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• Robert Carrasco Jota

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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

TEMA “COLUMNA CORTA, PISO BLANDO Y DERIVA O DISTORSIÓN” INTEGRANTES CARRASCO JOTA ROBERT CORTEZ CORTEZ DIXON GARCIA JULCA KATHERYNE MENDOZA CHUQUITAYPE DENNIS RABANAL WESTREYCHER AARON

DOCENTE ING. BENDEZU ROMERO LENIN MIGUEL CURSO Concreto armado II

LIMA – PERÚ 2019-1

INTRODUCCIÓN

En los edificios de concreto armado la tabiquería puede estar presente en una gran gama de configuraciones, formando parte del cerramiento exterior o divisiones en el espacio interior. A menos que se tomen previsiones especiales, todas las paredes enmarcadas por la estructura, influirán de alguna forma en los mecanismos resistentes a acciones laterales.

Es particularmente importante el caso en que la tabiquería no abarca toda la altura de las columnas sino que deja una porción libre, lo cual es muy común ante la presencia de ventanas. En estos casos, el desplazamiento horizontal relativo entre la base y el tope de la columna (deriva) se concentra sólo en su porción libre, lo que genera tensiones sustancialmente más altas que las correspondientes a la misma columna, pero libre en toda su altura. Esta situación, conocida como el “efecto de columna corta" es una de las causas más comunes de ruina en caso de sismos, pero también puede presentarse ante cualquier otra acción que induzca deriva en la columna.

Una de las fallas más comunes en la estructuración de una edificación es la condición de piso blando, debido a que puede afectar el comportamiento global de la estructura durante sismos severos, o incluso en sismos moderados, ocasionando en la edificación un gran desplazamiento lateral, producido por una gran carga vertical, proveniente de los pisos superiores rigidizados por los tabiques, causando un gran efecto destructivo manifestado a través del colapso parcial o total de la estructura.

El problema de piso blando en edificaciones, es debido a que las columnas se diseñan para resistir momentos flectores, generados por la fuerza sísmica, pero se exceptúan los producidos por el desplazamiento lateral, la misma puede ocurrir en cualquier nivel, pero es más crítico en el primer nivel, dónde las fuerzas sísmicas son más grandes.

Se presentan varios casos donde se ilustra este fenómeno y la repercusión que puede tener, no sólo en el miembro donde ocurre, sino en la globalidad de la estructura. Igualmente se presentan opciones de solución.

1.COLUMNA CORTA

El Efecto de Columna Corta consiste en una restricción parcial del desplazamiento lateral del cuerpo de una columna, que obliga a concentrar toda la demanda de deformaciones y tensiones en su porción libre. El caso más común se presenta cuando hay paredes que no abarcan toda la altura, sino que dejan un espacio vacío para la ventana. También es conocido como Efecto Ventana o Columna Cautiva (Figura).

Es una de las causas más comunes de daños catastróficos en edificaciones afectadas por Sismos. Sin embargo, también puede presentarse ante cualquier acción que induzca una deriva en la columna, tales como dilataciones térmicas o movimiento de fundaciones, entre otros. Para algunas configuraciones estructurales, se puede presentar inclusive ante dilataciones muy pequeñas, relacionadas a variaciones en la temperatura ambiente.

Las consecuencias sobre el sistema estructural se pueden clasificar en efectos locales, que ocurren directamente en el miembro afectado y efectos globales, que involucran a la estructura como un sistema.

Entre los efectos locales está el incremento de la rigidez lateral y de las tensiones por cortante, así como la disminución de la ductilidad. Los efectos globales se derivan de la incompatibilidad de deformaciones entre las Columnas Cortas y el resto de los miembros estructurales resistentes a acciones laterales, las primeras fallan prematuramente y se genera una reacción en cadena.

CONSECUENCIAS SOBRE EL SISTEMA ESTRUCTURAL Efectos Locales

El Efecto de Columna Corta trae como consecuencia una modificación local de la distribución de tensiones y deformaciones del miembro estructural afectado. A continuación se discuten los aspectos más importantes (ver también Figura ). Para hacer más simple el análisis y los ejemplos que se presentan a continuación, se ha considerado que las vigas son infinitamente rígidas y resistentes, sin embargo, el análisis y las conclusiones son extrapolables a la condición más general, considerando la flexibilidad y capacidad de las vigas.

