permitiendo mayor libertad para la distribución en planta de las actividades y de los equipos y mobiliario, proporcionando una gran versatilidad interior no sólo al diseñador, sino al usuario del espacio, permitiéndole organizarlo a su gusto. 3. La fachada libre: los componentes que separan los espacios interiores del exterior son independientes de la estructura; su papel es meramente funcional y estético, lo cual permite elegir componentes de cerramiento de una gran variedad de formas, materiales y características dinámicas, y ubicarlos con gran libertad. 4. La ventana alargada: la iluminación y ventilación naturales de los espacios interiores del edificio y el contacto visual del usuario con la naturaleza, fueron la base para este punto. Originalmente se incorporó la ventana alargada o panorámica a los componentes de fachada, pero muy pronto, se generó una gran variedad de soluciones de fachada, donde se combinan desde sólidas barreras visuales y acústicas para crear espacios más íntimos, hasta paneles que van de columna a columna y de piso a techo, completamente abiertos o protegidos por grandes ventanales de vidrio. 5. El techo jardín: fomentaba la utilización de grandes masas de jardinería en los techos de los edificios, sin estar restringido a la posesión de una porción de tierra para la vegetación. Si bien originalmente se propuso este postulado para fomentar los techos planos utilizables a diferencia de los techos a varias aguas, muy pronto se popularizaron los jardines en las terrazas de cualquier nivel y las jardineras en las ventanas, lo que ha provocado la concentración de masas reactivas debidas al peso de la tierra, las plantas y el agua con la que se riegan éstas.

134


Las configuraciones irregulares en los reglamentos de construcción

Ante la evidencia de la influencia de la irregularidad de configuración en el comportamiento sísmico de los edificios, de la gran variedad de formas aro quitectónicas con configuraciones irregulares que se habían generado en las ciudades contemporáneas hasta 1974, Y de la imposibilidad de utilizar los métodos tradicionales de análisis para el diseño y construcción de los edifIcios con configuraciones irregulares, la Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC), incluyó entre sus recomendaciones el párrafo 3, Irregular Structures or Framing Systems (Estructuras o sistemas porticados irregulares), en el documento Recommended Lateral Force Requirements & Commentary(SEAOC Blue Book, 1974), el cual decía: La distribución de las fuerzas laterales en estructuras que presentan formas alta:mente irregulares, grandes diferencias en la resistencia lateral o en la rigidez entre pisos adyacentes, u otras características estructurales inusuales, tiene que determinarse considerando las características dinámicas de la estructura. 5

El párrafo 3 del apartado l(E) del Comentario de la cuarta edición de dicho documento, explica:

SEAOC, "Recommended Lateral Force Requirements, 1974 Edition", en Recommended Lateral Force Requirements and Commentary, Seismology Committee, Structural Engineers Association of California, San Francisco, California, 1975, pág. 5. 6 SEAOC, "Section 1(E)3: Irregular Structures or Framing Systems" en Commentary on the Fourth Edition of the Recommended Lateral Force Requirements. Seismology Committee, Structural Engineers Association of California, San Francisco, CA, 1975. pág. 3~. 5

Para las estructuras clasificadas como "irregulares·, el cortante basal no se puede distribuir de acuerdo con las reglas arbitrarias que se utilizan para los edificios regulares, las cuales están contenidas en las fórmulas (1-6) y (1-7). sino que se deben distribuir por métodos racionales que contemplen las propiedades de rigidez del sistema de resistencia sísmica, la distribución de la masa y los principios de dinámica. Con el propósito de determinar la irregularidad del edificio, para calcular el cortante basal se deben considerar todos los elementos usados en la determinación del período [de vibración]. A través de la observación de los daños producidos por los sismos ha quedado bien demostrada la necesidad que tienen los reglamentos de exigir que cuando la estructura presente grandes irregularidades en la configuración, en la rigidez o en la resistencia lateral, se realice la distribución de las fuerzas sísmicas de acuerdo con las propiedades dinámicas de la estructura. Hasta cierto punto. la determinación de la aplicabilidad de este apartado será un asunto de juicio ingenieril apropiado. Debido a la infinita variedad de irregularidades [en la configuración] que pueden existir. se ha puesto en evidencia la impracticabilidad de establecer parámetros definidos y reglas razonadas para la aplicación de este apartado. Estas normas mínimas se han escrito, en general, para edificios y condiciones regulares. La consecutiva aplicación de estas normas mínimas a edificios o condiciones inusuales condujo en muchos casos a una evaluación no muy realista. 6

La SEAOC incluyó en este mismo Comentario, una lista de veinte "ejemplos de irregularidades" a los que habría que aplicarle métodos de análisis


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dinámico en lugar de usar el método tradicional de fuerza horizontal equivalente. 7 Se recomendaba que se incluyeran estos ejemplos en la edición de 1976 del Uniform Building Code (USC). Estas recomendaciones no se adoptaron. En 1978 Vitelmo Sertero y Henry Degenkolb, como miembros del comité que llevó a cabo las disposiciones provisionales para el desarrollo de normas sísmicas para edificios (ATC-3-06 Tentative Provisions for the Development of Seismic Regulations for Buildings),8 incluyeron en el apartado 3.4 una propuesta bastante detallada que definía las características de las configuraciones regulares e irregulares que debían ser incluidas en la próxima versión del USC de 1979 y que incluía las siguientes disposiciones: Configuración del edificio: para los fines de diseño sísmico, los edificios deben clasificarse como regulares o irregulares tal como se especifica en esta sección. Cuando se determina la clasificación de un edificio como regular o irregular deben considerarse ambas configuraciones: en planta y en vertical. Los edificios que tienen una configuración geométrica aproximadamente simétrica y la masa del edificio y el sistema de resistencia sísmica aproximadamente coincidente, deben clasificarse como regulares.

En el Comentario de dicho documento, se incluyó la explicación del párrafo anterior:

7 SEAOC, "Section 1(E)3: Irregular Structures or Framing Systems" en

Commentary on the Fourth Edition of the Recommended Lateral Force Requirements. Seismology Committee, Structural

Engineers Association of California, San Francisco, CA, 1975, págs. 33-C y 34-C. 8 ATC, Tentative Provisions for the Development of Seismic Regulations for Buildings (Blue Book), ATC-3-06, ATC

Publications, Palo Alto, California, 1978, págs. 47 y 339. 9 ¡bíd., figuras C3-1 a C3-7, págs. 355-359.

Configuración del edificio: La configuración de un edificio puede afectar significativamente a su comportamiento durante un fuerte sismo que produjera el movimiento del suelo contemplado en estas disposiciones. La configuración puede dividirse en dos aspectos: la configuración en planta y la configuración en alzado. Las disposiciones de este documento se establecieron básicamente para edificios que tienen configuraciones regulares. Los sismos que han ocurrido en el pasado han demostrado en repetidas ocasiones que los edificios que tienen configuraciones irregulares sufren mayores daños que los edificios regulares. Esta situación se repite aunque el diseño y la construcción sean buenos. Estas disposiciones han sido concebidas para alentar el diseño de edificios con formas regulares.

En los párrafos subsiguientes de dicho documento, 3.4.1 y 3.4.2, se discutían en detalle las condiciones para identificar si el edificio era irregular en planta y en alzado, y se mencionaba que para seleccionar un procedimiento de análisis o determinar las fuerzas sísmicas y la distribución de estas fuerzas, el edificio debía clasificarse como irregular si se presentaban dichas condiciones. Se incluyeron además una serie de figuras para complementar la descripción de estas condiciones. 9 En el apartado 3.5 Analysis procedure, también

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10 Apartado 2312(e) en International Conference of Building Officials (lCBO), Uniform Building Code, 1988 Edition (UBC-88), ICBO, Whittier, California, 1988, págs. 130-131. 11 Arnold, Ch. y Reitherman, R., Building Configuration ... , ob. cit., pág. 8. 12 Entre otras CAM/SAM & AIA/ACSA, Designing for Earthquakes in California: A Workshop for Architects and Related Building Professiona/s, San Francisco, California, 1988, págs. 25-50.

Capitulo 3. La influencia de la configuración de los edificios en su comportamiento ante los sismos

se incluyeron recomendaciones para el procedimiento de análisis apropiado para las estructuras identificadas como irregulares. En la versión del USC 1979, se incluyeron por primera vez las disposiciones generales sobre configuraciones irregulares recomendadas en el texto principal del SEAOC Blue Book 1975; 10 sin embargo, no se incluyeron ni los comentarios donde se explicaban las condiciones que definían las irregularidades en planta y alzado, ni la lista de ejemplos gráficos. No pasó de ser una advertencia muy general e imprecisa sobre la condición de irregularidad en la configuración y la correspondiente aplicación del método de análisis para la distribución de las fuerzas laterales en el edificio. En 1982, Arnold y Reitherman, en vista de que no se incluían en el use las recomendaciones que hacía la SEAOC en cuanto a identificación de la irregularidad de la configuración, interpretaron gráficamente en su libro Building Configuration and Seismic Design los veinte ejemplos que el Blue Book 1975 incluyó en su Comentario y las recomendaciones del ATC-3-06. 11 Esta situación se mantuvo hasta que, como consecuencia de los extensos daños causados por el sismo de México en 1985, se produjeron grandes cambios en los conceptos empleados hasta ese momento en las normas para el DESR del estado de California y en el ejercicio de la profesión de arquitectos y urbanistas de dicho país y de los otros países que seguían estos preceptos. La evidente identificación de la correlación entre las configuraciones irregulares y los numerosos daños ocasionados en edificios por dicho sismo, el Colegio de Arquitectos de la Ciudad de México (CAM), la Sociedad de Arquitectos Mexicanos (SAM), la Asociación de Escuelas Colegiadas de Arquitectura de los Estados Unidos (ACSA) y el Instituto Estadounidense de Arquitectos (AlA), organizaron en 1988 una serie de seminarios y talleres de evaluación en Ciudad de México y en San Francisco, California, en los que participaron arquitectos, urbanistas e ingenieros estructurales de México y de los Estados Unidos. Los resultados de los estudios (financiados por la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) de los Estados Unidos y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) de México), se resumieron en ponencias, las cuales se recopilaron en varias publicaciones en inglés. 12 Paralelamente, los investigadores y las asociaciones de profesionales de los Estados Unidos desarrollaron propuestas para que se incluyeran disposiciones más específicas sobre las configuraciones irregulares en las normas sísmicas, y para que se establecieran requisitos especiales para la selección del método de análisis en el diseño de edificios que se definieran como irregulares.


Tablas núm. 23·M, "Vertical Structural Irregularities y núm. 23-N, "Plan Struc· tural Irregularities', en ICSO, 1988 Uniform Building Code, Whittier, California, 1988, págs. 170-171. 14 SEAOC, Recommended Lateral Force Requirements and Tentative Commentary, Seismology Committee, San Francisco, California, 1988. págs. 54C-65C. 13

137

Para la edición de 1988 del Uniform Building Code (UBC-88), se tuvieron en cuenta algunas de las recomendaciones sobre configuraciones irregulares contenidas en el ATC-3-06 y se incluyeron por primera vez dos tablas,13 en las cuales se clasificaban las irregularidades en planta y en alzado, se establecían unos parámetros para definir el tipo de irregularidad existente en el edificio, las penalizaciones y los consecuentes requisitos para el correspondiente análisis estructural; se clasificaron de la siguiente forma: a) Tabla núm. 23-M: Irregularidades en planta: irregularidad torsional, esquinas entrantes, irregularidad del diafragma, desplazamiento relativo de los planos de acción y sistemas no paralelos; y b) Tabla núm. 23-N: Irregularidades en alzado: distribución de la rigidez (piso blando), distribución de la masa, configuración geométrica, discontinuidad de los componentes verticales dentro de su plano de acción y discontinuidad en la resistencia (piso débil). Simultáneamente en 1988 se incluyeron en el anexo 1D5b del SEAOC Blue book 1988, dos secciones dedicadas a la configuración tituladas: Irregularities y Setbacks. 14 No sólo se describían una serie de irregularidades en este anexo, sino que nuevamente se incluyeron gráficos para completar la descripción. En el apartado Setbacks se insistía: "Este material se tomó del Anexo C, Informe sobre Retranqueos (setbacks), de las recomendaciones de 1959". Desde 1988, los parámetros que definen si una configuración es irregular o no, cambiaron poco en las posteriores ediciones del UBC en 1991, 1994 Y 1997; lo que sí se modificó fueron los criterios para el análisis estructural de los edificios que presenten alguna de las condiciones de irregularidad. También se establecen en las normas sísmicas las correspondientes sanciones, penalizaciones o limitaciones de diseño estructural, con sus coeficientes correspondientes para el cálculo del cortante basal que resistirá un edificio que presente determinados grados de irregularidad. Debido a los numerosos sismos que dejaron lecciones durante la última década del siglo xx, fue mucha la información que se recogió y los cambios que se produjeron en la filosofia de las normas sísmicas más recientes. En la nueva generación de normas sísmicas de los Estados Unidos, en la edición de 2000 del NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, Part 1: Provisions (FEMA 368)y en el documento ASCE 7, así como en las ediciones de 2000, 2003 Y 2006 de la nueva norma de construcción de los Estados Unidos, International Building Code (IBC), que sustituyó al UBC, se incorporaron dos nuevos

138

Capitulo 3. La influencia de la configuración de los edificios en su comportamiento ante los sismos

tipos de irregularidad: 1) en la tabla de irregularidades en planta, la Irregularidad torsional extrema (Extreme Torsional Irregularity); y 2) en la tabla de irregularidades en vertical, la Irregularidad de la rigidez - Piso blando extremo (Stiffness Irregularity - Extreme Soft Story), con el fin de restringir aún más su USO. 15 Se agregó la variable categoría de diseño sísmico relacionada con el uso y la importancia del edificio y un coeficiente de redundancia. Igualmente, se le dio mayor importancia al apartado relacionado con los componentes no estructurales: "Architectural component design". Estos criterios han servido de base para el desarrollo de los reglamentos o normas para el diseño de edificios sismorresistentes de muchos países alrededor del mundo, en los que se han ido incorporando disposiciones relacionadas con las irregularidades en la configuración de los edificios. Como ejemplo, en la figura 4 se muestra una transcripción libre de las figuras A.3-1 "Irregularidades en planta" y A.3-2 "Irregularidades en la altura" del capítulo A.3 de las Normas colombianas para el diseño y construcción sismo resistente NSR-98 publicada en 1998 por la Asociación de Ingeniería Sísmica (AIS) de Colombia. 16 En esta publicación no sólo se incluyeron y adaptaron los avances que en ese momento se manejaban en las normas sísmicas de los Estados Unidos en cuanto a irregularidades, sino que se incorporaron gráficos para facilitar la comprensión de los conceptos que las definen. La NSR-98 sirvió de base para la última versión de norma sísmica ecuatoriana Código Ecuatoriano de la Construcción CEC-2002. En estos gráficos se puede observar cómo gran parte de las configuraciones arquitectónicas basadas en los cinco puntos de Le Corbusier son justamente las no recomendadas o identificadas como irregulares en la m& yoría de las normas sísmicas vigentes en el mundo.

