Materiales de reciclaje para explicar conceptos de importancia en la ingeniería sismorresistente. Parte 01

Contento de traerles esta interesante serie temática, donde en palabras sencillas y aprovechando materiales que muchas veces desechamos, estaré abordando conceptos de importancia en el campo de la ingeniería sismorresistente, razón por la cual esta publicación va más a allá de lectores especialistas en la materia como Ingenieros Civiles, sino que va al público que le despierte esa curiosidad de saber cómo se comportan las estructuras ante un sismo, un fenómeno natural que viene a materializar la liberación de tensiones que se producen en las profundidades del planeta, y no estamos exento de ello puesto nuestra corteza terrestre está en continuo movimiento, obviamente hay zonas que sísmicamente son más activas que otras, pero nunca está demás conocer aspectos de importancia de la ingeniería sismorresistente, que nos ayudarán a entender el comportamiento de las estructuras ante sismos. En esta ocasión esteremos revisando los conceptos de: pórticos, diafragma rígido, criterio de columna fuerte – viga débil, teoría de elasticidad y falla frágil por corte. Espero esta publicación sea de total agrado para todos los amantes de la ciencia, especialmente los que hacemos vida en la comunidad de StemSocial y en la subcomunidad de Stem-Espanol de la cual tengo el honor de ser colaborador del área de Ingeniería.

Estos conceptos que abordaremos, te darán una mayor comprensión de las estructuras en la que te encuentras desde un enfoque sismorresistente. Es así como en un sistema estructural de pórticos, las vigas y columnas son los elementos estructurales encargados de soportas las diversas cargas a la que la estructura sea sometida, estas cargas son por ejemplo las provenientes del peso propio de las estructuras, del uso que las personas le dan a la misma, y de acciones accidentales como por ejemplo las provenientes de un sismo.

En la imagen los elementos verticales se denominan columnas y vienen hacer las veces de los pies de la estructura. Por otro lado los elementos horizontales se denominan vigas. A pesar de que cada elemento cumple su función, la misma no la hacen de forma aislada, se busca en la medida de lo posible que la estructura se comporte como un solo elemento, y es allí donde entra el concepto de “Diafragma Rígido” asociado este a la losa o en términos mas simples al techo de la edificación, el cual desde el punto de vista constructivo debe de ser vaciado monolíticamente con el sistema de pórticos, es decir, vigas y columnas.

En ese sentido, podemos tener lozas macizas, losas nervadas, indistintamente el caso estos elementos en términos de la dinámica estructura son los que representan la variable Masa de las mismas, mientras que las columnas son las encargadas del aporte de la rigidez, es decir, son elementos tan pequeños en relación a este último que su masa se considera despreciable. En ese sentido la losa que ha de comportarte como un diafragma rígido viene a compatibilizar los desplazamientos entre vigas y columnas, es decir, que todo se comporte como una unidad. De allí a que las normas sísmicas no estén muy de acuerdo con los sistemas de losas pre-fabricados, puesto que los mismos no garantizan esa compatibilización de desplazamientos. ¿Y a qué me refiero con esto? Veamos la siguiente imagen:

Una estructura sismorresistente no simplemente se proyecta para que soporte las cargas permanente (peso propio de los elementos) o las que vienen del uso que se les da, es necesario que estén preparadas ante los sismos, cuya excitación en muchos casos viene a provocar desplazamientos laterales de importancia, en el caso particular de la imagen expuesta apreciamos un sistema de un grado libertad dinámico y un grado de libertad estático, es decir, las columnas se idealizan como elementos que no sufren ni acortamientos ni alargamientos, y las vigas como elementos infinitamente rígidos, condicionando la estructura a que responda de esta manera ante la excitación sísmica, es decir, con un solo grado de libertad que permite este desplazamiento lateral. Obviamente en la realidad las estructuras tienen múltiples grados de libertad dinámicos y estáticos, pero se muestran estos casos sencillos con la intención de que comprendas estos conceptos de la dinámica estructural, asociados a los grados de libertad, este tema lo estaré profundizando en una próxima publicación. El punto es que un diafragma rígido permitirá que los desplazamientos ocurran de esta manera.