Aumento del cortante: Para lograr el equilibrio mecánico en una columna, la tensión por Cortante (V) es igual a la suma de los momentos (M) en sus extremos dividida entre la altura libre (L), lo cual se puede expresar mediante la ecuación V= M/L. Si partimos de la base de un comportamiento dúctil, se alcanzarán los momentos máximos por cedencia (My) del acero en los extremos de la columna, limitando consecuentemente el cortante máximo (VMy) que puede desarrollarse. Al reducir la luz libre, el cortante máximo de la columna aumentará en la misma proporción hasta alcanzar el estado límite de agotamiento por cortante, es decir: VMy,2=L1/L2VMy,1, donde los subíndices 1 y 2 corresponden a la columna original y modificada, respectivamente.

El incremento del cortante se ve agravado debido al desplazamiento de las máximas tensiones hacia la zona central de la columna, donde el acero de refuerzo transversal está generalmente más espaciado y por tanto, la columna es menos resistente.

Disminución de la ductilidad: Se entiende por ductilidad (D) la capacidad de deformación inelástica de forma alternada y estable que posee un miembro o un sistema estructural. Una forma de cuantificarla es mediante el cociente entre la deriva última ( u) y la deriva cedente ( y), es decir: D= u/ y.

Al trasladarse las máximas tensiones de flexocompresión y cortante hacia la zona central de la columna, menos confinada, también se reduce significativamente su ductilidad. Aún si todo el cuerpo de la columna está bien confinado, el incremento de las tensiones reducirá la ductilidad, desde el valor nominal hasta el caso extremo en que se presente la falla frágil por cortante antes de desarrollarse la cedencia por flexo-compresión, en el cual la ductilidad será inexistente.

Por ejemplo, en una columna típica de concreto armado concebida para una demanda de ductilidad superior a 6 (D1>6), si ocurre la falla frágil por cortante, la ductilidad se reducirá a una valor cercano a 1 (D2≈1), seis veces menor.

Aumento de la rigidez: La rigidez es la propiedad que relaciona las deformaciones con las tensiones que se generan en un material o un sistema estructural. Si se considera la deriva de la columna y la tensión cortante, entonces la rigidez cortante (K) será: K=V/ , cuyo valor es una función directamente proporcional al módulo de elasticidad (E) y la inercia (I) de la sección e inversamente proporcional al cubo de la luz libre, es decir: K=V/ =ƒ(EI/L3), donde la función dependerá de las condiciones de borde de la columna. Por ejemplo, si se consideran las vigas infinitamente rígidas la rigidez será K=12EI/L3.

Al reducirse la luz libre de L1 a L2 la rigidez se incrementa según la relación K2≈(L1/L2)3K1, lo cual implica que, para la misma deriva b, el cortante se incrementa en la misma proporción Vb,2≈(L1/L2)3Vb,1. Por ejemplo, si se reduce la luz libre de la columna a la cuarta parte, la rigidez aumentará 64 veces: K2≈(1/0,25)3K1≈64K1, por lo que el cortante se incrementará en la misma proporción, siempre que no se supere el máximo limitado por la resistencia al corte y flexión, antes descrito.

El aumento de la rigidez es, a nuestro juicio, la consecuencia más crítica del efecto de columna corta, ya que su influencia, según una proporción cúbica, es tan grande que las máximas tensiones reales se alcanzarán a derivas considerablemente más bajas que en las columnas libres en toda su altura. Situación grave si se considera, no sólo la columna corta, sino la estructura como un sistema, lo cual se discute más adelante.

Efectos Globales El efecto de Columna Corta es un tema ineludible en la literatura sobre sismorresistencia. No obstante, la mayoría de los autores han centrado su atención en los miembros estructurales donde se presenta (efectos locales) y en ocasiones haciendo énfasis sólo en la relación de tensiones cortantes al alcanzar los momentos máximos en los extremos de la columna.