Parámetros generales que definen las configuraciones irregulares

Building Seismic Safety Council (BSSC), NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, edition 2000, Part 1: Provisions (FEMA 368), Washington, O. C., 2001. pág. 59. 16 Tablas A.3-1, y A.3-2 en las Normas colombianas... , ob. cit., págs. A41 a A42. 15

Los esquemas iniciales de un edificio elaborados por los arquitectos determinan no sólo su forma geométrica sino el predimensionado, la ubicación y la organización de los componentes estructurales y no estructurales y los materiales de construcción, establecidos de acuerdo con parámetros funcionales, normativos, económicos y estéticos. Cuando se diseña en zonas sísmicas, ésta es una fase muy importante del proceso, porque repercute en la distribución de la rigidez, la resistencia y la masa reactiva del edificio, y por tanto en el diseño y cálculo de la estructura que definirán su comportamiento sismorresistente. Por esta razón,

139

IRREGULARIDADES EN PLANTA - FIGURA A.3-1

IRREGULARIDADES EN LA ALTURA - FIGURA A.3-2

Tipo 1P -Irregularidad torsional • !p. = 0,9

t., > 1,2 ( t.,; D, )

Tipo 1A - Piso flexible -!P•• 0,9 Rigidez Kc < 0,70 Rigidez

o

K"

e

Ó

I--It--If--f

Rigidez K c < 0,80 (K" + K. + K,)/3 A

Tipo 2P - Retrocesos en las esquinas - !p. A> O,15B y C > 0,150

=0,9 Tipo 2A - Distribución masa -!p. " 0,9 o

mo > 1,50 m.:

e

Ó

m o > 1,50 me

A

;....b....--

=

Tipo 3P - Irregularidad del diafragma • !p. 0,9 1) C xO>O,5 A xB 2) (C xO+C xE»0,5AxB

~ f-

Tipo 3A - Geométrica - !P•• 0,9 o

e

a> 1,30 b

........ ::.-

Tipo 4P - Desplazamiento de los planos de Acción· !P, = 0,8

,:

Tipo 4A - Desplazamiento dentro del plano de acción· tIl, = 0,8

.....: : .'

:: ~

DuplnamJento del plano de .celól1

Tipo 5p· Sistemas no paralelos -!P, = 0,9 Tipo 5A • Piso débil - tIl. = 0,8

Figura 4

.... - -~ ~

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::;~jb; .J;:;.

b>a

Resistencia Piso B < 0,70 Resistencia Piso

,

::

e

!L.

140

Capitulo 3. La inffuencia de la configuración de los edificios en su comportamiento ante los sismos

como se ha repetido en numerosas ocasiones, un edificio concebido de forma inadecuada desde sus fases iniciales, traerá como consecuencia un proceso de diseño estructural más complicado y con mayor número de incertidumbres que un diseño arquitectónico que desde un principio ha sido concebido considerando los aspectos sismorresistentes. Según la Real Academia Española, el término regular significa, en la primera acepción, "Ajustado y conforme a regla" yen la segunda "Uniforme, sin cambios grandes o bruscos". Por irregular, la RAE define en la primera ace¡:r ción "Que está fuera de regla" yen la segunda "Contrario a ella". De allí que se pueden definir las configuraciones irregulares del edificio como aquellas que no se ajustan a la regla establecida por las normas sísmicas de cada ciudad o país, que las define como regulares. Es decir, son aquellas que están fuera de esta regla. En este apartado se describen las convenciones que se han utilizado para definir la irregularidad en la configuración de un edificio con respecto al diseño sismorresistente. La representación geométrica de la configuración

17

Véase la referencia 3.

Con el objetivo de facilitar la identificación de la forma general de los edificios y las características geométricas y posiciones relativas de los componentes estructurales y no estructurales que influyen en su comportamiento sismorresistente, la mayoría de las normas sismorresistentes actuales, siguiendo la tendencia de las estadounidenses, han clasificado los parámetros más significativos que caracterizan la configuración de los edificios en planta (plan) y en alzado (vertical)Y Es importante aclarar que dicha clasificación responde principalmente a una convención para la representación gráfica bidimensional de las características y dimensiones del edificio en el espacio con relación a planos horizontales y verticales. El edificio real responde ante las acciones sísmicas como un sistema que posee una forma ñsica volumétrica y que está constituido por una serie de componentes relacionados y dependientes entre sí; cada uno de ellos tendrá un comportamiento ante las acciones sísmicas de acuerdo con sus características ñsicas y volumétricas y con su relación con los otros componentes, los cuales de alguna manera afectarán el comportamiento global del sistema, y no sólo en horizontal o en vertical. Para las representaciones en tres dimensiones se utilizan convenciones que incluyen diferentes sistemas de representación y escalas gráficas que permiten describir el edificio como un todo, y los detalles de los diferentes

Parámetros generales que definen a las configuraciones irregulares

Plano vertical YZ

y

Figura 5

141

componentes estructurales y no estructurales. Por ejemplo, se utilizan isometrías y perspectivas para representar las tres dimensiones y proyecciones sobre planos horizontales y verticales para ilustrar plantas, fachadas y secciones del edificio. Para la identificación de las irregularidades, las normas sísmicas utilizan la referencia sobre planos horizontales y verticales, como se ilustra en la figura 5, solamente a efectos de representar gráficamente las irregularidades geométricas de los edificios y la ubicación de sus componentes, y dejando claro que la separación de dichas irregularidades en planta y en alzado no significa que los efectos que se describen se produzcan independientemente los horizontales de los verticales. Cuando se produce un sismo, el edificio responde como un todo en el espacio y las irregularidades influyen en su comportamiento simultáneamente en las tres dimensiones. Configuración en planta Cuando en las normas sísmicas se mencionan las irregularidades en planta, planas o en horizontal, se identifican los parámetros que se pueden representar gráficamente mediante plantas o secciones hipotéticas horizontales del edificio, a la altura que se considere adecuada para reflejar la representación de la forma y de los componentes relativos al tema que se esté tratando. Cada planta representa la forma geométrica perimetral de la losa de piso y la proyección de la distribución de los componentes tanto verticales como horizontales del entrepiso. Generalmente se proyecta sobre el plano horizontal: la disposición y dimensión de los espacios; la ubicación y dimensión de los componentes no estructurales, tales como paredes interiores yexteriores, puertas, ventanas, aberturas e instalaciones; la dimensión y distribución de los componentes estructurales; es decir, todo lo que está entre dos losas de piso. Configuración en alzado La configuración en alzado, en elevación, en altura o en vertical, hace referencia a una serie de parámetros que permiten representar visualmente una serie de características del edificio que se estudia con relación a secciones definidas por su proyección geométrica sobre planos de referencia verticales, dependiendo de las necesidades del estudio que se está elaborando. De esta manera se pretende identificar tanto las características geométricas del edificio como la distribución y configuración de los componentes

Parámetros generales que definen

a {as configuraciones irregulares

143

podrá ser mejor que otra; pero tanto los aspectos funcionales, como los medios tecnológicos y las características y costos de los materiales, limitan de diferentes maneras las posibilidades de variación. Dentro de la categoría de formas rectanguladas se incluyen las regulares y las irregulares. • Las formas rectanguladas regulares están representadas en planta y en alzado por cuadrados, paralelogramos cuadriláteros que tienen los cuatro ángulos rectos y los cuatro lados iguales, y por los rectángulos, paralelogramos cuadriláteros que tienen los cuatro ángulos rectos y los lados contiguos desiguales. • Las formas rectanguladas irregulares son figuras geométricas generadas por la suma de espacios rectangulares de diferentes tamaños, las cuales se unen en ángulo recto conformando figuras con áreas entrantes. Para analizar las formas rectanguladas irregulares, se inscriben en un rectángulo imaginario que definirá los planos perimetrales de referencia y se superponen sobre una retícula conformada por módulos rectangulares que facilitan la ubicación de los centros de masa y de rigidez, así como los desplazamientos relativos de los componentes que afectan el comportamiento sismorresistente del edificio cuando se realicen los estudios correspondientes. La figura 6 presenta ejemplos de formas rectanguladas irregulares circunscritas en diferentes rectángulos subdivididos en módulos rectangulares. Las formas rectanguladas irregulares pueden llegar a dividirse en pequeños módulos rectangulares para acomodar la variedad de dimensiones; sin embargo, la consecuencia negativa de una planta o un alzado con muchos entrantes y variadas dimensiones es el gran número de módulos rectangulares que se requieren para representarla geométricamente y, por tanto, para analizar su comportamiento. .......I'"""It--J- .-,----

! ¡ f---. '

U Figura 6

144


La irregularidad geométrica del edificio En los informes sobre daños producidos por los sismos se ha aludido habitualmente a la forma geométrica como uno de los diversos factores que influyen en el comportamiento de los edificios. Las formas geométricas irregulares pueden inducir a una distribución irregular de la rigidez, la resistencia y la masa reactiva. Esta condición puede generar comportamientos indeseados del edificio, lo cual puede ocasionarle daños significativos y hasta el colapso. Aunque existen otros factores importantes que tienen una gran influencia en la respuesta de los edificios a las fuerzas sísmicas, tales como la distribución de la rigidez en sus diferentes partes, el sistema estructural y los materiales utilizados, la selección de la forma geométrica en planta y en alzado tiene una repercusión significativa en las decisiones en cuanto a la distribución, configuración y materiales de los componentes estructurales y no estructurales y, por lo tanto, en cuanto a su comportamiento sismorresistente. La gama de formas rectanguladas que pueden presentar los edificios y sus diversas partes es tan variada como las soluciones que se generan por la combinación de los valores asignados a los parámetros o variables que describen su configuración geométrica, tanto en planta como en alzado: la convexidad, la simetría y las dimensiones y proporciones. Siguiendo las pautas preestablecidas por la mayoría de las normas sísmicas actuales, la irregularidad geométrica de los edificios se subdivide en dos categorías: 1) en planta, que se identifica por su forma perimetral proyectada sobre planos horizontales, y 2) en alzado, que se identifica por la forma exterior del edificio proyectada sobre planos verticales. La convexidad

No se debe confundir con el término cóncavo comúnmente utilizado en óptica para definir la cara interior de una superficie curva.

18

De acuerdo con los términos utilizados en las normas sísmicas, la irregularidad geométrica en la configuración de un edificio se determina generalmente por la presencia de entrantes o retranqueos en su perímetro, tanto con relación a los planos horizontales como a los verticales. Estos retranqueos determinan la condición de no convexidad. Por lo tanto, la proyección sobre los planos horizontales y verticales de las formas geométricamente irregulares está representada por polígonos no convexos. lB Un polígono es convexo si todos los segmentos que unen dos de SUS puntos están completamente dentro de su perímetro. Por lo tanto, el polígono no convexo es aquel en el que no todos los segmentos que unen un

145

La irregularidad geométrica del edificio

par de sus puntos interiores, están completamente dentro de la figura sin cortar su perímetro. La figura 7 muestra un conjunto de figuras convexas y no convexas, regulares e irregulares. De acuerdo con las definiciones anteriores, todos los triángulos y los polígonos regulares son figuras convexas como los que se muestran en la figura 7a; mientras que algunos cuadriláteros son convexos, como por ejemplo el rectángulo en la figura 7b, la figura 7c muestra un cuadrilátero que no es convexo. La figura 7d ilustra polígonos rectangulados no convexos. No rectanguladas

Rectanguladas

a

b

e

d

1/)

ro x

~ e o

U

1/)

ro

x

~ o u o e

z

Figura 7

La simetría Es una propiedad geométrica relacionada con la reciprocidad en tamaño, forma y posición relativa de las partes de un cuerpo o figura en el lado opuesto de una línea de división, de un plano o alrededor de un centro o de un eje. La Real Academia Española define la simetría como la "Correspondencia exacta en la disposición regular de las partes o puntos de un cuerpo o figura con relación a un centro, un eje o un plano." En geometría existen diferentes tipos de simetría, como es la simetría por rotación o la simetría por repetición, pero para los efectos de los reglamentos sísmicos se utiliza básicamente la simetría por reflexión, que es

146


la propiedad geométrica en la que existe una relación biunívoca entre dos secciones opuestas de un objeto cuando, al girar una sobre otra alrededor de un eje o un plano de simetría, todos los puntos de una sección de un objeto coinciden con los de la sección opuesta. Para el estudio de las configuraciones de los edificios se considera que existe correspondencia en tamaño, forma y posición relativa de sus partes en las dos secciones opuestas separadas por el eje o por el plano de simetría como se muestra en la figura 8. Eje de simetría ~¡

~,Sección A : Sección B

, AguraS

~

Un objeto puede ser simétrico con relación a uno o varios ejes ortogonales o planos de simetría, siempre y cuando las partes de la figura a ambos lados del eje o plano que se está considerando sean idénticas, como los ejemplos que se muestran en la figura 9. , ...

,~

Ejesde simetría

Agura 9

(a)

(b)

En cuanto a los conceptos empleados en el diseño de las E5R, lo realmente importante es la simetría con relación a sus ejes estructurales y a sus características dinámicas, pues, como se muestra en la figura 10, pueden existir figuras geométricamente simétricas en las cuales, al colocar unos posibles ejes estructurales ortogonales, los ejes de simetría no serían ni paralelos ni perpendiculares a los ejes estructurales, por lo que generarían configuraciones estructuralmente asimétricas.


