COLUMNA FUERTE VIGA DBIL
En las estructuras que poseen sistemas aporticados es un
requisito indispensable en cualquier norma de diseo que los
miembros sometidos a flexin (vigas) fallen antes de que lo hagan
los miembros sometidos a flexo-compresin (columnas).Figura 1 _
Presencia de articulaciones plsticas en vigas.Este requerimiento se
debe a que de esta forma se puede disipar energa y retrasar el
colapso de la estructura, ya que a diferencia de las columnas, la
falla de las vigas no conlleva al colapso total de la
estructura.Por esta razn, no se recomienda el uso de vigas de gran
altura sobre columnas esbeltas, ya que podran producir un colapso
repentino de las columnas y por ende de la estructura. En la figura
2 se aprecia una columna esbelta conectada a una viga de gran
altura.
Figura 2 _ Detalle en Edif. de la Facultad de Arquitectura de la
Universidad de Los Andes, Mrida, Venezuela.
En la arquitectura venezolana es muy comn que se diseen
jardineras en las fachadas de las edificaciones. Muy a menudo estas
jardineras son construidas unidas a las columnas, esto adems de
generar un posible efecto de columna corta, tambin ocasiona que las
vigas trabajen como si fuesen de gran altura, lo que hace que un
gran porcentaje de las solicitaciones ssmicas que tiene que
resistir la estructura se concentre en estas vigas, pudiendo crear
la condicin de viga fuerte/columna dbil, por lo que en vez de
generarse las articulaciones plsticas en las vigas, terminan
formndose en la columnas.Figura 3 _ Jardinera en fachada genera una
viga de gran altura. Caracas, Venezuela.
En la figura 4 se puede apreciar como fallaron los elementos
verticales con poca rigidez en una direccin y se aprecia como el
elemento horizontal est intacto. En la figura 5 se puede ver como
se formaron las articulaciones plsticas en el nodo del
prtico.Figura 4 _ Edificio luego del terremoto de Concepcin, Chile.
2010.
Figura 5 _ Presencia de articulaciones plsticas en las uniones
de los elementos.
El concreto y los terremotos
Algunos aspectos que contribuyen de manera importante en el
desempeo estructural de las edificaciones ante acciones ssmicas son
los cambios bruscos de rigidez, resistencia y masa, la redundancia
estructural, as como el material y el despiece de las armaduras al
interior de los elementos estructurales.
En cuanto a los cambios bruscos de rigidez, resistencia y masa,
podemos decir, en primera instancia, que los edificios que van
teniendo secciones de columnas ms pequeas conforme va adquiriendo
una mayor elevacin el edificio pueden generar un efecto de
amplificacin de los movimientos que en algunos casos hacen colapsar
los pisos superiores. En este caso, debido al cambio de rigidez,
los pisos superiores se comportan como un oscilador resonante; es
decir, como un edificio sobre otro edificio que lo excita mucho ms
de lo que lo hara el movimiento aislado en la base. Este fenmeno se
ha visto normalmente en edificios que cuentan con tanques o masas
elevadas; durante movimientos fuertes, estos elementos salen
despedidos y caen hasta la calle o sobre otro edificio como
resultado de la accin de estos fuertes movimientos amplificados que
adems daan al propio edificio.
El componente vertical de los sismos genera un incremento
apre-ciable en las cargas verticales que deben soportar los
elementos es-tructurales. Cuando se incrementa la carga axial en
los elementos por-tantes, la rigidez de los elementos sufre una
reduccin proporcional a la sobrecarga impuesta. El fenmeno descrito
se llama no linealidad geomtrica y su problema mayor radica en que
debilita progresi-vamente la edificacin por medio de la reduccin de
los parmetros de rigidez. Desafortunadamente este tipo de
consideraciones po-cas veces son tomadas en cuenta por los
ingenieros calculistas al momento del diseo, por lo que resulta
complicado reconocer la participacin de este fenmeno en el colapso
de muchas estructuras. Lo que s se reconoce actualmente son
edificaciones extraordinariamente cargadas, destinadas a un uso
diferente al inicialmente considerado en el proceso de diseo
estructural.
