ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE EDIFICIOS CON ENTREPISOS BLANDOS

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1 ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE EDIFICIOS CON ENTREPISOS BLANDOS EDUARDO MIRANDA 1,2 RESUMEN Se presentan los aspectos fundamentales del problema estructural conocido comúnmente como entrepiso blando. Se muestra que, a diferencia de la creencia generalizada de que este es un problema de falta de rigidez lateral en uno de los entrepisos, esta deficiencia estructural combina problemas tanto de rigidez y resistencia lateral como de inestabilidad lateral dinámica. Este último aspecto representa un problema complejo, el cual es muy difícil de capturar con base a métodos de análisis lineales estáticos equivalentes. En particular, se muestra que los métodos simplificados que se recomiendan en los reglamentos de construcción y los métodos de análisis que se utilizan en la práctica profesional en el diseño de edificios no permiten identificar la gravedad de esta deficiencia estructural y en muchos casos tampoco conducen a diseños que permiten aminorar sus efectos bajo solicitaciones sísmicas. Se presentan modelos dinámicos simplificados tanto lineales como no lineales que permiten capturar los aspectos principales del problema. Finalmente se presentan algunas recomendaciones generales para minimizar los efectos de este problema. INTRODUCCION El objetivo de este trabajo es ofrecer un panorama general de un problema de estructuración que comúnmente se conoce como entrepiso blando, el cual puede resultar critico y llevar a un edificio a tener un derrumbe (colapso) si la estructura es sometida a movimientos sísmicos. En forma sencilla este problema puede describirse como uno en el que un entrepiso posee una rigidez y resistencia lateral que es significativamente menor a la de los otros entrepisos de un edificio. El entrepiso con menor rigidez y resistencia lateral, que comúnmente se le denomina entrepiso blando por lo general se presenta en la planta baja del edificio, sin embargo puede presentarse en cualquier otro entrepiso. Cuando el entrepiso blando se presenta en la planta baja, este problema se le conoce también como planta baja blanda. Por lo general este problema tiene su origen en razones de tipo arquitectónico en edificios donde existe la necesidad de eliminar muros de concreto o de mampostería en un edificio en uno de los 1 Dept. of Civil and Environmental Engineering, Stanford University, California. 2 ERN Ingenieros Consultores, S.C., México, D.F.

2 entrepisos con la finalidad de tener espacios abiertos para comercio, estacionamiento, lobby, o algún otro uso que requiera de áreas abiertas grandes. El problema se presenta tanto en estructuras nuevas en las que la estructura se construyó sin muros en uno de los entrepisos, como en casos en donde los muros fueron eliminados en uno de los entrepisos en edificios existentes. El problema puede presentarse en solo una dirección del edificio o bien en ambas. Como se menciona más adelante, el problema es complejo y requiere de un buen conocimiento por parte del ingeniero estructural, pues puede presentarse aun en estructuras en las que inicialmente no existía el entrepiso blando, pero que fue creado durante el sismo a raíz de la falla de muros en uno de los entrepisos. En estos casos, el entrepiso blando puede generarse tanto en una dirección como en ambas direcciones del edificio. En nuestro país esta deficiencia estructural suele presentarse con mayor frecuencia en estructuras de mampostería, pero puede presentarse también en estructuras a base de marcos de concreto o de acero con muros de relleno de mampostería. Si bien este problema ha sido identificado desde hace muchos años como una deficiencia estructural importante y que en muchos casos ha sido identificada como la causa principal del derrumbe en muchos edificios, en opinión del autor, es un problema al que no se le presta suficiente atención en el proceso de enseñanza del análisis y diseño estructural, ni en libros de texto especializados en análisis y diseño estructural o de diseño sísmico. En particular, aunque si bien la mayoría de los ingenieros están conscientes de que esta en una deficiencia estructural, muchos no tienen un conocimiento adecuado de la gravedad del problema. La figura 1 muestra conceptualmente en que consiste el problema y cuál es el modo de falla típico, pero es importante también conocer como se inicia la falla y las posibles variantes en la iniciación de la falla. En particular es importante conocer el nivel de desplazamientos laterales en los que se inician los diferentes modos de falla. Este ejemplo conceptual ilustra el caso de una vivienda de cinco niveles de mampostería en que el entrepiso blando se encuentra en la planta baja, pero como se menciono anteriormente el entrepiso blando no siempre se presenta en la planta baja. Figura 1. Modo de falla de un edificio con entrepiso blando en planta baja.