147

i

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1 eje

Ejes de simetría - - - - - -

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1 eje Ejes estructurales

Figura 10

Por ello es importante aclarar el uso del término simetría en el diseño de edificios sismorresistentes y hacer la diferenciación entre simetría geométrica y simetría estructural para evitar las interpretaciones inapropiadas, sobre todo cuando se tratan los aspectos arquitectónicos. También es importante mencionar que, si bien en las normas se castigan las plantas cuyos ejes estructurales no son paralelos, existen formas de planta, como podría ser la planta circular que se ilustra en la figura 11, que pueden tener los ejes estructurales radiales, es decir, no paralelos, pero sí tendrían simetría estructural, como en este caso en el que sólo se ilustran vigas circulares y los muros en cuatro de sus innumerables posibles ejes de simetría. Esta forma, que posee un sistema estructural con una distribución regular de la rigidez, resistencia y masa reactiva, sería capaz de soportar los efectos sísmicos en cualquier dirección. En el libro Architects and Earthquakes, los autores enfatizan: Figura 11

Botsai, E. et al., Architects and Earthquakes, National Science Foundation

19

and the AlA Research Corporation, Washington, D. C., 1975. pág. 40.

Una de las decisiones críticas con relación a la habilidad de los edificios para resistir los sismos es la elección de la forma básica de la planta y de su configuración, Si se tiene en cuenta que las fuerzas sísmicas en un lugar pueden venir de cualquier o de todas las direcciones, y actuar virtualmente sobre todos los componentes del edificio simultáneamente, la "mejor solución", obviamente, será un edificio simétrico en planta y alzado y por lo tanto igualmente capaz de soportar las fuerzas aplicadas desde cualquier dirección. 19

Es conveniente aclarar que, si bien para los arquitectos la apreciación de simetría del edificio en alzado se considera con referencia a los ejes de simetría del volumen conformado por los espacios arquitectónicos, en el diseño sísmico de los edificios, para identificar la simetría en altura, se debe tener en cuenta que el edificio no está simplemente apoyado sobre el terreno, sino que está empotrado en éste y actúa como un voladizo vertical, por lo que también se tiene en cuenta la cimentación; las fuerzas inerciales que se producen en cada piso serán diferentes, como se explica en el apartado


148

"Método de fuerza horizontal equivalente" del capítulo 2. Por ello, aun siendo su proyección sobre los planos verticales una forma geométricamente regular con relación a un eje horizontal, no sería estructuralmente simétrica debido a dicha condición; la simetría en alzado se tendrá en cuenta sólo con relación a los ejes verticales. La figura 12 ilustra una forma regular que es geométricamente simétrica con respecto a los ejes vertical y horizontal, pero que al representar la estructura de un edificio sería simétrica con relación a un eje vertical, y no a uno horizontal. Forma geométricamente simétrica

Ejes de simetría

(~~"~

Eje de simetría estructural

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Figura 12

Respecto a la configuración en planta, las normas sísmicas y las recomendaciones para el DESR se refieren con frecuencia a la falta de simetría como una de las causas principales de los efectos torsionales no deseados producidos por las fuerzas sísmicas en los edificios; de todos modos, la simetría estructural no es una garantía suficiente de regularidad, dado que los otros dos factores que intervienen en la descripción geométrica del edificio, es decir, la proporción y la existencia de retranqueos, combinados con la simetría, también son relevantes en la respuesta de los edificios. Como ejemplo se ilustran en la figura 13 las formas geométricas en U, T, H, + y D, las cuales son típicas de plantas de edificios; las dos primeras presentan un eje de simetría paralelo a la dirección principal de la figura;

Ejes de simetría - - - - - Figura 13

Ejes estructurales --

150

Capítulo 3. La inffuencia de la configuración de los edificios en su comportamiento ante los sismos

".., / Longitud

Las proporciones La proporción es, en aritmética y geometría, una relación especial entre un grupo de números o cantidades. La RAE la define como "correspondencia de las partes de una cosa con el todo o entre cosas relacionadas entre sí". Está asociada con el cociente de dos números o, en general, la comparación entre dos dimensiones. En el caso de la configuración del edificio se ha considerado la proporción como: a) en vertical, la esbeltez: relación entre altura y la menor dimensión en planta; y b) en horizontal, la relación de aspecto: longitud/anchura; como se ilustra en la figura 14. La proporción geométrica, tanto entre las dimensiones de los componentes en sí mismos como en su relación con otros componentes, así como en las dimensiones del edificio como un todo, es un factor muy importante en el diseño sismorresistente, dado que tiene una gran influencia en la respuesta ante las acciones de los sismos.

7/-Anchura

/ .<.---/

Longitud

Figura 14

La irregularidad geométrica en planta El comportamiento sismorresistente de un edificio puede variar significativamente de acuerdo con los diferentes valores que se asignen a los tres parámetros o variables que describen su configuración geométrica en planta: la convexidad, la simetría y las dimensiones y la proporción. La categoría de plantas rectanguladas cubre un gran espectro de formas, dimensiones y proporciones. Se pueden encontrar, por una parte, las plantas regulares, que van desde los cuadrados perfectos hasta rectángulos muy alargados, y por otra las plantas rectanguladas irregulares, definidas por figuras no convexas, con entrantes perimetrales organizados de acuerdo con una geometría rectangular, es decir, que los lados de las áreas entrantes se unen ortogonalmente. Como ejemplo, las que se asemejan a las formas de +, H, T, L Y U Y sus combinaciones. El problema que se presenta con los diferentes cuerpos que se unen para conformar un solo edificio es que, con la vibración del terreno, cada uno de ellos oscila en un sentido y con una frecuencia diferente unos respecto a otros, debido a sus propias características dinámicas y a su orientación con relación a la dirección predominante del movimiento del terreno. En la figura 15 se muestra cómo cada uno de los dos cuerpos de un edificio con planta en forma de L se movería de forma diferente ante la acción del movimiento del terreno, produciéndose graves daños en la zona de unión. Si cada cuerpo fuera concebido como un edificio separado, se movería independientemente uno del otro.


151

Desplazamiento

.o

"'. _


Desplazamiento Ruptura _--=_~"

Desplazamiento

Y~r


Figura 15

Aun teniendo las mismas características estructurales y los mismos materiales, el cuerpo cuyo eje longitudinal es paralelo a la dirección predominante del movimiento del terreno se desplazaría, pero teóricamente no sufriría mayores rotaciones. Otro de los factores importantes a la hora de identificar el grado de irregularidad de la planta son las dimensiones y las proporciones, tanto en las formas rectangulares regulares, cuadrados o rectángulos alargados, como en cada uno de los cuerpos originados por las áreas entrantes. Si el edificio tiene grandes dimensiones pueden presentarse comportamientos diferenciales del terreno simultáneos, los cuales pueden generar deformaciones importantes en el edificio. Existe otra familia de formas geométricas, tales como las triangulares y los arcos, que generan una disposición de los componentes estructurales que ha sido catalogada en las normas sísmicas como irregulares debido a que, como se menciona en las Normas colombianas para el diseño y construcción sismo resistente NSR-98, "las direcciones de acción horizontal de los elementos verticales del sistema de resistencia sísmica no son paralelas o simétricas con respecto a los ejes ortogonales horizontales principales del sistema de resistencia sísmica".21 La irregularidad geométrica en alzado

21 Tipo 5P en la Tabla A.3-6, pág. A-39, Y Figura A.3-1, pág. A-41, en Normas colombianas... , ob. cit.

Al igual que en la configuración geométrica en planta, puede existir una gama muy variada de formas de edificios en alzado, generadas principalmente por decisiones estéticas y funcionales, y logradas por la combinación de los valores que se asignen a los parámetros que describen la configuración geométrica en alzado: los entrantes, la simetría, las dimensiones y las proporciones,

154


los componentes estructurales y no estructurales, difíciles de prever y de cuantificar y que deben ser estudiados cuidadosamente en el análisis y diseño de una ESR. Al respecto dice Bertero: 22 Es de gran importancia que en el diseño sismorresistente el diseñador reconozca desde un principio que las fuerzas dinámicas en una estructura se pueden controlar mediante la elección apropiada de su sistema estructural y por la cantidad y distribución de sus masas reactivas (masas que reaccionarán a la vibración que se producirá en la cimentación del edificio). Cuanto menores sean las masas reactivas, menores serán las fuerzas sísmicas (fuerzas de inercia). Hay que evitar el uso de masas innecesarias; cualquier masa que se use en el edificio tiene que tener una función sismorresistente.

La resistencia

Bertero, V. V., "Superstructure: Building Should be Ught", en farthquake fngineering... , ob. cit.

22

La reacción de un edificio como un todo y de cada uno de sus componentes ante las fuerzas de inercia generadas internamente por las acciones sísmicas, es lo que se conoce como resistencia sísmica. Aplicando los conceptos básicos sobre la resistencia de un cuerpo ante la aplicación de una fuerza, se supone que la resistencia sísmica de un edificio: a) es la capacidad para oponerse a la acción de fuerzas sísmicas, sin exceder su capacidad de resisitir sin fallar ante los posibles niveles de deformación que sufrirán sus componentes mientras dure su vibración; b) es inherente al tipo de fuerza que se está aplicando, por ejemplo, un componente puede ser resistente a la compresión, pero no a la tracción; e) está relacionado con características ñsicas tales como: fortaleza, dureza, tenacidad; d) es lo opuesto a conceptos tales como: quebradizo, vulnerable, endeble, débil, frágil; e) depende no sólo de las características de las fuerzas aplicadas, sino de la distribución de sus componentes, de las características dinámicas y configuración de cada uno de ellos, de la combinación y distribución apropiada de los materiales que los conforman, y de la relación que existe entre ellos para actuar como un sistema ante las fuerzas de inercia generadas internamente como reacción a las vibraciones causadas por el movimiento del terreno. La resistencia sísmica de un edificio está estrechamente vinculada con su capacidad de deformación elástica e inelástica. En los edificios de concreto armado se puede lograr la resistencia deseada con la combinación y el diseño adecuados del concreto y del acero.

La irregularidad de los edificios geométricamente regulares

155

La rigidez

Es una de las características mecánicas más importantes en el DE5R, y se refiere a la resistencia de un cuerpo a deformarse al aplicársele una fuerza. Aunque un cuerpo rígido se define en el Diccionario de la Real Academia Española como aquel "que no se puede doblar", en el DE5R se refiere a la resistencia de un cuerpo a deformarse ante las fuerzas de inercia que se generan por el movimiento del terreno. En 1933, John Freeman, definió: La rigidez es un término relativo. En la construcción de edificios no existe un material absolutamente indeformable. Todos los materiales se deforman en mayor o menor grado ante la acción de las fuerzas. Una estructura rígida se moverá y se doblará como una unidad o bloque, sin que la deformación llegue a ser lo suficientemente grande como para fracturar los materiales más rígidos incorporados en la estructura. 23

A principios del siglo xx se insistió en que el uso de componentes estructurales rígidos para el control de la deriva era un método eficiente. En aquel entonces los edificios altos no pasaban de 100 m de altura. Freeman, después de estudiar los resultados del sismo de Kanto de 1923, en 1933 intentó convencer a los ingenieros estructurales de los Estados Unidos sobre la necesidad de construir edificios rígidos, y reseñó: Los edificios rígidos diseñados por el Dr. Naito y otros, no sufrieron daño o sólo se dañaron levemente. En la reparación de los grandes edificios japoneses que se dañaron, se produjeron grandes dolores de cabeza para aumentar la rigidez en su reconstrucción. Es importante hacer notar que en muchos de los edificios japoneses la rigidez adecuada se obtuvo a través del uso de muros rígidos y paredes divisorias apropiadamente diseñados, y este método fue utilizado ampliamente en las obras de reparación. 24

freeman, J. R., Earthquake Damage and Earthquake Insurance, McGraw-Hill, Nueva York, 1932, pág. 677. 24 Ibíd., pág. 677.

23

El objetivo principal de las normas sísmicas era y sigue siendo proteger la vida humana; sin embargo, hasta finales del siglo xx la tendencia generalizada internacionalmente en el DE5R de concreto armado se fundamentó en el diseño por resistencia y, aunque las últimas normas se han basado en la disipación de energía de la estructura a través del control de la deriva, permitiendo deformaciones plásticas (ductilidad), con los consecuentes daños en los componentes estructurales y no estructurales del edificio, se sigue diseñando por esfuerzo de corte. En los sismos de las últimas dos décadas del siglo xx y los primeros años del siglo XXI, los daños físicos producidos en los edificios de concreto armado y las consecuentes pérdidas económicas en las ciudades contemporáneas

156


llegaron a ser de tal magnitud que llevaron al cambio de paradigma en el DESR. En el capítulo 1 se reseña que, en referencia al DESR, los ingenieros estructurales de Chile, a diferencia de los de la mayoría de los países hispanoamericanos, no siguieron durante el siglo XX los preceptos de la seguridad estructural por ductilidad de los Estados Unidos, sino que adoptaron la tendencia propuesta por los japoneses desde principios del siglo XX con los edificios rígidos y el uso de muros estructurales continuos para el control de la deriva en edificios porticados de concreto armado, lo cual se fue generalizando para edificios de gran altura generando lo que se conoce como el modelo chileno de edificios. 25 Prueba de la eficiencia de esta tendencia fue el exitoso comportamiento de una gran variedad de estructuras que se pusieron a prueba durante el sismo de Val paraíso y Viña del Mar en Chile, en 1985. Se concluyó que en los componentes estructurales y los no estructurales se puede lograr la reducción de los daños irreparables controlando las deformaciones de la estructura, es decir, dotando a la estructura de suficiente rigidez. El factor de modificación de respuesta "R", de aceptación mundial, permite obtener el espectro de diseño que considera el efecto que ocurre cuando se aceptan daños debidos a las deformaciones plásticas (ductilidad) de la estructura.

25 Flores, R., "Ingeniería sísmica en Chile", en http://www2.ing.puc.cl/-iing/ ed428/rodrigoflores.html.

160

Capítulo 4. Distribución irregular de masa reactiva, resistencia y rigidez

La distribución irregular entre la masa de un piso y la de los pisos sucesivos de un edificio puede conducir a los siguientes efectos: 1. Desequilibrios en la distribución vertical de fuerzas gravitacionales en el edificio; 2. Variaciones bruscas en la rigidez y la resistencia de un piso a otro; y, 3. Desplazamiento del centro de masa con relación al centro de rigidez, generando excentricidad en horizontal y en alzado. La excentricidad en horizontal puede generar la rotación diferencial entre dos diafragmas contiguos y los consecuentes momentos torsionales difíciles de prever y de cuantificar. En el primer gráfico de la figura 1 se muestra, un modelo simplificado de una estructura regular conformada por dos diafragmas rígidos (superior e inferior) y unas líneas verticales que representan las columnas; en ambos diafragmas el centro de masa (Cm), coincide con el centro de gravedad y en el mismo lugar se encuentra el centro de rigidez (C r). En el segundo gráfico se ha fijado una masa excéntrica en el diafragma superior y se ilustra cómo el centro de masa se desplaza hacia la masa concentrada; se muestra cómo se genera una excentricidad (e) entre el centro de masa y el centro de rigidez, yen el tercer gráfico se observa cómo al producirse el movimiento del terreno, la resultante de las fuerzas inerciales (F) generada como reacción actúa en el centro de masa, lo cual producirá una rotación diferencial del diafragma superior, o momento torsional (M), alrededor del Cr • La distribución irregular de la masa en alzado se produce cuando existe una variación significativa entre la masa de un piso y la de los contiguos. En este caso, cuando ocurre un sismo, se puede producir una diferencia significativa entre las fuerzas de inercia entre un piso y otro.