Por otro lado en un sistema de pórticos existe un criterio que resalta mucho, y es del la Columna Fuerte y Viga Débil, en la imagen se muestra como los elementos verticales (columnas) son mas robustos que las vigas, y la razón de esto es que las columnas son los pies de la estructura. La viga puede fallar ante el sismo, y la estructura seguirá de pie, con ciertos daños pero de pie, dándole tiempo a las personas de poder salir de la misma ante un sismo de gran intensidad. Pero si una columna falla, los daños son catastróficos, y eso es precisamente lo que busca este criterio, evitar que estos elementos estructurales fallen, y si esto ocurre que sean los últimos. Como proyectista de estructuras sismorresistentes, estas se proyectan pensando que van a fallar, pero que su mecanismo de falla sea de tipo dúctil, es decir, un deterioro progresivo de los elementos estructurales vigas como respuesta a la disipación de la energía transmitida por el sismo a la estructura. Y en el último de los casos que fallen las columnas. En torno a estas ideas y ya para cerrar con el abordaje didáctico de todos estos conceptos, quiero que veas lo que es un comportamiento elástico de un elemento estructural, por ejemplo de una columna:

Dentro del campo de la teoría de elasticidad, se tiene que un material elástico es aquel cuyos desplazamientos obtenidos son directamente proporcionales a la carga aplicada, y al ser descargado recupera su forma original. Una situación que intento describir con las imágenes anteriormente presentadas. Digamos que esto sería lo ideal, es decir, que nuestras estructuras ante la excitación sísmica respondan con desplazamientos, pero después de pasar el sismo volvieran a su posición inicial sin ningún tipo de daño. El punto es que diseñar una estructura para que se comporte elásticamente puede resultar altamente costosa, y una de las cosas que caracteriza a un ingeniero proyectista es que debe buscar economía en los proyectos, por supuesto sin dejar de lado la resistencia. Y es allí es donde se acepta que las estructuras fallen pero de forma dúctil, alejando en este sentido a la estructura de cualquier mecanismo de falla frágil.

Y esto no lo deseamos, y si llega ocurrir es muestra de que la estructura no se calculó correctamente, o su proceso constructivo fue tan deficiente que no se cumplió con lo estándares mínimos que las normativas sismorresistentes exigen, por ejemplo, en el caso de elementos estructurales de concreto armado, se descuidó lo relativo al espaciamiento del acero transversal, lo que trae como consecuencia ante excitaciones sísmicas fallas por corte de tipo frágil, ilustradas didácticamente en la imagen anterior.

Conclusiones

Cada uno de los conceptos explicados de forma didáctica son muy importantes en la proyección de las estructuras, enfocándonos en esta ocasión en los sistemas estructurales con pórticos. Me complace educar más allá de los muros del aula con estos temas que realmente me apasionan, espero estar trayendo más publicaciones para la comunidad con este mismo estilo. Si tienen alguna duda, permíteme saber en la sección de los comentarios. Nos leemos en una próxima oportunidad. Escribió para ustedes:

@eliaschess333

Notas de Interés

Todas las fotografías son propiedad del autor de esta publicación, las cuales fueron capturadas con la ayuda de mi esposa @normacanaza
El equipo usado para la toma de las diferente fotografías fue mi celular Redmi Note -11Pro

Referencias bilbliográficas

Introducción a la Sismología. Fundamentos de la Ingeniería Sísmta. Parte I. Autor: Franz Sauter. Editorial Tecnológica de Costa Rica, 1989
Dinámica de Estructuras. Cuarta Edición. Autor: Anil K. Chopra. Pearson Educación, México, 2014

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