3 Figura 2. Ejemplos de entrepisos blandos en edificios de vivienda en México (Fotos cortesía del M. en Ing. Raúl Jean P.). A continuación se presentan una serie de fotografías que intentan ilustrar los siguientes aspectos: (1) configuración general del problema; (2) ejemplos de inicio de falla por flexocompresión; (3) ejemplos de inicio de falla por cortante en columnas; (4) ejemplos de formación de entrepiso blando provocado por la falla de muros de mampostería; (5) ejemplos de derrumbe provocados por entrepisos blandos. En la figura 2 se muestran dos ejemplos de entrepisos blandos en construcciones de vivienda de mampostería en nuestro país. En este caso el entrepiso blando es creado por el estacionamiento de vehículos localizado en la planta baja del edificio. Otros ejemplos se presentan en las figuras 3, 4 y 5. En la figura 6 se presentan ejemplos de falla de flexocompresión en elementos de concreto reforzado (principalmente columnas) de planta baja blanda. Estas fotografías ilustran que la falla se inicia por agrietamientos de flexión y/o aplastamiento del concreto de compresión. El daño suele concentrarse en el entrepiso blando debido a que en este se concentra la mayor parte de la deformación lateral que el sismo impone en la estructura. La deformación lateral en el entrepiso a su vez provoca importantes demandas de rotación en los extremos de las columnas o vigas. En la mayoría de los casos que se presentan en esta figura además del problema de entrepiso blando también se presenta un problema de trabe fuerte columna débil que provoca que las columnas alcances su capacidad a flexocompresión antes de que las trabes alcancen su capacidad. Si el detallado de la columna (anclaje de refuerzo longitudinal, refuerzo transversal por corte y de confinamiento) no es adecuado, la capacidad de rotación puede ser muy limitada que puede llevar a perder capacidad de carga lateral rápidamente al incrementarse la deformación lateral en el entrepiso. Cuando el detallado es inadecuado, la perdida de capacidad a flexión suele estar acompañada también de la perdida de capacidad de carga vertical, en la que si no existe posibilidad de redistribuirla a otros elementos, se produce el derrumbe del edificio. En nivel de deformación lateral en el que se inicia este modo de falla de flexocompresión depende principalmente de la longitud de la columna, las dimensiones transversales de la columna y del esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo. Es importante estar consciente de que esta deformación lateral en la cual se inicia este agrietamiento de flexión o aplastamiento del concreto de compresión es prácticamente es independiente de la cantidad de refuerzo longitudinal o transversal y en gran medida

4 Figura 3. Ejemplos de edificios con entrepisos blandos Gujarat, India (Fotos de E. Miranda).

7 Figura 6. Ejemplos de articulaciones plásticas en columnas de planta baja en edificios con entrepisos blandos en el sismo de Gujarat, India, 2001(Fotos de E. Miranda).