-_._-------_._-----~.,,~

.

Cm é,

.

.,..

Movimiento del terreno Figura 1

Irregularidad por distribución irregular de la masa en pisos contiguos

Tabla A.3.7 Tipo 2A - Distribución masa .. epa

Cuando la masa. m j , de cualquier piso es mayor que 1.5 veces la masa de uno de los pisos contiguos. la estructura se considera irregular. Se exceptúa el caso de cubiertas que sean más livianas que el piso de abajo.

161

Figura A.3-2

=0.9

E h",.

j:",,,,,, ,

D ~'"""1' 1" 111 11111:

e

'1:11

111'1 I

,Idlll

A

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Tomando como ejemplo la norma colombiana NSR-98, acorde con la mayoría de las normas sísmicas vigentes a principios del siglo XXI, la irregularidad de la configuración debido a la distribución de la masa se ilustra en la figura 2 y se define como se indica. 2 En la figura 3 se presenta un ejemplo de la irregularidad por distribución irregular de los componentes de cerramiento exterior, en el que se observa la variación de la masa en pisos contiguos de un edificio porticado. Algunos de los pisos inferiores no tienen ni antepechos ni paredes; otros tienen sólo antepechos, y uno de ellos además presenta una mayor altura; los superiores, que alojan los apartamentos, tienen una alta densidad de paredes no estructurales. Esta variedad da lugar a una diferencia importante de masa entre los pisos inferiores y los superiores. En la figura 4 se observa un edificio que falló en el sismo de México de 1985; además de la diversidad de dimensiones en las columnas, se daba una concentración de mercancía en la zona que colapsó. Este tipo de problemas se genera muchas veces debido al cambio de uso de los edificios de residenciales a comerciales y hasta industriales caseros, sin tomar las medidas pertinentes en cuanto a refuerzo de la estructura para soportar mayores cargas y la vibración de máquinas.

Irregularidad por exceso de peso en estructuras no diseñadas para resistirlo Irregularidad Tipo 2A "Distribución masa" en la tabla A.3-7 de las Normas colombianas...• ab. cit., pág. A-42. 2

En los voladizos o en las vigas de grandes luces entre columnas hay que evitar masas excesivas, porque, como se explicó en el capítulo anterior (págs. 153154), la componente vertical del movimiento del terreno genera fuerzas de


162

inercia verticales con sentido reversible en el tiempo, las cuales, sumadas a la fuerza vertical que se genera por la aceleración de la gravedad, pueden causar daños significativos. En la figura 5 se observan los efectos producidos en un edificio por el sismo de Michoacán en México en 1985, que no estaba preparado para resistir las cargas verticales generadas por una gran masa que había sido depositada en su interior, y el detalle de la falla de una de las columnas y la falta de refuerzo en la unión de la columna con la losa.

Figura 5

Un caso muy común de concentración de masas son los jardines en los techos y terrazas y en los extremos de los balcones de los edificios, derivado del techo jardín de los cinco puntos de Le Corbusier, como se ilustra en las figuras 6 y 7. Un ejemplo importante de daños debidos a la concentración de masas innecesarias en una estructura son los jardines aéreos del hospital Olive View en el sismo de San Fernando, California, en 1971. En la figura 8 se presenta

Figura 6

Figura 7

Figura 8

Irregularidad por exceso de peso en estructuras no diseñadas para resistirlo

Figura 9

Figura 10

Figura 11

163

Figura 12

una sección de una de las alas del hospital donde se observan los jardines en el nivel de entrada, sobre la losa superior del sótano. La figura 9 muestra una fotografía de este ejemplo donde se observa la falla de la estructura por el exceso de peso y el desprendimiento de los componentes prefabricados debido a esta falla. Con referencia a las figuras 10, 11 Y 12 (diapositivas J62, J63 YJ64), Vitelmo 8ertero describe: Nótese el pesado relleno de tierra (0.46 m de profundidad) lo cual exige una losa pesada. Este jardín estaba ubicado en el mismo nivel donde existía una significativa discontinuidad de la rigidez en el sistema de resistencia sísmica. Como consecuencia de esta masa innecesaria y de las discontinuidades en la estructura. esta ala del edificio sufrió daños importantes, como se ilustra en la diapositiva J62, la cual muestra el colapso del techo del sótano que sostenía el pesado relleno de tierra del jardín. Este colapso se debió a la falla por corte de la columna que sostenía el techo. Nótese también que esta falla por corte causó que los paneles prefabricados de concreto de fachada se desprendieran de la viga corona (viga collar) y cayeran sobre la acera, debido a las uniones deficientes de estos paneles no estructurales. Las diapositivas J63 y J64 muestran detalles de la falla de la losa de techo que soportaba el jardín. Nótese el pesado relleno de tierra y la losa de techo con la membrana de impermeabilización, que se requería para soportar la tierra del jardín. 3

Bertero, V., "Superstructure: Building Should be Light", en Earthquake Engineering.... ob. cit.

3

Cuando la estructura se sobrecarga de esta manera puede llegar a sufrir deformaciones plásticas y, a menos que se haya tenido en cuenta en el diseño sísmico, no podrá soportar varios ciclos de deformación sin que se degrade demasiado su rigidez y resistencia. En el caso de los jardines en los techos de los edificios, se explicó en el apartado "Método de fuerza horizontal equivalente" del capítulo 2 (págs. 116-

164


121) cómo, al vibrar el terreno, las aceleraciones son mayores en la parte superior de los edificios que en la inferior, y cómo estas aceleraciones multiplicadas por la masa del piso, conducen a fuerzas mayores en los superiores. De esta manera, las grandes masas concentradas en la parte superior de los edificios altos pueden conducir al efecto de péndulo invertido; es decir, pueden generar grandes desplazamientos y el efecto P-Delta, por lo que este tipo de configuración irregular conduce a mayores exigencias de resistencia en el diseño del edificio. Este efecto está penalizado en la mayoría de las normas sísmicas vigentes.

Distribución irregular de la rigidez y de la resistencia

ACI, AC/-/PS-l Requisitos... , ab. cit., edición 2002, apartado 11.2: "Fuerzas laterales", pág. 167. 5 íd. pág. 167. 6 íd. pág. 167. 4

La distribución irregular y la discontinuidad de los diferentes componentes del sistema de resistencia sísmica pueden afectar la trayectoria de las fuerzas generadas por el sismo y, por lo tanto, el comportamiento sismorresístente del edificio. En zonas sísmicas, la función principal del sistema estructural es, además de oponerse a las fuerzas de la gravedad, resistir las fuerzas de inercia generadas en el edificio por los efectos de los movimientos del terreno, que son transmitidos hasta su cimentación y a través de ésta al terreno. Los diafragmas transmiten las fuerzas horizontales a los componentes verticales, y éstos, a su vez, transmiten estas fuerzas y las fuerzas de la gravedad a la cimentación. En el capítulo 2 se explicó que en el DESR se supone que los diafragmas son infinitamente rígidos en su plano y que se irán moviendo horizontalmente desde los pisos inferiores hacia los superiores, cada uno de ellos con un desplazamiento diferencial con respecto a los diafragmas contiguos. Debido a esta condición, los componentes verticales se verán sujetos a las mayores deformaciones producidas por ese desplazamiento diferencial entre los dos diafragmas. El sistema de resistencia sísmica de un edificio no sólo es el conjunto de componentes estructurales que le proporcionan la resistencia necesaria para soportar las fuerzas generadas como respuesta a los efectos de un sismo, sino también todos los componentes que contribuyen y afectan a su resistencia sísmica; por este motivo, cuando se diseña la estructura, es necesario tener en cuenta todos los componentes, estructurales o no, que pudieran afectar de alguna manera la capacidad de respuesta y de disipación de energía del edificio ante las acciones sísmicas. La trayectoria de las fuerzas sísmicas por el interior del edificio debe ser estudiada cuidadosamente desde el inicio del proceso de diseño. Sobre las


Fuerzas laterales en el piso

~

165

fuerzas laterales que se deben emplear para el DESR de edificios bajos (cinco pisos y un sótano) AC/-/PS-1 establece, en el apartado 11.2: Se debe identificar una trayectoria continua de las cargas desde su punto de aplicación hasta el sistema de resistencia ante cargas laterales y debe proveerse una resistencia adecuada a todos los elementos que estén en la ruta de la trayectoria de cargas. 4

En el apartado 11.3 "Sistema estructural de resistencia a fuerzas laterales", AC/-IPS-1 explica: El sistema de resistencia ante fuerzas laterales comprende los elementos estructurales que soportan y transmiten conjuntamente al terreno las fuerzas laterales debidas a los movimientos sísmicos, viento y presión lateral de tierras. 5 [figura 13]

Figura 13

Muros estructurales de resistencia lateral

El sistema de pisos debe actuar como un diafragma que transmite en su propio plano la fuerza lateral desde su punto de aplicación hasta los elementos verticales del sistema estructural de resistencia a fuerzas laterales. Los elementos verticales del sistema de resistencia a fuerzas laterales, a su vez, recogen las fuerzas de todos los pisos afectados y las transmiten a la cimentación, y a través de la cimentación al suelo subyacente. Bajo estos requisitos esenciales, los elementos verticales principales del sistema de resistencia a fuerzas laterales deben ser muros de concreto reforzado en las dos direcciones principales en planta. Tales muros no pueden tener aberturas para ventanas o puertas. 6

Se debe evitar distribuir los componentes resistentes en una misma dirección, pues si bien es cierto que el edificio resultante sería resistente a fuerzas sísmicas que se presenten en la misma dirección en que están localizados los muros, la misma distribución generaría un reparto débil de las fuerzas que actúan en la dirección perpendicular a dichos componentes, puesto que éstos no tendrían capacidad para resistirlas, como se ilustra en la figura 14. En la figura 15 se muestra una posible solución a este problema, en la que se han colocado muros perpendiculares a los muros mostrados anteriormente equilibrando la resistencia en las dos direcciones ortogonales.




166

A

8

C

E"lD D~ --- -- -"

E2

R,

R2

~F

F=R, +R 2 +R3

R3

Figura 16

En 1987, James Stratta explicaba: La regla convencional de diseño requiere que cuando dos o más componentes se combinan para resistir una fuerza, cada uno ellos compartirá la carga en proporción a su rigidez relativa. Por ejemplo, dada una configuración de un muro con aberturas y entrepaños [pequeño muro entre las aberturas] como se muestra en la figura 3-8 [figura 16], la fuerza F es resistida por las reacciones R1 , R2 Y R3 • La suma de Rlo R2 Y R3 , será igual a la fuerza total F, pero el valor de cada reacción va a depender de la rigidez de los entrepaños [E]. Cuanto menos se vaya a flexionar un componente, mayor será la carga que resista. La rigidez es la fuerza necesaria para flexionar el componente una unidad de distancia (una pulgada, un pie, un centímetro, etc.). Esto se cumple independientemente del tipo de material que se usa. Cabe recordar que uno de los dos principios básicos necesarios para un buen diseño sísmico es la visualización de la deformación del edificio durante un sismo. En el caso antes mencionado, podemos ver que el entrepaño 2 es más rígido que los entrepaños 1 y 3 y que el 1 es más rígido que el 3. Como en el caso de los diafragmas, debe calcularse la deflexión de estos entrepaños, así como ambas deformaciones, a flexión y a corte. Sin embargo, el proceso aquí es diferente que el de los diafragmas. Los puntos A, B y C se deben desplazar una cantidad idéntica debido a las vigas comunes debajo y encima de las aberturas, que las unen. La pregunta es ¿cuál es la fuerza necesaria en cada entrepaño para causar este movimiento? Aparentemente el entrepaño 2 requiere una fuerza mayor que el 3 para moverse x pulgadas. Por lo tanto, cuando la estructura se deforma x pulgadas debido a la carga sísmica, el entrepaño 2 resistirá mayor carga que el 3. 7

En el análisis de ESR, uno de los problemas más importantes y al cual hay que prestarle mucha atención, es la discontinuidad en la rigidez y la resistencia del edificio en alzado, debidas a la ausencia o al desplazamiento de los componentes resistentes y/o rígidos. Christopher Arnold y Robert Reitherman explican: Cuando los muros estructurales son los principales componentes del edificio que resisten las fuerzas laterales, pueden llegar a soportar cargas muy grandes. Si estos muros no están alineados en un mismo plano de un piso al siguiente, las fuerzas que se crean como consecuencia de estas cargas no pueden fluir directamente a través de los muros hacia abajo, desde el techo a la fundación, y el consiguiente flujo de fuerzas indirecto resultante puede generar sobreesfuerzos en los puntos de discontinuidad.8 7 Stratta, J., Manual of Seismic Design, Prentice Hall, Englewood, Nueva Jersey, 1987, págs. 67·68. 8 Amold, Ch. y R. Reitherman, Building Configuration and Seismic Design, John Wiley·& Sons, Inc., Nueva York, 1982, pág. 120.