Sin embargo, cuando se considera el carácter sistémico de la edificación, se puede indicar que el efecto de columna corta nunca se presenta aisladamente, ni se limita a los miembros estructurales directamente afectados, sino que va acompañado de una modificación global de la distribución de tensiones y deformaciones de los distintos componentes de la edificación.

En general, cualquier restricción de las deformaciones de un estructura, sea parcial o total, modificará la rigidez en el sector afectado y se alterarán las propiedades dinámicas que rigen la respuesta ante acciones sísmicas. El problema es mucho más grave si se considera que en la mayoría de los casos no todas las columnas de un entrepiso son “cortas”, en ocasiones sólo se ubican en las fachadas con ventanas. En estos casos, ante la deriva que impone el diafragma, se concentran las tensiones en algunas columnas, las “cortas”, mientras que el resto no trabaja. Entonces, sólo participan pocos miembros simultáneamente en una planta, lo cual induce su falla prematura. Esto inicia mecanismos de reacción en cadena de los miembros estructurales resistentes a acciones laterales.

Retomando el ejemplo de la sección anterior (aumento de la rigidez), si ahora se trata de un sistema de dos columnas y se restringe la deformación de sólo una de ellas, con una reducción de su longitud libre a la cuarta parte, en consecuencia la rigidez aumentará 64 veces. Dado que la deriva impuesta por el diafragma es igual para ambas columnas, cuando la “columna corta” alcanza su máxima capacidad y ocurre su falla prematura, las tensiones en la “columna larga” aún no han alcanzado el 2% (1/64) de su capacidad, la cual, para desarrollarse plenamente, requeriría la degradación total de la “columna corta” vecina. Entonces, la capacidad global de la estructura quedará definida sólo por la capacidad de las “columnas cortas”.

ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN

Que existan columnas cortas en una estructura no debe ser visto a priori como un problema; si esa condición fue prevista en el análisis y diseño se obtendrá un desempeño adecuado. El verdadero problema es que se menosprecien las restricciones que pueden inducir otros componentes, estructurales o no, sobre la deformación de la columna; si este es el caso y se analiza y diseña la estructura suponiendo las columnas libres en toda su longitud, entonces se presentará el Efecto de Columna Corta.

Aun cuando las normas venezolanas son muy tímidas en la regulación de la posible influencia de los componentes no estructurales en el desempeño de la edificación, no dejan de advertir su importancia. A continuación se citan algunas consideraciones: “los elementos no estructurales que puedan restringir las deformaciones de la estructura… deberán ser aprobados… por el ingeniero estructural responsable del proyecto”(Covenin 2002, 1988); “se prestará particular atención a la eventual interacción de la estructura portante con la tabiquería.”(Covenin 1756, 2001); “se deberá considerar el efecto de elementos rígidos, estructurales o no, que puedan afectar la respuesta dinámica”(Covenin 1753, 1987); “La influencia de la tabiquería no estructural en el comportamiento ante fuerzas laterales de la estructura debe ser tomada en cuenta”(Fondonorma 1753, 2006); “El contratista no podrá construir componentes o elementos no estructurales que no estén contemplados en el proyecto,…”(Covenin 1756, 2001); entre otras.

Pese a todas las advertencias citadas, es común que en nuestro país se menosprecie la influencia de los componentes no estructurales, lo que en ocasiones propiciará, entre otras consecuencias, el Efecto de Columna Corta.

En cualquier caso, dentro de muchas posibles opciones para solucionar el problema, todas ellas se agrupan en sólo dos direcciones: o se separan convenientemente los componentes que puedan inducir el Efecto de Columna Corta, o se incorporan dichos componentes en el análisis y diseño como parte del sistema estructural, a fin de prever las solicitaciones que estos impondrán.

A continuación se presenta un par de ejemplos de posibles soluciones: la Figura muestra un esquema de la configuración correcta al separar las paredes, en la cual se prevén machones y viga de corona para garantizar su estabilidad; la Figura corresponde a la reparación y refuerzo de una estructura mediante la incorporación de muros aleros a ambos lados de las “columnas cortas”. En ambos casos se muestra la configuración original a la izquierda y a la derecha, la configuración final de la estructura reparada o reforzada.

