CRITERIOS DE USO DE ESRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO EN EDIFICIOS ALTOS (III)

Las Estructuras reticuladas, cuando son sometidas a cargas laterales, se deforman en modo cortante (Figura 2.4.a). Las estructuras de pared se deforman en modo flexionante (Figura
2.4.b), cuando las deformaciones debidas al esfuerzo de corte se tornan relevante comparativamente con las deformaciones de momento flector, estas deformaciones de esfuerzo de corte referidas a las distorsiones en elementos infinitesimales a lo largo del elemento estructural, provocan el encorvamiento de las secciones transversales de este elemento. En el caso de las estructuras mixtas, se tiene una interacción entre los dos tipos de deformaciones anteriores, esquematizados en la Figura 2.4.c, se observa en este ultimo caso, que la parte inferior de la edificación, la parte reticulada se apoya en la columnapared y en la parte superior se tiene la situación opuesta.
En el caso de estructuras no simétricas, las cargas laterales del viento o sismo provocan torsión en el edificio, el puede tener carácter muy importante. Esto ocurre principalmente
cuando existe un núcleo vertical fuera de las condiciones de simetría como se muestra en la figura:

CRITERIOS DE USO DE ESRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO EN EDIFICIOS ALTOS (II)

De forma resumida, las estructuras de edificios se pueden clasificar en:
a) Estructuras Reticuladas (Figura 2.2.a). Constituidas de un gran numero de columnas unidas por vigas, losas y elementos verticales de separación (paredes).
b) Estructuras de Pared (Figura 2.2.d, 2.2.e). Formados de elementos verticales de superficie unidos por losas y vigas eventuales, elementos de separación (paredes).
c) Estructuras Mixtas (Figura 2.2.b, 2.2.c). Resultado de la asociación de los dos tipos anteriores.
Un caso particular son los edificios prefabricados, en su mayor parte constituidos por paneles horizontales y verticales. Estos paneles están unidos por juntas de comportamiento muy variable, aunque tales estructuras pueden en principio encuadrarse en el tipo “b” anteriormente definido (estructuras de pared), la continuidad garantizada por las juntas exige en cada caso un estudio del tipo de esfuerzo transmitido entre paneles. Por esta razón tales edificios están fuera del presente estudio

CRITERIOS DE USO DE ESRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO EN EDIFICIOS ALTOS (I)

La Figura 2.2 relaciona, según Khan, el número de pisos con 2.70 a 3.00 metros de altura por piso con el tipo de estructura más adecuada:

CRITERIOS DE USO DE ESRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO EN EDIFICIOS ALTOS (I)

Tradicionalmente los edificios de gran altura eran metálicos, actualmente el concepto ha cambiado principalmente por el avance tecnológico del concreto armado, ya que el edificio mas alto en la actualidad, nos referimos al edificio Taipei 101en Taipei Taiwán (Figura 2.1), tiene una altura de 509m. (101 pisos año 2004), utilizando diversos materiales en su construcción. En estructuras off shore en Noruega se llega a 1500 kg/cm² de resistencia del concreto.

El tipo de estructura más adecuado varía en función de la altura del edificio. Khan considera que es posible escoger en cada caso un tipo de estructura para el cual sean siempre las condicionantes los esfuerzos debido a las solicitaciones verticales. Lo que significa que la consideración de la acción del viento tiene pequeña incidencia en el
costo de la estructura.

EDIFICIOS ALTOS

En la actualidad predominan en nuestro medio los edificios altos de concreto armado, los cuales se caracterizan por un comportamiento estructural conjunto, de sus diversos elementos contribuyentes, los cuales son: vigas, soportes, losas, cajas de elevador, muros de cortante, resistentes a esfuerzos laterales como viento, sismo, etc.
El proyecto estructural de tales edificaciones queda condicionado a imposiciones de orden urbanístico, arquitectónico, económico y de seguridad, aparte de otros factores como funcionalidad y confort humano. Estas imposiciones son en la mayor parte de las veces conflictivas entre si, siendo que un proyecto estructural seguro facilitara a tomar decisiones en otras áreas que no son de seguridad estructural.
Para una determinada forma y altura de edificación, por ejemplo un mayor número de pisos, nos puede conducir a envigamientos de pequeña altura o losas sin vigas, lo que exige un análisis de esfuerzos más precisos.
Un análisis “preciso” no es simple de ser efectuado, grandes vanos libres y edificios elevados imponen u obligan a adoptar columnas, pared o núcleos verticales resistentes, estos elementos no son fáciles de ser idealizados, estructuras muy esbeltas pueden permitir bajo la acción del viento, grandes oscilaciones en la punta, afectando el confort humano y exigiendo un estudio cuidadoso para que esto sea evitado. Muchos otros aspectos podrían ser enumerados, pero podríamos concluir de la necesidad de un análisis estructural bien elaborado.
Dada la importancia creciente del modelo tridimensional, se describirán resumidamente los aspectos teóricos en los que están basados, sin pretender abordar todos los aspectos de análisis estructural de edificios altos, pero mostrando que en la actualidad, con las herramientas computacionales, es posible un eficiente análisis de esfuerzos utilizando la concepción tridimensional.