Las irregularidades en la configuración identificadas en las normas sísmicas como piso blando o piso flexible se refieren a la existencia de un nivelo piso del edificio que presenta una rigidez significativamente menor que el resto de pisos del edificio; y piso débil se refiere a la existencia de


Figura 17

167

un nivel, o entrepiso, del edificio que presenta una menor resistencia lateral estructural que la del entrepiso inmediatamente superior o que el resto de los entrepisos del edificio. Es común que el piso blando se genere accidentalmente debido a la eliminación o disminución del número de paredes no estructurales en uno de los pisos de un edificio, o por la restricción de la deformación de los componentes estructurales en el resto de los pisos por el adosamiento a éstos de componentes rígidos que no se han tenido en cuenta en el diseño y análisis de la estructura. El piso blando puede estar presente en la planta baja o en un nivel intermedio, como se muestra en la figura 17. Debido al desplazamiento relativo que se genera entre la losa de un nivel y la del nivel inmediato (deriva) cuando ocurre un sismo, las columnas del piso blando, y sobre todo si también es piso débil, se ven sometidas a grandes deformaciones y daños, lo cual generalmente no se prevé con anticipación, y consecuentemente se producen daños irreparables tanto en los componentes estructurales como no estructurales del piso, hasta el colapso del mismo y, en algunos casos, el colapso total del edificio. La presencia en los pisos superiores de componentes rígidos no intencionalmente estructurales, como es el caso de las paredes de albañilería, adosados a los componentes estructurales flexibles y la ausencia de estas paredes en la planta más baja, modifica el comportamiento de los componentes estructurales generándose una mayor rigidez y mayor masa en los pisos superiores, por lo que prácticamente, toda la deformación lateral se concentra en la planta baja. Debido a las vibraciones que se producen en el edificio, su contenido y sus ocupantes serán sometidos a desplazamientos cíclicos reversibles (apartado "La vibración", pág. 99) que pueden ser hasta de 2LlT • lo cual puede causar pánico en los ocupantes. En la figura 18 se ilustra la diferencia entre la deformación lateral de un edificio con una distribución homogénea de las paredes en altura (a) y uno con la planta baja libre (b).

--

a)

Figura 18

6T

+-

--

b)


6T


+-

168

Capítulo 4. Distribución irregular de masa reactiva. resistencia y rigidez

También es muy común encontrar en edificios de finales del siglo xx y principios del siglo XXI, configuraciones con gran influencia del estilo postmoderno, que imponen la parcial o total destrucción de las conexiones entre componentes estructurales, lo cual puede generar cambios abruptos en la rigidez y resistencia en pisos contiguos. El comportamiento sísmico de los edificios con estos tipos de irregularidad debe ser estudiado cuidadosamente y se deben tomar las medidas pertinentes para reducir las posibilidades de daños. Las figuras 19 y 20 muestran dos edificios en los cuales se observa la discontinuidad de algunos componentes estructurales tanto en horizontal como en vertical. Estos tipos de configuración resultan arquitectónicamente atractivos, pero en zonas sísmicas pueden resultar muy peligrosos, pues aunque se consideren las previsiones estructurales, se le introduce al análisis una gran cantidad de incertidumbres y la necesidad de recurrir a mayor número de simplificaciones en el modelo estructural que los edificios que no poseen estas irregularidades. Como muestran los casos incluidos en el penúltimo apartado de este capítulo, esta situación es aún más crítica cuando se presenta la falta de resistencia ante las deformaciones de las columnas perimetrales con relación a las columnas interiores. La irregularidad torsional en planta se refiere, como se ilustra en las figuras 13 y 14 del capítulo 2, a la rotación diferencial que se genera entre

Figura 19

Figura 20

169


dos losas de piso consecutivas de un edificio, debido a desequilibrios en la distribución en planta de la resistencia, de la rigidez y/o de la masa reactiva de los componentes estructurales y no estructurales, o a la combinación de ellas, lo cual aumenta considerablemente las demandas de deformación en los componentes verticales. Este efecto se puede producir tanto en plantas geométricamente regulares como irregulares. La falsa regularidad en planta se da en aquellas plantas geométricamente regulares en las cuales la distribución de la re· sistencia, la rigidez o la masa las convierten en unas plantas irregulares. La figura 21 ilustra algunos de los casos más representativos de falsa simetría en planta como son la ubicación de los núcleos de circulación vertical -escaleras, ascensores y rampas- y de los conductos para las instalaciones sanitarias, eléctricas y mecánicas. También puede presentarse la falsa regularidad en alzado, como ocurre en los edificios que se muestran en las figuras 22 y 23, cuya forma exterior es de paralelepípedo pero fueron concebidos con discontinuidades en los componentes estructurales, bien sean horizontales o verticales, generando espacios vacíos dentro del paralelepípedo correspondiente, columnas muy esbeltas y diafragmas de grandes luces y con voladizos importantes, como el ejemplo ilustrado en la pág. 56.

Figura 22

• Figura 21

I Figura 23

170


Desplazamiento relativo de los componentes estructurales verticales También se puede presentar una discontinuidad estructural debido al desplazamiento relativo de los componentes estructurales verticales, bien sea de columnas o de muros, de un piso con relación al inmediato. Estas irregularidades se definen en las normas vigentes para inicios del siglo XXI, tanto en la tabla de irregularidades en planta como en la de irregularidades en alzado.

Plano de acción .

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~~esPlazamiento Figura 24

9 Irregularidad Tipo 4A "Desplazamientos dentro del plano de acción" en la tabla A.3-7 de las Normas colombianas...• ob. cit.. pág. A-42.

Figura 25

En la figura 24 se ilustra esquemáticamente el desplazamiento de componentes estructurales dentro del mismo plano de acción, mientras que en la figura 25 se ilustra el desplazamiento de unos componentes que están en un plano de acción con respecto a otros que están en otro plano de acción. Esta última condición se puede dar en componentes de pisos contiguos o en componentes de un mismo piso. Como ejemplo, la N5R-98 define: La estructura se considera irregular cuando existen desplazamientos de los elementos verticales del sistema de resistencia sísmica, dentro de un plano de acción, mayores que la dimensión horizontal del elemento. 9

Desplazamiento relativo de los componentes estructurales verticales

171

Figura 26

Figura 27

En la figura 28 se ilustra la irregularidad Desplazamientos dentro del plano de acción, tanto de columnas como de muros. En la figura 29 se ilustra la irregularidad Desplazamientos del plano de acción de elementos verticales, tanto de columnas o de muros. Como ejemplo, la NSR-98 define: La estructura se considera irregular cuando existen discontinuidades en las trayectorias de las fuerzas inducidas por los efectos sísmicos, tales como cuando se traslada el plano que contiene a un grupo de elementos verticales del sistema de resistencia sísmica, en una dirección perpendicular a él. generando un nuevo plano. lO 10 Irregularidad Tipo 4P "Desplazamiento del plano de acción de elementos verticales" en la tabla A.3-6 de las Normas colombianas.... ob. cit.• pág. A-41.

En la figura 26 se muestra un edificio en construcción y en la figura 27, en una vista esquemática, se observa el desplazamiento en el mismo plano de fas columnas superiores con respecto a las inferiores.

172


En la figura 30 se puede ver un caso similar en un edificio de varios pisos donde, para obtener el retroceso de los dos últimos, se recurre al desplazamiento en el mismo plano de uno de los ejes de columna de los dos pisos superiores con relación a los ejes de las columnas inferiores. En la figura 31 se muestra en la fachada lateral derecha de un edificio de varios pisos, el desplazamiento de un eje de columna a un plano diferente del de la estructura principal. Algo similar se observó en el edificio Miramar en el sismo de Cariaco, Venezuela 1997, que se describe al final de este capítulo.

El efecto de columna cautiva y columna corta Figura 30

Los dos conceptos se usan indistintamente en la literatura sobre edificios sismorresistentes; sin embargo, aunque ambos están relacionados con la variación en la configuración de las columnas de un edificio, en este libro se han separado para diferenciar las causas estructurales que los generan. El efecto de columna cautiva, conocido también como el efecto de columna corta, se produce debido a una modificación accidental en la configuración estructural original de las columnas de un pórtico debido a la adhesión de otros componentes del edificio. El problema principal se presenta cuando la deformación de la columna queda parcialmente restringida en el plano, mientras que la sección que queda

Luz libre Agura 31

~_.


Luz libre

+-- Componente constructivo rígido Agura 32


El efecto de columna cautiva y columna corta

173

libre absorbe una gran parte de la deformación que correspondería a la columna en su altura total; de allí su apelativo de columna parcialmente cautiva o simplemente columna cautiva. En la figura 32 se ilustra, en la parte superior, cómo se deforma el pórtico cuando está libre en toda su altura y, en la inferior, cómo se altera radicalmente su comportamiento estructural por la concentración de la deformación en la luz libre de las restricciones impuestas por el componente constructivo adosado. A diferencia de ese efecto, la condición de columna corta se puede generar por diversas decisiones arquitectónicas, generalmente concebidas desde el diseño original del edificio, por motivos estéticos o funcionales. Se le asigna el apelativo de corta a las columnas que tienen una altura significativamente menor que la mayoría de las columnas del mismo piso o de los subsiguientes, lo cual puede generar un aumento de esfuerzos de corte en dichas columnas. Las columnas cortas son causa de serias fallas en edificios bajo excitaciones sísmicas, debido a que su mecanismo de falla es frágil si no han sido bien diseñadas y/o detalladas.

Relación relativa de resistencias entre los elementos en los nudos columna-viga Una de las configuraciones que ha producido mayores daños como consecuencia de los sismos en los edificios porticados de concreto de la ciudad contemporánea, ha sido la relación columna débil-viga fuerte. Esta configuración es muy común en los edificios del siglo xx, debido a que permitió a los arquitectos cubrir grandes luces y lograr al mismo tiempo componentes verticales casi imperceptibles en favor de una continuidad espacial interna y, al mismo tiempo, la conexión visual con el exterior. Sin embargo, esta configuración ha sido la causante de daños importantes y hasta el colapso de numerosos edificios todavía hasta principios del siglo XXI. En los informes de evaluación de daños producidos por los sismos es habitual encontrar imágenes de edificios colapsados donde se observa el conocido "efecto panqueque", es decir, la falla total de las columnas de varios pisos, mientras que las losas, casi enteras, están apiladas unas sobre otras, como los edificios en Caracas, Venezuela (1967) y Michoacán, México (1985), que se muestran en las figuras 33 y 34 de la página siguiente, respectivamente. También se menciona la formación de este tipo de mecanismo en los ejemplos de daños en edificios que se exponen en el apartado final de este capítulo.

174


Figura 33

Rgura 34

Explica al respecto Luis Enrique García:

Figura 35

García, L.E., comunicación personal, abril 2006. 12 Capítulo 11 en ACI, ACI-IPS-l Requisitos..., ob. cit., edición 2002. págs. 170-171. 11

En diseño sísmico siempre se trata de tener una estructura que cumpla el principio de "columna fuerte y viga débil", propugnando que la disipación de energía ocurra en las vigas y no en las columnas. La columna se diseña a cortante siempre para que durante su respuesta en el rango inelástico, no falle por esta razón, pero se debe tratar a toda costa de evitar que se generen articulaciones en las columnas pues al presentarse articulaciones plásticas en los dos extremos de todas las columnas de un mismo piso ocurre un mecanismo de piso de falla generalizado. Las normas sísmicas requieren que los momentos resistentes de las columnas excedan en 20% los de las vigas que llegan al mismo nudo precisamente para evitar esto. u En el gráfico [figura 35] se muestra el diagrama de momentos de un pórtico al ser sometido a las fuerzas horizontales. Allí se puede ver que los momentos flectores causados por las fuerzas horizontales son máximos en los extremos de los elementos, siendo este el lugar donde se va a presentar la disipación de energía y esta es la razón por la cual es allí donde se coloca el refuerzo de confinamiento. La disipación de energía sólo ocurre por flexión y por eso debe evitarse a toda costa la ocurrencia de fallas por cortante. Hay una relación fija entre los momentos y las fuerzas cortantes en el caso de las fuerzas laterales pues el cortante es siempre la suma algebraica de los momentos en los extremos de los elementos dividida por su luz. El proceso de diseño está resumido en el capítulo 11 "Resistencia ante fuerzas laterales" del documento AC/ IPS-l Requisitos esencia/es para edificios de concreto reforzado. 12

A través del mecanismo de columna fuerte/viga débil, se produce disipación de energía a través del rango plástico o inelástico de las vigas, es decir, aceptando cierto grado de deformación plástica y por tanto, de daño; así, al

Relación relativa de resistencias entre los elementos en los nudos columna-viga

Figura 36

175

ocurrir un sismo, se induce a que se formen rótulas plásticas (rotaciones plásticas) en las vigas antes de que se formen en las columnas, tratando de que este mecanismo no ponga en peligro la estabilidad del edificio. Si una de las vigas falla por flexión y las uniones con las columnas están bien resueltas, generalmente podría llegar a sufrir una gran deformación pero no colapsaría; las fuerzas se podrían redistribuir en las otras vigas y losas disipando energía; en cambio, en el caso contrario columna débil/viga fuerte, si falla una de las columna a corte, se puede poner en peligro la estabilidad del edificio completo. La figura 36 muestra cómo en el sismo de 1985 fallaron las columnas de dos pisos completos en el edificio del Banco de México. La figura 37 presenta un detalle de las columnas fracturadas entre las vigas de dos pisos.

Cambios abruptos de sección y/o configuración entre componentes estructurales contiguos

Figura 37

Los cambios abruptos de sección y configuración entre componentes estructurales contiguos pueden ser peligrosos en la zona de transición, bien sea debido a los cambios de rigidez y de resistencia, bien a que no se cumplen los requisitos exigidos en cuanto a los empalmes de los aceros y a la calidad en la unión de los encofrados para el vaciado del concreto. La figura 38 ilustra un detalle de un caso muy común de una unión de vigas y columna en edificios de concreto armado con losas de piso nervadas. Debido a requisitos arquitectónicos, para ocultar la viga alta muchas veces se transforma lo que debía haber sido la continuación de una viga alta en una viga plana, como se observa en la figura 39. ~ Recu brimiento de pi so

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Figura 39

176


Figura 40

Figura 41

Figura 42

Columnas con proporciones y direcciones diversas

Diapositiva núm. 15 en Jirsa, J. O. y R. Meli, Jirsa/MeJi 1: Examples of Poor Detailing in Reinforced Concrete Buil· dings, EERI Annotated sJide col/ecUon, EERI, Oakland, CA, 1997.