Es importante hacer énfasis en que cualquier intervención de la estructura con miras a solucionar el Efecto de Columna Corta, tanto independizar las columnas como reforzarlas, modificará, no sólo a los miembros intervenidos, sino también la distribución de tensiones y deformaciones en el resto del sistema estructural, por tanto siempre hay que hacer un análisis global de la estructura a fin de verificar que no se induzcan indirectamente otras deficiencias.

Por ejemplo, al independizar las columnas de las paredes, ambas serán más flexibles y podría comprometerse su estabilidad ante acciones laterales; si por el contrario, se refuerzan las columnas o se cierran los vacíos, éstas zonas, ahora más rígidas, absorberán mayores tensiones

que podrían, entre otros, generar efectos torsionales o hacer fallar otros miembros a los cuales están vinculados.

2. PISO BLANDO

Concepto según la norma NTE-E.030,2003

Según el Reglamento Nacional de Edificaciones, norma E.030 considera piso blando cuando en cada dirección la suma de las áreas de las secciones transversales de los elementos verticales resistentes al corte en un entrepiso, columnas y muros, es menor que 85% de la correspondiente suma para el entrepiso superior, o es menor que el 90% del promedio para los tres pisos superiores, no es aplicable en sótanos. Para pisos de altura diferente se multiplica los valores anteriores por (hlhd) donde hd es la altura diferente de entrepiso y h es la altura típica de piso.

Según San Bartolomé, surge en aquellos edificios aporticados (compuesto predominantemente por vigas y columnas), dónde el piso en mención presenta alta flexibilidad por la escasa densidad de muros que impide controlar los desplazamientos laterales impuestos por los terremotos, en tanto, que los pisos adyacentes son relativamente más rígidos por contener una mayor cantidad de muros.

CAUSAS PRINCIPALES QUE GENERAN PISO BLANDO

Dentro de las causas principales que generan los pisos blandos en las estructuras podemos citar: l. Una estructura en la que cualquier piso, presenta columnas más esbeltas con respecto a los demás pisos, provocando mayor deflexión en este nivel. 2. Un cambio abrupto de la rigidez en un piso con respecto a otro. 3. El uso de muro de corte con una discontinuidad, en la cual las fuerzas cortantes son resistidas por muros que no llegan hasta la fundación. 4. Discontinuidad en la trayectoria de las cargas, creada por un cambio brusco vertical u horizontal en la estructura.

5. Configuración geométrica es decir: ~ Falta de simetría en la geometría global de la estructura ~ Distribución de masas a lo alto de la estructura ;¡;;;.. Variación de las áreas de los elementos estructurales ;¡;;;.. Existencia de entrantes y salientes tanto en planta como en elevación 6. Así mismo se ha señalado el problema de interacción tabique-pórtico ya que cuando no se aisla la mampostería del pórtico, al actuar un sismo, el pórtico (más flexible que el muro de albañilería) entra en contacto con el tabique en sus esquinas diagonalmente opuestas, mientras que las otras esquinas se despegan haciendo trabajar de esta manera al tabique como panel de corte que eleva la resistencia y rigidez del conjunto. Por tanto provocando una falla por piso blando.

COMPORTAMIENTO DE PISO BLANDO ANTE LOS SISMOS

San Bartolomé en su blog de investigaciones dijo que: "Durante los sismos severos o incluso a veces en los sismos moderados, en el "Piso Blando" se produce un gran desplazamiento lateral[~ en la Fig (2.4)], que se traduce en una excentricidad de la carga vertical "P" proveniente de los pisos superiores rigidizados por los tabiques. Esto da lugar a un momento(P~) que debe ser equilibrado por los momentos flectores generados en los extremos de las columnas del piso blando (m( A))" (15).

SOLUCIÓN DEL PISO BLANDO

El problema de “Piso Blando” se ha presentado en todos los países sísmicos del mundo , con lo cual, la mejor solución al problema es evitándolo desde la concepción arquitectónica del edificio, haciendo que los muros presenten continuidad a lo largo de su altura , por ejemplo, tratando que las cocheras estén en la parte externa del edificio.