Redundancia estructural
Un edificio alto que tenga un pequeo nmero de ejes de columnas
puede ser muy redundante y, sin embargo, conformar una
estructuracin inconveniente. La redundancia debe entenderse en este
caso como la conformada por un razonable nmero de columnas o muros
(o cualquier otro elemento ligado directamente a la cimentacin) en
cada eje. Lo ms recomendable sera que el nmero mnimo fuera igual o
mayor que tres elementos por eje. De manera intuitiva se puede
apreciar que un edificio con tres ejes de columnas puede mantenerse
en pie ms fcilmente que uno con slo dos ejes, a pesar de que un
sismo intenso le haya producido graves daos estructurales. Es una
simple cuestin de equilibrio, que resulta ms facil sobre tres o ms
apoyos que sobre dos (Ver Foto 1).
Muros de concreto
Otro aspecto que interviene en la integralidad del diseo
estructural, desde el punto de vista de la es-tructuracin, guarda
una relacin directa con el sistema de cimentacin y su incidencia en
la absorcin y disipacin de la energa que impone un sismo. Los
edificios altos con enormes muros de concreto se construyen en
ciudades sobre suelos bastante blandos que pueden no garantizar la
estabilidad global al volteo debido a la ausencia de la suficiente
capacidad de friccin negativa de los pilotes, que no llevan
refuerzo en toda su longitud de desarrollo.
Los muros estructurales deben ensamblarse apropiadamente con los
elementos horizontales, de lo contrario se presenta la situacin de
muy baja eficiencia, en la cual el muro tiende a funcionar
independiente y a concentrar sobre s mismo de manera inapropiada,
las cargas inerciales horizontales. Si esto se origina en una
condicin explcita de diseo, porque no queda alternativa, el
diseador debe atacar el problema de cimentacin plenamente
consciente de la situacin a la cual ha llegado; sin embargo, si se
presenta el funcionamiento semi independiente del muro de manera
inconsciente por una mala estructuracin, toda la concepcin del
ingeniero estructural puede resultar falseada y como consecuencia,
se puede llegar a una edificacin peligrosa en su estabilidad global
y a menudo poco funcional.
Columna corta
Es comn que debido a la presencia de muros de ladrillo de
relleno parcial entre las columnas que cubren verticalmente el
espacio desde el piso hasta el umbral de una ventana se genere el
efecto no deseado conocido como Columnas cortas. stas han producido
en muchos casos daos severos e incluso colapsos. Dicho efecto
provoca que falle la columna en forma frgil al ser sometida a
esfuerzos cortantes excesivos que generados por estar impedida su
deformacin hasta la altura de los ladrillos (Ver Foto 2).
La columna corta es uno de los defectos de estructuracin
encontrado con mayor frecuencia en las reas de gran destruccin
despus de un sismo intenso. Resulta preocupante que en los
edificios escolares para la educacin de la niez y la juventud, las
columnas cortas abundan por las necesidades de iluminacin y
ventilacin. Todo se origina por desorganizacin existente acerca de
quin lleva la responsabilidad del diseo de los elementos no
estructurales dado que una persona disea la estructura sin muros y
otra decide donde van los muros. Asimismo, las entidades de
planeacin que aprueban licencias de construccin, slo observan que
cumplan la distorsin de entrepiso, ya que las columnas cortas no
estn taxativamente prohibidas. Si la responsabilidad de distribucin
de los muros recae sobre el diseador estructural, es casi seguro
que en nuevas construcciones se reducir el problema de las columnas
cortas. La recomendacin que se deriva de las consideraciones
expuestas es que las columnas cortas deben evitarse en toda
construccin.
Materiales, despiece y armadura
El mal vibrado del concreto por falta de control cuando se
funden las secciones en las obras, as como las malas condiciones de
colocacin que en muchas ocasiones generan secciones de concreto con
oquedades u hormigueros que hacen reducir el rea neta de las
columnas o vigas, son un fuerte pro-blema actual. Las cimbras en
mal estado que generan secciones de geometra defectuosa y que no
corresponden a las planteadas en los diseos originales, con
espesores de recubrimiento exagerados, hacen trizas el buen
comportamiento de cualquier seccin diseada con otras dimensiones
(Ver Foto 3).