13

En la figura 40 se observa una configuración muy frecuente en los edificios comunes: en un mismo piso, columnas de sección rectangular en direcciones ortogonales. Si no se estudia cuidadosamente esta disposición de las columnas puede presentarse un patrón confuso en la dirección de las líneas de resistencia. Generalmente, la mayor rigidez para resistir las fuerzas horizontales en las columnas será sólo en la dirección mayor de éstas, lo cual es diferente a tener pórticos con columnas de sección cuadrada y muros rígidos en las dos direcciones. Esta disposición de las columnas rectangulares también puede llevar a la ubicación asimétrica de las vigas, como se ilustra en la figura 41. En la figura 42, James Jirsa y Roberto Meli muestran daños en la unión viga-columna de un edificio en Grecia (1981), y comentan sobre los daños debidos a un alineamiento pobre de la viga: en este caso, la viga excéntrica con relación a la columna. 13 Un problema importante en el comportamiento de las ESR consiste en la debilidad para resistir los efectos de las fuerzas de inercia de las columnas perimetrales. Tradicionalmente, se hacía el cálculo de las columnas de los edificios por área tributaria (cooperante) para soportar sólo las cargas verticales, por lo que, en general, la sección de las columnas perimetrales resultaba menor que la de las interiores, porque se calculaban para soportar la menor carga vertical, como se ilustra en la figura 43. En estos casos, cuando ocurre un sismo, si se producen desplazamientos diferenciales de los diafragmas por irregularidad torsional y no se han tenido en cuenta ni las fuerzas horizontales ni los efectos que puede producir el momento torsional en los diafragmas, las columnas que tienen


177

Figura 43

Agura 44

Agura 45

que resistir las mayores deformaciones son justamente las perimetrales, que por su menor dimensión son las menos rígidas y las de menor resistencia; aún peor, son justamente las de las esquinas las que resistirán las mayores deformaciones. En la figura 44 se muestra el desplazamiento que sufrió un grupo de columnas que fallaron en el nivel de acceso del hospital Olive View en el sismo de San Fernando, California, en 1971. En la figura 45 se observa con mayor detalle la diferencia en el comportamiento de la columna de la esquina y las interiores en el plano perimetral ante las deformaciones impuestas por la formación de un piso blando en ese nivel. El zunchado en espiral de las columnas interiores ubicadas en el plano perimetral permitió que el núcleo de concreto se mantuviera confinado, logrando de esta manera una mayor resistencia tanto al cortante como a la fuerza axial de compresión, y mayor ductilidad para resistir la flexión. Se observa que las columnas en forma de L de las esquinas, que tuvieron que resistir los mayores desplazamientos diferenciales, quedaron totalmente destruidas. La forma en L exigida por el arquitecto no permitió hacer los zunchados en espiral. Se colocaron unos estribos de pequeño diámetro que estaban muy separados entre sí; el concreto no resistió los esfuerzos y las deformaciones, y se desintegró. Los problemas de discontinuidad en los componentes estructurales no sólo se deben a un diseño estructural deficiente, sino a las deficiencias en la inspección de la obra. En la figura 46 se observa la falla en la parte superior

178


de una columna interna en el plano perimetral: debido a un detallado deficiente de la unión entre la columna y la viga, la espiral quedó interrumpida antes de llegar a la viga. También se observa cómo el zunchado en espiral mantuvo bien confinado el concreto en el interior, mientras que el de recubrimiento exterior para lograr la forma cuadrada, el cual estaba sin confinar, se desprendió. En la figura 47 se muestra un detalle de esta unión. Respecto a este error de construcción 8ertero describe:

Figura 46

I Figura 47

Bertero, V., "Solutions: Importance of Construction Aspects", en Earthquake Engineering... , ob. cit. 15 Whittaker A., V.V. Bertero et al., "Development of Japanese Building Seismic Regulations": http://nisee. berkeley.edu/kobe/codes.html, National Information Service for Earthquake Engineering (NISEE), Universidad de California, Berkeley. 16 Nakashima, M. y Ch. Praween, A Partial View of Japanese Post-Kobe Seismic Design and Construction Practices, Earthquake Engineering and Engineering Seismology, vol. 4, núm. 1, págs. 3-13. 14

(...) se ilustra claramente cómo el concreto se fracturó en esa zona tan crítica, como consecuencia de la interrupción prematura del refuerzo en forma de espiral. Una buena inspección del refuerzo antes de colocar el encofrado y del vaciado del concreto debería haber detectado este error de mano de obra. Nótese el excelente estado del concreto confinado en el resto de la columna. La heterogeneidad en la forma, cantidad y distribución de los materiales en los componentes estructurales contiguos, facilita el mal comportamiento ante un sismo por la diferencia que se puede presentar en el comportamiento de unos y otros. 14

Debido al gran auge de la construcción en Japón después de la Segunda Guerra Mundial, en 1963 se eliminó de la Ley de Construcción de edificios (Building Standard Law) la restricción del límite de altura de 100 pies (30 m), y el Ministerio de Construcción recomendó que los edificios de más de seis pisos fueran construidos con estructuras compuestas de concreto armado con perfiles de acero (Steel Reinforced Concrete, SRC).15 A partir de entonces en Kobe se construyeron los pisos inferiores con columnas compuestas con perfiles de acero embebidos en concreto y que continuaban en los pisos superiores con columnas de concreto armado. Con respecto a los edificios que fallaron en pisos intermedios durante el sismo de Kobe, Japón en 1995, Masayoshi Nakashima y Chusilp Praween explican: El concreto armado con perfiles de acero (SRC) se ha usado ampliamente en Japón para la construcción de edificios relativamente grandes desde mediados de los años cincuenta. Un tipo de construcción muy popular es el acero estructural embebido en concreto armado. En las primeras construcciones, el acero embebido se hacía con perfiles de acero de sección abierta y a principios de los años sesenta se cambió a perfiles de acero de ala ancha laminados en caliente. Una considerable cantidad de los antiguos edificios construidos en los años sesenta y setenta con SRC sufrieron daños, incluyendo el colapso de pisos intermedios. En muchas ocasiones, el piso colapsado tenía columnas donde la sección de SRC había sido convertida en una sección de concreto armado. Se consideró que el responsable de tales colapsos en estos pisos intermedios fue el cambio abrupto en la resistencia de las columnas. Los nuevos edificios construidos con SRC, al igual que los nuevos edificios construidos con


179

concreto armado de acuerdo con la norma actual, tuvieron un comportamiento satisfactorio. Es significativo que se haya utilizado el método de superposición de la resistencia para el diseño de edificios de SRC. En este método se asigna como resistencia del SRC la suma de las resistencias de concreto armado y de la sección del acero, calculadas por separado. 16

Figura 48

Figura 49

Las figuras 48 y 49 muestran sólo dos ejemplos de los múltiples casos que fallaron en el sismo de Kobe de 1995, justo en la zona donde cambiaba el tipo de estructura. En estos casos, al cambiar la configuración del acero del refuerzo se pone en evidencia que hubo un cambio significativo de rigidez y resistencia. La resistencia de ambos tipos de columna se puede compensar con el acero, pero la rigidez la proporciona el concreto, de modo que, al disminuir la sección de concreto, se está reduciendo la rigidez y esto puede conducir a la generación de un piso flexible o blando en los pisos de transición. En el sismo de Caracas de 1967, en un edificio de residencias vacacionales porticado de concreto armado de once pisos, ubicado en la región centro norte costera de Venezuela, Mansión Charaima, con paredes exteriores de mampostería y tabiquería ligera en el interior, los últimos cuatro pisos colapsaron, como se muestra en la figura 50; se observaron algunos daños estructurales en una esquina del sexto y del séptimo piso debido al impacto que produjo el colapso de los superiores y, aunque hubo daño no estructural en los cinco pisos inferiores, no se observó daño alguno en la estructura. El informe preliminar sobre dicho sismo patrocinado por la Academia Nacional de Ciencias estadounidense comenta: Ha resultado inesperado que un edificio con una distribución más o menos uniforme de su masa, su rigidez y su resistencia y que no era muy esbelto, haya sufrido tanto daño en los cuatro pisos superiores, a menos que se haya producido por un cambio en la resistencia o un cambio en la calidad de los materiales no estructurales Y

Figura 50

Sazen, M.A. et al., Engineering Report on the Caracas Earthquake of 29 July 1967, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1968, págs. 39-40. 18 Hanson, R. y H. Degenkolb, The Venezuela Earthquake: July 29, 1967, American Iron and Steel Institute, Nueva York, 1969, pág. 113. 17

Robert Hanson y Henry Degenkolb concluyen: Se nos informó que hubo un retraso entre la construcción de los siete pisos inferiores y los cuatro superiores que colapsaron. Si es así, la unión entre la construcción más antigua y la nueva debe haber sido débil en la parte posterior del ascensor, pues parece que la falla comenzó en esta zona. 18

180


Daños en edificios con presencia simultánea de varias configuraciones irregulares En el caso de edificios con presencia simultánea de varias configuraciones irregulares, tradicionalmente las normas sísmicas han simplificado la penalización por configuración irregular, permitiendo tener en cuenta una sola irregularidad, con lo cual muchas veces se ignoran los efectos concurrentes que se pueden ocasionar debido al movimiento del terreno. Las normas sísmicas más recientes exigen que se contemplen las diversas irregularidades que se presentan en un edificio. A continuación se muestran tres ejemplos de concentración de varias irregularidades en un mismo edificio, lo cual contribuyó a su comportamiento inadecuado ante las acciones sísmicas. Un ejemplo clásico de este tipo es el hospital Olive View en San Fernando 1971, en California, que ya se ha utilizado en varios ejemplos de este libro. 1. Hotel Terminal en el sismo de Guatemala de 1976 Era un edificio porticada de concreto armado de seis pisos, ubicado en una esquina. Era geométricamente regular; tenía una planta rectangular, pero con un núcleo de servicios muy rígido ubicado asimétricamente cerca de uno de los extremos. En los cuatro pisos superiores, la excentricidad inducida por el núcleo de servicios estaba equilibrada de alguna manera en el extremo contrario por la rigidez de las paredes exteriores de mampostería de arcilla que rellenaban los pórticos de concreto armado, conformando una fachada ciega. En el piso inmediatamente superior a la planta baja estaba el restaurante, por lo que se dejó ese espacio libre de particiones interiores y en lugar de las paredes exteriores que había en los pisos superiores, se colocaron grandes ventanales de vidrio para permitir la vista de la ciudad y de la terraza desde el interior. La ausencia de las paredes rígidas en el extremo opuesto al núcleo de servicios, condujo a la formación de una planta torsional por la distribución irregular de la rigidez en planta; y debido a la interrupción de la fachada rígida que venía desde los pisos superiores, se generó en esa zona un piso blando por la diferencia de rigidez entre el piso del restaurante y los superiores, lo que llevó a la falla de las columnas de esa parte del piso y a daños irreparables en el resto de la estructura. Aunque una parte del edificio no presentaba grandes daños, hubo que demolerlo por completo. La figura 51 muestra una vista panorámica del edi· ficio. En la figura 52 se observa el descenso de una parte de los pisos

Daños en edificios con presencia simultánea de varias configuraciones irregulares

FIgura 51

181

FIgura 52

Figura 53

superiores debido a la falla de las columnas en la zona donde e,taba el restaurante. Bertero explica los efectos que se produjeron en este edificio: Esta interrupción [de las paredes no estructurales del segundo piso, donde estaba ubicado el comedor] creó una gran excentricidad en ese piso, lo cual produjo enormes fuerzas torsionales que hicieron fallar por corte las columnas de concreto armado. La figura [53] muestra el colapso del segundo pisO debido a una falla por corte de las

19 Bertero, V. V., en ·Solutions: Importance of Construction Aspects·, en Earthquake Engineering... , ob. cit.

columnas. Nótese en el detalle el significativo desplazamiento lateral (deriva hacia la derecha) de la losa y con ésta la parte superior de la columna debido a la rotación to(síonal de los pisos superiores del edificio. La losa de piso superior se desplazó hacía la derecha y cayó, quedando la par te superior de la columna al lado de la inferior. Aunque las columnas tenían estribo:s (refuerzos laterales). no eran suficientes y no tenían la separación adecuada para resistir las fuerzas de corte desarrolladas como consecuencia del momento torsional que se originó en este piso. La falla descrita en estas fotos enfatiza sobre la importancia de evitar fuerzas torsionales grandes y la necesidad de proveer una adec:uada cantidad de refuerzo transversal con un detallado apropiado. 19


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Planta estructural de los tres pisos superiores Figura 54

2. Hotel New Society en el sismo de Mindanao, Filipinas en 1976 Era un edificio con una estructura de pórticos, losas de piso y techo de concreto armado y muros estructurales de mampostería reforzada. Fue construido en 1968 y estaba ubicado en la esquina de una manzana en Cotabato City. Según el informe del Instituto de Investigación en Ingeniería Sísmica estadounidense (EERI),20 la forma de la planta era cuadrada, y le faltaba un pequeño cuadrado en la esquina noroeste; estaba conformada por cuatro pórticos en ambos sentidos; la planta baja tenía una altura de 6 m, y, dentro de este espacio, a los 3 m de altura, había una mezzanina conformada por una tarima con viguetas de madera, que cubría tres pórticos en ambos sentidos desde las fachadas sur y este, como se ilustra en la figura 54. La altura del entrepiso inmediatamente superior era de 3,50 m y los dos entrepisos siguientes, de 3,30 m. de altura. La losa de los pisos superiores cubría la misma superficie que la planta baja pero sin las columnas de los ejes E y 5, excepto la columna E5, como se ilustra en la figura 55. Las fachadas de lindero (sur y este) contaban con muros portantes entre las columnas, mientras que las dos fachadas que daban a la calle tenían, en los pisos superiores, antepechos y grandes ventanales y, en la planta baja, pórticos de doble altura sin paredes, como se muestra en el gráfico de la figura 55. En este gráfico, para simplificar, no se han incluido en la parte superior ni columnas ni paredes interiores. La figura 56 muestra una fotografía del edificio en construcción. 21 Los muros de la fachada este tenían pequeñas aberturas para puertas y ventanas; se observa también, en ambas figuras, la viga "parasol" ubicada a dos tercios de la altura de las columnas de doble altura de la planta baja, lo cual es típico de la arquitectura de esa zona. - - - Muros de mampostería reforzada

Stratta, J. et al., Reconnainssance Report, Mindanao, Philippines EQ Aug. 17, 1979, Earthquake Engineering Research Institute, EERI, El Cerrito, California, 1977. pág. 43. 21 En los informes consultados no se encontró información ni sobre la ubicación, ni sobre las características dinámicas de las escaleras. 20

Pórtico de concreto armado y paredes de relleno

Figura 56


Rotación de losa de los pisos superiores

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Colapso de columnas de esquina

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Figura 57

Figura 58

22 Selna, L. y W. K. Tso, "Twisting Failure of the New Society Hotel", págs. 459496, SP 63·19, en Publication SP-63: Reinforced Concrete Structures Subjected to Wind and Earthquake Forces, ACI, 1980, págs. 460-462.