Una solución ideal, por ejemplo, sería crear edificios destinados a cocheras (“cocheras comunitarias”) cada tres cuadras, de modo que sean ocupados por los vehículos de los habitantes de la zona circundante, de esta manera, los edificios restantes no tendrían la necesidad de reservar espacios para estos vehículos y los muros sería continuos.

Para el caso de edificios existentes con “Piso Blando”, habría que resolver el problema mediante la rigidización de este piso, con la adición de muros de concreto armado, sin importar que se pierdan algunos espacios, en vista que es peor perder al edificio completo incluyendo los vehículos, y, a veces, hasta las vidas humanas.

3. DERIVA O DISTORSIÓN Concepto Según Garcia Mario y Moscoso Darwin nos menciona: Distorsiones de entrepiso - deriva. Se conoce como distorsión de entrepiso o deriva al cociente entre la diferencia de desplazamiento laterales de dos niveles consecutivos de la estructura entre la altura de dicho entrepiso(p.06)

La deriva de piso está asociada con efectos que se describen a continuación: -

Deformación inelástica de los elementos estructurales y no estructurales

-

Estabilidad global de la estructura

-

Daño de los elementos estructurales que no hacen parte del sistema de resistencia sísmica y de los elementos no estructurales, tales como muros divisorios, particiones, enchapes, acabados, instalaciones eléctricas, mecánicas, etc.

-

Alarma y pánico entre las personas que ocupan la edificación.

Se diseña la estructura para que:

-

Tenga la capacidad para resistir las fuerzas especificadas por esta norma.

-

Presente las derivas de piso, ante dichas cargas, inferiores a las admisibles.

-

Pueda disipar energía de deformación inelástica, haciendo uso de las técnicas de diseño por capacidad o mediante la utilización de dispositivos de control sísmico.

CONTROL DE DISTORSIONES

De acuerdo a la Norma Técnica de diseño sismo resistente, los desplazamientos laterales permisibles son los siguientes:

DESPLAZAMIENTOS LATERALES Según Lezama Erwin (2017): “Ambas normas indican tener la misma consideración para el cálculo de los desplazamientos en los análisis lineales y elásticos con las solicitaciones sísmicas reducidas. Los valores de desplazamientos obtenidos se multiplicarán 0.75 R. Cabe señalar que estos desplazamientos son absolutos”.(p.28)

DERIVAS MÁXIMAS Según Lezama Erwin (2017): ” El término deriva comprende la división entre el desplazamiento relativo lateral del entrepiso y su altura. Los límites para esta distorsión están indicados en las normas E.030 de 2003 y 2016, las cuales están clasificadas por el material utilizado en los elementos estructurales”.(p.29).

A continuación se muestran los límites de ambas normas:

FACTOR DE REDUCCIÓN DE FUERZAS SÍSMICAS Según Lezama Erwin (2017 Las fuerzas laterales de diseño que se indican en los códigos de diseño sísmico, son usualmente mayores que las requeridas para mantener a una estructura en el rango elástico durante un evento sísmico severo. Para reducir estas fuerzas, la norma E.030 del 2003 utiliza el Factor de Reducción de Fuerzas Sísmicas denominado R, que tienen en cuenta tanto la capacidad de disipación de energía por ductilidad, como la sobrerresistencia que presentan las estructuras3 . (p.22)

Para Savedra, Cynthia y Ramirez Danny (2017): “Estos coeficientes se aplicarán únicamente a estructuras en las que los elementos verticales y horizontales permitan la disipación de la energía manteniendo la estabilidad de la estructura. No se aplican a estructuras tipo péndulo invertido”. (p.41)