Modos y Periodos Naturales de Vibrar.

Se debe obtener un número de modos naturales de vibrar suficientes para lograr un adecuado análisis dinámico (sismo), se recomienda utilizar una cantidad de modos tal quela suma de la masas asociadas a cada uno de ellos llegue a por lo menos el 90% de la masa total de la estructura en cada dirección de análisis (“X” y “Y”).
No se requiere conocer modos de vibrar en la dirección “Z”, ya que se estima que los sismos se presentaran a varios kilómetros de distancia de la estructura, por lo que el movimiento; será fundamentalmente horizontal.
Se recomienda Utilizar el método de “RITZ” (Load Dependent Ritz Vectors), que para análisis sísmico es el mas adecuado, ya que genera modos de vibrar en las direcciones de análisis, que son las horizontales “X” y “Y”.
Para mayor información revisar:
- Wilson E.L. three Dimensional Dynamic Analysis of structures, Computers And Structures, Inc. 1997.
- Wilson E.L. Yuan M. y Dickens J., Dynamic Analysis by Direct Superposition of Ritz Vectors, Earthquake Engineering And Structural Dynamics. 1982.

Usualmente se consigue llegar al 90% de la masa total en cada dirección de análisis “X” y “Y” utilizando unos 12 o 24 modos obtenidos por el método de Ritz. Los vectores de Ritz al ser dependientes de la “Carga” o acción que les da origen, genera modos de vibrar justamente asociados a las direcciones de esas “acciones”, por lo que se recomienda utilizar como “acciones” generadoras las aceleraciones “X” y “Y”.
Se puede Utilizar el método “exacto” de encontrar los valores y vectores característicos (EIGEN) pero se tiene la desventaja deque usualmente se requieren unos 30 a 60 modos de vibrar, ya que al ser los modos “exactos”, los programas encuentran los modos en cualquier dirección, entonces tenemos por ejemplo modos “verticales” (con tendencia principal amover la estructura en la dirección vertical) que no sirven para el análisis y también aparecen otros modos con combinaciones de movimiento entre vertical, horizontal y torsional, que tienen muy poca masa asociada, por lo que se requiere de muchos modos
para alcanzar el 90% en cada dirección.
El método de Ritz para efectos de análisis sísmicos es mas preciso directo y eficiente, mientras que el método EIGEN se puede utilizar por ejemplo para análisis dinámicos de vibraciones de maquinarias, fundaciones, etc.
En sistemas estructurales muy grandes, se ha encontrado que la combinación de los métodos incrementales y de superposición modal ha sido eficiente para sistemas con un pequeño número de elementos no lineales.

Método De Solución Paso A Paso

El método de solución más completo para el análisis dinámico en un método incremental en el cual las ecuaciones van siendo resueltas en los tiempos Dt, 2Dt, 3Dt, etc. Hay un gran número de métodos de solución incremental. En general, estos métodos involucran una solución de todo el conjunto de ecuaciones en cada incremento de tiempo. En el caso de un análisis no lineal, puede ser necesario reformular la matriz de rigidez de todo el sistema estructural para cada paso. Además, se efectuarán iteraciones dentro de cada incremento de tiempo, para satisfacer las condiciones de equilibrio. Como los requerimientos de cómputo
son significativos, estos métodos pueden emplearse para resolver sistemas estructurales con pocos cientos de grados de libertad.
Adicionalmente, en estos métodos de solución, el amortiguamiento numérico o artificial debe ser incluido, con el propósito de obtener soluciones estables. En ciertos casos de estructuras con comportamiento no lineal sujetas a movimientos en la base, es indispensable el empleo de los métodos de solución incremental.
En sistemas estructurales muy grandes, se ha encontrado que la combinación de los métodos incrementales y de superposición modal ha sido eficiente para sistemas con un pequeño número de elementos no lineales.