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183

Este edificio presentaba las siguientes irregularidades en la configuración: 1. Distribución irregular de la rigidez en planta, debida a la ubicación de muros en las fachadas de lindero (sur y este), dejando unas fachadas muy flexibles hacia la calle (norte y oeste), originadas por los pórticos de doble altura en la planta baja, anteriormente descritos, y por los grandes ventanales de los tres pisos superiores, lo cual, como se ilustra en la figura 57, generó la rotación de las cuatro losas superiores. Este tipo de irregularidad es típico, internacionalmente, de los edificios en esquina. Laurence Selna y Wai K. Tso, en su estudio sobre el hotel New Society, explican que en la ciudad de Cotabato hubo muchos casos de deriva traslacional asociada con la falla por corte de las columnas y sin que las paredes no estructurales estuvieran involucradas, pero que en este caso fue única debido al predominio de la torsión en la deformación de la planta baja: El centro de masa de cada piso está ubicado cerca del centro geométrico, o centro del área del piso. Esta posición es uniforme para todos los pisos exceptuando la mezzanina. El centro de masa de ésta está desplazado del centro geométrico hacia la esquina sudeste del edificio. La masa del primer piso [planta baja y mezzanina] es de alguna manera menor que la del segundo, tercero y cuarto, debido a que la superficie de planta es menor, y al uso de las viguetas de madera y del entarimado, en lugar de las losas de concreto armado. El punto de la intersección de las paredes es un lugar donde las deflexiones son despreciables cuando se comparan con las deflexiones horizontales encontradas en otros lugares. El punto de intersección se llamará en este artículo centro de rigidez. También corresponde con el centro de corte del ángulo formado por las paredes. Las cargas laterales debidas al sismo actúan a través del centro de masa de cada piso. Debido a que el movimiento del terreno es aleatorio en dirección y magnitud, las cargas de inercia con dirección y magnitud aleatorias actúan a través del centro de masa. Estas cargas provocarán que el edificio se tuerza con relación al centro de rigidez. Como el edificio se tuerce en cada entrepiso, el pórtico se ve forzado a responder de una manera biaxial. 22

2. Distribución irregular de la rigidez y de la resistencia en vertical Los daños se produjeron debido a la ausencia de paredes no estructurales de mampostería en la planta baja y en la mezzanina, que sí estaban presentes a partir del primer piso de habitaciones. Se generó un volumen rígido en la parte superior, apoyado sobre los pisos inferiores más flexibles, generando este conjunto el efecto de piso blando. Al rotar las losas superiores debido a la irregularidad anterior, la parte inferior de la estructura, más débil que la superior, no resistió la deformación y colapsó. La figura 58, ilustra sólo la deformación de las columnas perimetrales.

184


3. Discontinuidad entre los componentes estructurales horizontales y columnas de diferente altura en la planta baja, debido a la existencia de una losa de piso parcial para generar la mezzanina, y un doble pórtico de doble altura en las dos fachadas que daban a la calle; como consecuencia, en la planta baja todas las columnas exteriores y las columnas interiores El, E2, E3, E4, 85, C5 y D5 tenían doble altura y no tenían continuidad en los pisos superiores, generando este conjunto el efecto de piso débil asimétrico en las fachadas norte y oeste de la planta baja y mezzanina y unas columnas muy débiles en la esquina noroeste. 4. Efecto de viga fuerte-columna débil. El informe del EERI menciona: Las dimensiones de las vigas y las columnas son semejantes, pero cuando se tiene en cuenta el efecto de la losa de piso, ambos a flexión y torsión, las vigas parecen ser considerablemente más fuertes que las columnas. Esto se confirma por los daños que sufrió el edificio. El detallado de los refuerzos y la presencia de bajantes de desagüe de hierro colado en el interior de las columnas redujo significativamente la resistencia y la tenacidad de la estructura. 23

En las figuras 59 y 60 se observa un detalle de la unión de la parte superior de las columnas de la planta baja con la viga del primer piso y el detalle del bajante (tubería de desagüe) en el interior de las columnas. Se observa

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~ Figura 60


185

también la viga "parasol" ubicada a dos tercios de la altura de las columnas del pórtico de la planta baja. Con relación a la práctica habitual en los años sesenta del siglo xx de colocar los bajantes de desagüe en el interior de las columnas,24 Selna y Tso comentan:

Figura 61

Si se continúa con esta práctica en Filipinas, entonces la reducción de la tenacidad de la columna debido a los bajantes debe ser evaluada con un programa de pruebas experimentales sistemáticas. Como punto de referencia, el UBC limita los tubos embebidos en una columna al 4% del área. En estas columnas, los bajantes ocupaban aproximadamente el 10% del área de la sección en las zonas donde estaban ubicadas las juntas acampanadas de los bajantes. En la unión viga-columna se ocupaba un porcentaje de área mayor, porque en estas zonas a menudo se usan las uniones 'T' de los bajantes. 25

El informe de EERI describe la forma cómo falló el edificio:

Figura 62

El informe sobre los daños sufridos por el hotel Internacional en el sismo de Valle de la Estrella (El Limón), Costa Rica, en 1991, también se menciona esta costumbre de colocar los tubos de instalaciones dentro de las columnas "Las columnas se vieron aún más debilitadas debido a la ubicación de conductos eléctricos de gran diámetro embebidos en el concreto". EQE Internacional. The April 22, 1991 Valle de la Estrella, Costa Rica Earthquake: A Quick Look Report, en http://www.eqe.com/publication/ costaric.htm (noviembre de 2003): http://www.eqe.com/publications/Costa Rica/costaric.html (noviembre de 2006). 25 Selna, L. y W.K. Tso, Twisting Failure... , ob. cit., pág. 472. 26 Stratta, J. et al., Reconnaissance Report... , ob. cit., pág. 45. 27 Selna, L. y W.K. Tso, Twisting Failure... , ob. cit., págs. 471 y 472. 24

Las columnas de sección circular del primer piso [PB], ubicados en las fachadas norte y oeste del edificio, formaron articulaciones en los extremos superior e inferior debido a la gran torsión que sufrió el edificio. El colapso ocurrió de la siguiente manera: 1) El edificio giró en la dirección contraria a las agujas del reloj; 2) la esquina noroeste del segundo piso [primer piso de habitaciones] cayó a la calle con una trayectoria helicoidal de 6,7 m de largo; y 3) la esquina opuesta, la sureste, donde los muros se interceptaban, presentó falla en la columna de esquina por torsión y desplazamientos del plano de acción de las paredes adyacentes por efecto de corte. El pórtico y los muros de los pisos superiores no sufrieron prácticamente ningún daño [como se ilustra en las figuras 61 y 62].26

El informe final de ACI concluye: Los edificios de concreto armado con paredes ubicadas asimétricamente tienen problemas especiales. Ambos, las paredes y el pórtico están sometidos a deformaciones que producen grandes fuerzas de corte en estos edificios. Para agravar el problema, la columna más alejada del centro de rigidez se ve sometida a grandes derivas. En este hotel, la falla de las columnas de los dos pisos inferiores [PB y mezzanina] debido a la torsión de la estructura, ilustra muy bien este punto. Estas columnas fueron las que más sufrieron porque se vieron sometidas a las mayores deformaciones durante la respuesta torsional del edificio. 27

3. El edificio Miramar en el sismo de Cariaco, Venezuela, en 1997 Fue inaugurado en 1982 y respondía a un patrón arquitectónico comúnmente utilizado a partir de los años sesenta. Fue el único edificio que colapsó en la ciudad de Cumaná. Constaba de un sótano para el aparcamiento de los vehículos de los residentes, una planta baja y una mezzanina para oficinas y seis pisos de apartamentos.

186

Figura 63

Gráficos basados en López, O.A. y E. Castilla, Evaluación sismorresistente de las edificaciones derrumbadas durante el sismo de Cariaco del 09-07-97, Informe núm. 209209, Instituto de Materiales y Modelos Estructurales IMME, Universidad Central de Venezuela, Caracas, 1998, págs. 130-133. 29 Bonilla, R. et al., "El terremoto de Cariaco del 09 de julio de 1997" en Boletín Técnico 2000, ob. cit., pág. 21. 28


La figura 63 muestra las fachadas norte y oeste. En el techo se observa un volumen que alojaba la sala de máquinas de los ascensores y, además, un gran anuncio publicitario. Unido a la planta rectangular en la esquina nororiental, estaba el núcleo de escaleras y, adyacente a éste, un volumen de un piso por donde se entraba a la zona residencial. En la fachada este, cerca del núcleo de escaleras, había un pequeño volumen de un piso. En esa misma zona, en el interior del edificio, se encontraba el núcleo de ascensores que, al igual que el de escaleras, se prolongaba desde el sótano hasta el último piso. Como se ilustra en las plantas del edificio en la figura 64,28 la estructura de concreto armado estaba conformada por cuatro pórticos de 6,8 m en la dirección principal, y, dos pórticos de 5 m y 6 m, en la dirección perpendicular, con voladizos de 1,5 m en los pisos de apartamentos y en la mezzanina en la fachada este, y de 2,40 m en los pisos de apartamentos de la fachada oeste. Desde la planta baja, cerca de los núcleos de circulación vertical, el hueco de un patio interior llegaba hasta la losa de techo. La escalera de caracol para subir de la planta baja a la mezzanina estaba en el cruce entre el eje B y el eje 2. La altura del entrepiso de la planta baja era de 3,20 m, mientras que todos los restantes, incluyendo la mezzanina, tenían 2,70 m de altura, como se ilustra en la figura 65. El artículo "El terremoto de Cariaco del 9 de julio de 1997" del Boletín Técnico 2000 del Instituto de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad Central de Venezuela, expone: El edificio presentaba a nivel de sótano vigas altas en las dos direcciones principales: en el resto de los niveles presentaba vigas altas en la dirección transversal y vigas planas en la dirección longitudinal [del edificio]. La estructura tenía además un núcleo de escaleras compuesto de tres muros de 15 cm. de espesor, el cual se encontraba ubicado en una de las esquinas del edificio y un núcleo de ascensores compuesto de muros de concreto de 15 cm. de espesor cercano al núcleo de escaleras. Adicionalmente, a nivel de mezzanina la losa de piso se encontraba reducida con relación al resto de los niveles, por tal motivo había 3 columnas desconectadas de la losa de piso. 29

En las figuras 66, 67, 68 Y69 se observan cuatro isometrías de la sección inferior del edificio (sótano, planta baja, mezzanina y tres pisos residenciales) desde diferentes ángulos. En la primera se incluyeron los cerramientos exteriores para hacer más evidente la irregularidad que se genera en la planta baja y mezzanina y las tres restantes ilustran isometrías estructurales. En ellas se puede observar la concentración de rigidez en la esquina

187


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noreste, la discontinuidad del diafragma de la mezzanina y las columnas de doble altura. Este edificio presentaba las siguientes irregularidades: 1. Distribución irregular de la rigidez en planta, debida a la concentración en la esquina nororiental de los núcleos rígidos de escalera y ascensor. 2. Discontinuidad del diafragma en las losas ubicadas cerca de los núcleos de circulación vertical de todos los pisos en voladizo, debido a la presencia de un patio interior entre los ejes 1 y 2, YA Y B. 3. Distribución irregular de la rigidez y de la resistencia en vertical, debido a la ausencia en planta baja y mezzanina de las paredes no estructurales de mampostería presentes a partir del primer piso residencial, lo cual generó un volumen rígido en la parte superior, apoyado sobre los dos primeros pisos inferiores (planta baja y mezzanina) más flexibles, donde además la altura libre de la planta baja era mayor que la del resto de los pisos, generando este conjunto el efecto de piso blando.

Figura 67

Rgura 66

Rgura 68

Vista Sudeste

Figura 69

Vista Noroeste

Vista Sudoeste

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diseño de estructuras sismorresistentes, si quienes toman las decisiones sobre cómo se diseñan y se organizan los edificios y las ciudades no participan en el desarrollo de dicho conocimiento, y además no lo pueden entender? Es así cómo las ciudades en zonas sísmicas han ido acumulando un inventario de edificios vulnerables sísmicamente. La demostración de esta aseveración se evidencia en el número de víctimas humanas y en la suma de pérdidas económicas que se observa cada vez que una ciudad contemporánea es afectada por un sismo, y las graves consecuencias sociales y económicas que implica su recuperación. Lo más grave es que la mayoría de los arquitectos y de los urbanistas no se han percatado, ni quieren percatarse, de la influencia que sus decisiones referentes a la planificación y la normativa urbanas tienen sobre la resiliencia de las ciudades contemporáneas en zonas sísmicas. Generalmente, los arquitectos y los urbanistas parten de la falsa suposición de que tener en cuenta los aspectos sismorresistentes coarta la creatividad y que las ciudades se convertirían en una colección de cajas uniformes. Habría que preguntarse: ¿es que acaso la seguridad de los edificios y de la ciudad en general no es importante? ¿En qué consiste entonces la creatividad de los arquitectos y de los urbanistas? ¿Es que acaso el diseño de edificios que son apropiados para determinados contextos ambientales ha coartado también su creatividad? ¿No es más bien un reto diseñar un edificio apropiado para un determinado contexto ambiental natural que además cumpla con los requisitos funcionales, normativos, económicos y estéticos deseados por el cliente y/o impuestos por las múltiples normas vigentes que hay que cumplir? ¿Podríamos concluir acaso que las normas ambientales, o las urbanas, o las sanitarias coartan la imaginación? ¿No se demuestra mayor creatividad precisamente cuando se encuentra una solución apropiada para un contexto muy severo en donde se va a ubicar el edificio? Para ilustrar esta situación veamos un ejemplo muy simple en las figuras 1 y 2 de la página siguiente. La primera, una casa alpina en un clima frío y seco, diseñada con un techo de gran pendiente para evitar la acumulación de la nieve, con paredes gruesas de materiales que absorban el calor durante el día y lo mantengan hasta la noche, con ventanas pequeñas para evitar que se filtre el frío y con chimenea para calentar los ambientes. La segunda, una casa de playa en un terreno plano de clima cálido y húmedo, diseñada

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con un techo con suficiente pendiente para que no se acumule el agua pluvial pero que al mismo tiempo permita que el agua refresque el material, con materiales en las paredes que no acumulen calor; que esté levantada y aislada del terreno para permitir la ventilación por la parte inferior de la casa, evitar la transmisión de la humedad y la entrada de animales rastreros; con un corredor alrededor de la casa para lograr áreas sociales aireadas y con sombra, y aberturas grandes ubicadas de tal manera que permitan ventilación cruzada y protegidas con celosías para tamizar y controlar la entrada de luz, la radiación solar excesiva y las corrientes de aire.

j .. I

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Rgura 1

Figura 2

Si intercambiamos los contextos de estas casas, obtendríamos los ejemplos ilustrados en las figuras 3 y 4, de los cuales sólo se mencionan algunos de sus aspectos no apropiados para el contexto.