8 es también independiente de la resistencia a compresión del concreto. Para alturas de entrepiso del orden de 250 cm, la deformación lateral de entrepiso que provoca el daño que se observa en las fotografías de la figura 3 oscila tan solo entre 1.5 y 3.0 cm. Sin embargo, si se utilizan columnas muy esbeltas en una dirección, como suele ocurrir en estacionamientos donde la relación entre la dimensión larga a corta de columnas excede de dos o tres, entonces la deformación lateral que inicia la falla disminuye y puede ser tan pequeña como 1.0 cm. Observación detallada de daño por sísmico en eventos anteriores muestra que las deficiencias estructurales desafortunadamente no se presentan en forma aislada en una estructura, sino que se presentan muchas deficiencias simultáneamente. En el caso de entrepisos blandos el modo de iniciación de falla del entrepiso más común no es el que se muestra en las fotografías de la figura 6, sino fallas por corte como las que se muestran en las figuras 7 y 8. Es importante resaltar que si bien este modo de falla se presenta por un nivel inadecuado de resistencia a cortante, este modo de falla se presenta más bien por una resistencia a corte que es pequeña en relación a la demanda de corte que provocaría que los extremos de la columna alcancen su resistencia a la flexocompresión. O sea es un problema de relación de resistencias de modos de falla por corte y flexión que un problema de resistencia de corte. Por lo general este modo de falla es muy frágil y provoca casi instantáneamente una gran perdida de resistencia lateral. Investigaciones recientes (Elwood y Moehle, 2004; Aslani y Miranda, 2005) muestran que el nivel de deformación lateral al que se presenta la falla depende de los siguientes factores: (a) área transversal de la columna; (b) resistencia a la compresión del concreto; (c) nivel de carga axial en la columna; y (d) cuantía de refuerzo transversal. Para dimensiones de columnas comúnmente utilizadas en México estas deformaciones laterales podrían ser tan pequeñas como 2 o 3 cm. En casos en los que la cuantía de refuerzo lateral es insuficiente o inadecuada (con cantidad adecuado pero con anclaje inadecuado) la falla por corte suele estar acompañada o seguida con una pequeña deformación lateral adicional de la perdida de capacidad de carga vertical, que como se mencionó anteriormente, si no existe capacidad de redistribución a otros elementos en el entrepiso, llevan al derrumbe parcial o total del entrepiso. Como se menciono anteriormente, el problema de entrepisos blandos es complejo, ya que aun si existen muros en todos los entrepisos, eso no evita el que se pueda provocar un entrepiso blando. Las figuras 9, 10 y 11 muestran ejemplos de danos en muros de planta baja que provocan entrepisos blandos. Las figuras 12 y 13 muestran ejemplos de derrumbes provocados por entrepisos blandos. Estas fallas en muchos casos son fallas cuyo inicio existió en el proyecto arquitectónico y presiones de los desarrolladores del proyecto, pero que finalmente se produjeron por el desconocimiento del ingeniero estructural sobre la gravedad de este problema. Si bien estos ejemplos son de una región de la India donde la calidad de la construcción deja mucho que desear, este tipo de fallas con consecuencias semejantes se han presentado con frecuencia en México y en muchos otros países (e.g., Estados Unidos, Japón, Turquía, Italia, Grecia, Algeria, China, etc.).

9 Figura 7. Ejemplos de fallas por corte en columnas de planta baja de edificios con entrepisos blandos en el sismo de Gujarat, India, 2001(Fotos de E. Miranda).

10 Figura 8. Ejemplos de fallas por corte en elementos de concreto reforzado de en la planta baja de edificios con entrepisos blandos en el sismo de Gujarat, India, 2001(Fotos de E. Miranda).

11 Figura 9. Ejemplos de fallas por corte en muros de mampostería planta baja en edificios dañados a raíz del sismo de Gujarat, India, 2001(Fotos de E. Miranda).

12 Figura 10. Ejemplos de fallas por corte en muros de mampostería planta baja de edificios dañados a raíz del sismo de Gujarat, India, 2001(Fotos de E. Miranda).

13 Figura 11. Ejemplos de fallas por corte en muros de mampostería planta baja de edificios dañados a raíz del sismo de Gujarat, India, 2001(Fotos de E. Miranda). Figura 12. Ejemplos de derrumbes en edificios con entrepisos blandos en el sismo de Gujarat, India, 2001 (Fotos de E. Miranda).

14 Figura 13. Ejemplos de derrumbes en edificios con entrepisos blandos en el sismo de Gujarat, India, 2001 (Fotos de E. Miranda).