Por otro lado, el acero de refuerzo debe colocarse de manera
generosa, sobre todo en lo que concierne a estribos, ganchos o
flejes. Estos son los que confinan el concreto y garantizan la
integridad, para que en los muchos ciclos de carga y descarga el
concreto no se muela, destroce y fracture, convirtidose en piedras
que se escapan progresivamente y hacen deshacer la seccin portante.
Cabe decir que entre mayor nmero de estribos y entre ms cercanos se
coloquen entre s, mayor integridad se brindar a la estructura a
partir de sus nudos que se pueden denominar los elementos claves de
mantener. No obstante, el nmero de estribos debe llegar a un lmite
prctico que permita el fluir correcto del concreto fresco a travs
de los pequeos huecos, y la seccin quede sin oquedades u
hormigueros, o que no se requiera de concretos muy fluidos que
exigen agregados pequeos y aditivos especiales con el consecuente
incremento del precio del material (Ver Foto 4).
El acero no debe colocarse de ms, si acaso llegar a sobrar ya
que los principios de diseo se basan en fallas balanceadas que
equilibran las fuerzas resistentes del concreto en compresin con
las del acero en tensin. De esta manera, colocar ms acero en una
seccin con insuficiente concreto que lo soporte conlleva perder
dinero. Es aqu donde el criterio de los ingenieros diseadores debe
hacer uso mximo del concepto de eficiencia para garantizar el acero
repartido de manera generosa pero til, y garantizando su trabajo en
el momento que se le requiera, con un balance econmico que permita
construir en sitios con frecuentes temblores y con precios
adaptables a las economas de pases emergentes como los
latinoamericanos.
Columna fuerte, viga dbil
La resistencia y rigidez global de una edificacin es resultado
de la contribucin de los elementos que la componen y que siguen un
comportamiento similar. Lo que muestra el comportamiento de los
elementos individuales es que cuando se alcanza la resistencia del
elemento, se pierde apreciablemente la rigidez del mismo por el
agrietamiento. Obviamente esto no ocurre simultneamente en todos
los elementos que componen una edificacin; sino ms bien, se inicia
en los elementos que presentan la primera defensa estructural;
cuando stos han alcanzado su resistencia, empiezan a redistribuir
los esfuerzos que ya no pueden resistir a sus vecinos. Lo anterior
degenera en que la prdida de la rigidez global se va haciendo de
forma gradual, conforme ms elementos han alcanzado su resistencia.
Todo lo anterior se logra, siempre y cuando la edificacin se haya
diseado correctamente mediante el uso del criterio, la experiencia,
el buen juicio y, el conocimiento explcito de las variables que
componen el diseo (Ver Foto 5).
La bsqueda del diseo sismorresistente de edificaciones se ha
enfocado en que el fenmeno se concentre en primera instancia en las
vigas; si son las de pisos superiores, mejor an. Las columnas
importantes de soporte de la edificacin, en los pisos bajos, deben
ser las ltimas en llegar a esta prdida de rigidez, porque en ese
momento se pone en riesgo la estabilidad global de la
edificacin.
El hecho de que todos los elementos vayan fallando
progresivamente como fusibles, genera que la energa inducida
inercialmente desde la base se vaya disipando gradualmente de la
mejor forma a lo largo del mayor nmero de elementos posibles, en el
mayor nmero de ciclos posible tambin. Se considera que este efecto
gradual de falla de elemento por elemento, es la mejor defensa ante
un evento de larga duracin con gran nmero de ciclos.
Colofn
Mucho de lo comentado est basado en dos aspectos fundamentales
que aunque diferentes convergen en lo mismo. El primero es pensar
que algo que cumple la norma en clculos y diseos, ser seguro cuando
se construya sin tener control de obra; el segundo es pensar que la
frontera del conocimiento la representa la norma, plantendola como
la nica fuente de consulta y cumplimiento. Esto se est haciendo de
forma sistemtica en universidades y despachos de consulta que, en
algunos casos, procrean diseos de edificios que cumplen normas,
pero son inseguros.