Figura 3

Figura 4

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La casa de playa en una montaña con nieve requeriría de una estructura especial, probablemente muy costosa, para adaptarla a la pendiente. El material de sus paredes no sería eficiente para proteger los ambientes interiores del clima frío y seco; se acumularía la nieve en el techo y el aire frío se colaría por sus aberturas. La casa alpina, a su vez, en la playa, almacenaría calor en sus paredes y lo mantendría durante la noche, la humedad se trasmitiría del suelo al piso inferior y a toda la casa y, debido a sus ventanas pequeñas, no entraría el aire fresco y se acumularía la humedad en los espacios interiores; los animales rastreros podrían entrar fácilmente, al no estar elevada del suelo. Entonces, de la misma manera que se utiliza la creatividad para diseñar edificios apropiados para un determinado contexto ambiental natural, ¿no sería también importante utilizar tan mencionada creatividad para reducir el número de víctimas humanas y la suma de pérdidas económicas en las ciudades en zonas sísmicas? En las imágenes de la figura 5 se incluyen edificios que fueron reparados y reforzados como consecuencia de los daños ocasionados por los sismos de Caracas en 1967 y Cali en 2004.

Figura S

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Figura 6

Figura 7

FIgura 8

En la figura 6 se incluye un grupo de edificios ubicados en Berkeley, California, que fueron reforzados exteriormente como parte de planes de prevención, y las figuras 7 y 8 muestran detalles de los nuevos componentes exteriores e interiores incorporados a la estructura original de varios edificios en Colombia, México y California.

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¿No resultaría más creativo y económico tener en cuenta los criterios de diseño sismorresistente desde el inicio del proyecto, que tener que reforzar los edificios como medida de prevención con métodos que van a modificar el diseño arquitectónico original, o tener que reparar los daños ocasionados por un sismo y superponer una serie de componentes interiores o exteriores que probablemente modificarán drásticamente el edificio, no sólo estética sino funcionalmente? Así como el movimiento moderno surgió de la inquietud de un grupo de arquitectos y urbanistas para cambiar las condiciones que presentaban las ciudades postindustriales, se plantea entonces en las zonas sísmicas la necesidad de un nuevo movimiento por parte de arquitectos, urbanistas, ingenieros estructurales y otros profesionales que toman decisiones relacionadas con la ciudad y sus edificios, para establecer y aplicar nuevos criterios y normas en el diseño y planificación urbana que permitan reducir la vulnerabilidad y aumentar la resiliencia de esas ciudades. Se debe insistir, además, en que para mitigar el riesgo sísmico en la ciudad contemporánea, no ha sido, ni es, ni será suficiente el hecho de tener normas para el diseño y construcción de edificios sismorresistentes individuales. Sin el desarrollo de una conciencia internacional de divulgación entre arquitectos y urbanistas de los efectos que las configuraciones urbanas y arquitectónicas modernas pueden generar en el aumento de la vulnerabilidad sísmica de las ciudades contemporáneas, se seguirán diseñando y construyendo edificios que siguen este modelo. La preocupación por la mitigación de dicha vulnerabilidad no se centra en los grandes edificios corporativos, imágenes de grandes empresas y organizaciones, que generalmente cuentan con excelentes equipos de profesionales y asesores constituidos por experimentados ingenieros geólogos y sismólogos ingenieriles, geotécnicos, urbanistas, sociólogos, psicólogos, médicos, arquitectos, ingenieros estructurales, de instalaciones, especialistas en la formulación de modelos matemáticos, constructores, inspectores y otros; además de los mejores materiales y equipos de construcción, como los ejemplos que se muestran en la figura 9 de la página siguiente: los edificios del Bank of America y de Transamerica en San Francisco, California, y la torre Mitsui en Tokio. El problema se presenta cuando se toman los patrones formales arquitectónicos y urbanos utilizados en estos edificios corporativos diseñados y construidos en zonas sísmicamente inactivas, para incorporarlos a los

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Figura 9

edificios comunes y corrientes de zonas sísmicas, cuyos patrocinadores y promotores no cuentan ni con el soporte profesional y económico, ni con el mismo apoyo logístico que las grandes empresas y corporaciones. y mucho menos prevén cómo adaptar apropiadamente dichos modelos internacionales a un contexto sísmico exigente. Gran parte del inventario de edificios que existe actualmente en las ciudades contemporáneas está constituido por edificios que se diseñaron, calcularon y construyeron con objetivos claramente especulativos, donde lo más importante ha sido cuánto se va a ganar, sin importar ni la calidad ni la seguridad del edificio, ni el costo de su futuro mantenimiento y reparación de daños si se presenta algún sismo. Otro problema importante que se presenta actualmente en las ciudades se debe a que gran parte de su parque inmobiliario está constituido por edificios donde se aplicaron normas sísmicas y criterios de DESR que estaban vigentes en el momento en que se diseñaron y construyeron, pero que hoy en día están obsoletos. Dichos edificios deben adaptarse y mejorarse de acuerdo con las normas y criterios del estado del conocimiento actual en el DESR. En algunos casos existen edificios que han sufrido aparentes daños menores ante sismos y han sido reparados sin haber sido sometidos a la correspondiente evaluación sísmica por parte de ingenieros especialistas, por lo que es difícil detectar su grado de vulnerabilidad.

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Es por esta razón que, en zonas sísmicas, cuando se proyecta un nuevo edificio o se remodela o mejora estructuralmente uno existente, los diferentes profesionales con responsabilidades de diseño y cálculo de los diferentes componentes tienen que trabajar en equipo desde el inicio del proyecto, y todos deben emplear apropiadamente los conceptos básicos del comportamiento global del edificio para asumir su responsabilidad individual y colectiva, teniendo en cuenta que sus decisiones no son independientes de las de los demás, sino que conjuntamente deben garantizar las medidas de seguridad para que no se produzcan ni víctimas humanas ni pérdidas económicas. Por otra parte, es importante que la formación académica y la práctica profesional tengan en cuenta que, para diseñar y construir edificios en . zonas sísmicamente activas, es indispensable ese trabajo mancomunado entre profesionales, de manera que el arquitecto, como creador y coordinador del proyecto de diseño, desde el mismo momento en que inicia la fase conceptual, entienda de qué manera sus decisiones pueden afectar el comportamiento sismorresistente del edificio y del contexto (medio ambiente construido) que lo rodea. El ingeniero estructural comprenderá que la mayoría de las decisiones no son simples caprichos de los arquitectos o del cliente, sino que responden a razonamientos funcionales, normativos y estéticos. Con la mutua comprensión podrán buscar conjuntamente una solución que permita cumplir con el programa arquitectónico propuesto. Los ingenieros de instalaciones tendrán que idear propuestas que formen parte de la solución global del edificio como un sistema sismorresistente. De este modo se evitaría la típica situación en la que cada profesional toma inicialmente decisiones correspondientes a su especialidad sin tener en cuenta su potencial incidencia sobre el comportamiento sismorresistente, para enviarla a continuación al ingeniero estructural, que muchas veces se ve forzado o bien a proponer revisiones que obligan a la reformulación del proyecto arquitectónico y de instalaciones propuesto, o bien a tratar de plantear soluciones estructurales muy complicadas y arriesgadas para subsanar problemas producidos por concepciones de edificios inadecuadas para el contexto sísmico dado. De igual manera, los urbanistas y administradores de las ciudades deben ser conscientes de que en las zonas sísmicas hay que tener en cuenta la vulnerabilidad de la ciudad; que las normas urbanas deben incluir previsiones sismorresistentes para el diseño y construcción de nuevos edificios, la remodelación, actualización y reforzamiento de los existentes y el

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desarrollo de nuevas áreas urbanas, como también establecer los controles oficiales para hacerlas cumplir. Asimismo, se debe evitar la promoción y obligación del uso de configuraciones no recomendables para este tipo de contexto y para prevenir sorpresas desagradables en caso de sismo. Pero para lograr que lo expuesto hasta aquí llegue realmente a las comunidades y se logre mitigar la vulnerabilidad sísmica de las ciudades, se requiere un cambio de actitud en los profesionales, así como decisión política y social para implantar los mecanismos que garanticen el uso conceptual de los criterios físicos del DESR y el cumplimiento de la normativa sísmica, tanto para el diseño y construcción de edificios nuevos y la actualización de los existentes, como para el control del diseño y desarrollo urbanístico, basándose en las disposiciones derivadas de los avances científicos y técnicos logrados tanto en el ámbito local como en el internacional. El contenido de este libro en gran parte responde a las inquietudes que fueron surgiendo a medida que se fue desarrollando la investigación sobre la evolución e incorporación de las configuraciones irregulares modernas en el diseño de los edificios en particular y de las ciudades contemporáneas en general. Es la esperanza de la autora que este material ayude a entender físicamente, en contraposición a analíticamente, los efectos que pueden producir los sismos en las ciudades y despierte la inquietud en los profesionales que están involucrados en el diseño, construcción y mantenimiento de los edificios, así como en los urbanistas, planificadores y controladores de las ciudades, y se produzca un cambio de actitud en cuanto a los problemas que pueden generarse por sus decisiones cuando no toman en cuenta el estado del conocimiento en el DESR para establecer la normativa urbana, construir nuevos edificios y mejorar los edificios existentes, en ciudades que están en zonas sísmicas.

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De acuerdo con el artículo "El terremoto de Cariaco del 9 de julio de

1997" anteriormente mencionado: "El edificio Miramar presentó un colapso general de la estructura, quedando sólo en pie parte del núcleo de escaleras (hasta el primer piso [de apartamentosj)."31 En la figura 72 se observa lo que quedó en pie: el núcleo de escaleras, el volumen de entrada al área residencial del edificio, parte del muro de la caja de ascensor en los dos primeros pisos y la viga del nivel de mezzanina de la fachada norte. En la figura 73 se incluyen dos fotografías aéreas tomadas días después del sismo, que muestran claramente los efectos producidos por dichas irregularidades: en la imagen superior, se remarcaron las esquinas de los diafragmas para ilustrar la significativa rotación horizontal de éstos en el sentido inverso de las agujas del reloj, debido a la distribución irregular de la rigidez en planta y el vuelco hacia la fachada principal del edificio (oeste) por la falla de las columnas del eje A de los pisos inferiores; y en la fotografía inferior, desde el sureste, la rotación horizontal de los diafragmas alrededor de la esquina rígida del edificio. Con relación a los aspectos vinculados con la irregularidad en la configuración, en el informe oficial del IMME López y Castilla concluyen: De los análisis del edificio aquí efectuados considerando el sismo probable de ocurrencia en el sitio. se encontró que la demanda de solicitaciones excede en más de dos (2) la capacidad resistente disponible en la planta baja. Este valor es ligeramente superior a lo que pudiera admitirse para preservar la integridad del edificio en su di· rección longitudinal. En el proyecto estructural, la estructura no fue diseñada para resistir un sismo en su dirección más larga, ni fue diseñada para resistir la torsión que debió inducirse inicialmente por la presencia de los muros de concreto. Ambos diseños eran requeridos por las normas vigentes para el momento de ejecutado el proyecto estructural. 32

31 Bonilla, R. et al, "El terremoto ... ", ob. cit., pág. 21. 32 López. O. A. y E. Castilla. "Evaluación sismorresistente... ", ob. cit.. págs. 121

y 249.


Figura 72

Agura 73

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Comentario final

Los cuatrócaJítulos antetior~s presentan una intrpducción ~ los resultados dél estudio sobre ;Ia inflLienci~ que las irregularidades de fas configuracio-, . nes arquitectónicas y urban.as púeden'terier en el comportamiento,de los,' edificios dé lasciubades cdntEmmoráheas ante el mó'virrtiento del terren~. En/~steapartaqp se: Cbf1cr$~n''un cohjuhtode ideas r~flexiónes q0e han surgido del ;est6dioide\ Jos t~mas expuestos en 'sus capítulos y con ~s pecto a la urgen~~ necesidéd deI promover decididamente un cambio de actitud en el área ~el diseño planificación de las ciudades en general -y de los edificios en particular- ubicados en zonas sísmicas, y de redirigir esta actitud con eficacia para lograr ciudades más seguras. En el primer capítulo se describe cómo a principios del siglo xx un grupo de arquitectos y urbanistas europeos y estadounidenses se reunieron para luchar contra las condiciones de insalubridad, hacinamiento y deterioro que presentaban las ciudades posindustriales. En aquel momento era necesario inventar una arquitectura y un urbanismo que expresaran el nuevo espíritu y el nacimiento de una era en las ciudades surgidas de la expansión del libre mercado, lo cual implicaba un reto ante las ideas tradicionales sobre estilos, materiales y tecnologías. El desarrollo tecnológico de aquel momento en la industria de la construcción permitió el establecimiento de nuevos patrones urbanos y arquitectónicos que rompieron con los esquemas de la ciudad tradicional y modificaron radicalmente las condiciones existentes, convirtiéndose en la base de los postulados del movimiento moderno. Estos postulados se fueron imponiendo internacionalmente hasta el presente como símbolos de desarrollo y progreso, tanto en las ciudades expuestas a amenazas sísmicas como en las que no lo están. Sin embargo, desde principios del siglo xx, los estudiosos del comportamiento de los edificios ante los movimientos sísmicos fueron observando cómo cada vez que ocurría un sismo se repetía la aparición de daños importantes en los edificios que incorporaban estos patrones. Sin embargo, los estudios fueron quedando restringidos principalmente al ámbito académico de la ingeniería estructural, a algunos sismólogos y geólogos que comenzaron a estudiar el problema y a la aplicación de los conocimientos adquiridos en un número limitado de edificios individuales, concebidos como unidades independientes y no como componentes del sistema urbano. En las mismas normas sísmicas, cuyo objetivo principal ha sido transmitir los conocimientos desarrollados por los investigadores y controlar su aplicación efectiva en el diseño y construcción de los edificios con el

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Arquitectura Moderna en Zonas Sismicas

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