CONCLUSIONES

 Consiste en la restricción parcial del desplazamiento lateral del fuste de una columna, que obliga a concentrar toda la demanda de deformaciones y tensiones en su porción libre. Además, es una de las causas más comunes de daños catastróficos en caso de sismos. Puede también presentarse ante cualquier acción que induzca una deriva en la columna.  Se puede generar con derivas muy bajas, tal como dilataciones térmicas diferenciales durante incendios o inclusive las originadas por cambios en la temperatura ambiente.  La falla por piso blando, puede ocurrir en cualquier nivel, pero es más crítico cuando ocurre en el primer nivel debido a los grandes desplazamientos laterales en este, producido por la excentricidad de la carga vertical proveniente de la discontinuidad de la rigidez o resistencia, producida en las conexiones con los demás niveles.  Modifica localmente las propiedades mecánico-resistentes y las tensiones en la columna afectada: aumenta el cortante; traslada la máxima flexión hacia la zona central de la columna, generalmente menos confinada; disminuye su ductilidad y lo más crítico, incrementa sustancialmente su rigidez, por lo que alcanza su máxima capacidad a derivas mucho más bajas que si estuviese libre en toda su altura.  Su severidad radica, no sólo en la repercusión sobre el miembro afectado, sino más bien en los efectos globales sobre el sistema estructural. Al ser las “columnas cortas” mucho más rígidas, éstas absorben prácticamente todo el cortante que impone el diafr  agma mientras que el resto de las columnas prácticamente no reacciona hasta que las primeras fallan prematuramente y degradan su resistencia y rigidez, lo que inicia mecanismos de reacción en cadena.  Puede estar condicionado de origen, debido a la configuración arquitectónica o estructural, en cuyo caso es generalmente evidente. Pero también, menos evidente, puede ser inducido luego de la rotura parcial de paredes u otros componentes no estructurales.  La mejor solución es evitarlo, separando convenientemente la columna de otros componentes que puedan restringir su libre deformación.  La otra vía de solución es incorporar los componentes no estructurales en el análisis y diseño, ya que el verdadero problema no radica en que las columnas sean “cortas”, sino que dicha condición no haya sido prevista en el proyecto.

 Finalmente, sólo si se consideran condiciones realistas en los modelos, se podrán diseñar adecuadamente los distintos componentes de la edificación. En este sentido, las normas nacionales e internacionales advierten la importancia de considerar la influencia de los componentes no estructurales y verificar la compatibilidad de deformaciones, no sólo para el caso de la “columna corta”, sino para el desempeño general del sistema estructural y el resto de los componentes de la edificación.  La deriva de piso es la deformación relativa que sufre un piso en particular por la acción de una fuerza horizontal. Se calcula restando del desplazamiento del extremo superior el extremo inferior del piso.  No está reglamentado cuál es la deriva máxima que puede experimentar un edificio; lo que sí está determinado es el índice de deriva, es decir, la relación entre la deriva y la altura de piso. Este límite protege a los elementos no estructurales frágiles que se verían muy afectados en un sismo si la estructura es muy flexible.

REFERENCIAS  Covenin 1753. (1987). Estructuras de Concreto Armado Para Edificaciones. Análisis y Diseño. Caracas, Venezuela: Covenin-Mindur.  Covenin 1756. (2001). Norma Venezolana: Edificaciones Sismorresistentes. Caracas, Venezuela: Fondonorma.  Covenin 2002. (1988). Criterios y Acciones Mínimas para el Proyecto de Edificaciones. Caracas, Venezuela: Covenin-Mindur.  Fondonorma 1753. (2006). Proyecto y Construcción de Obras en Concreto Estructural. Caracas, Venezuela: Fondonorma.  López, O. A., Hernández, J. J., Del Re, G., & Puig, J. (2004). Reducción del Riesgo Sísmico en Escuelas de Venezuela. Boletín Técnico IMME , 42 (3), 33-56.  GARCIA, Mario y MOSCOSO, Darwin. análisis comparativo de la respuesta sísmica de distorsiones de entrepiso - deriva y fuerzas cortantes de una edificación de concreto armado con sistema dual, mediante los análisis sísmico dinámico, aplicado con la norma de diseño sismorresistente e.030 del 2016 y la norma chilena de diseño sísmico de edificios nch 433.of1996 modificada en 2012. Trabajo de titulación( ingeniero civil). Cusco: Universidad Andina del Cusco, 2016. 06p.

 LEZAMA, Erwin. comparación de derivas por solicitaciones sísmicas según normas e030 de 2003 y 2016 en proyecto de una nueva edificación. Trabajo de titulación ( ingeniero civil). Lima: Universidad agraria La Molina, 2017. 28 p.

 LEZAMA, Erwin. comparación de derivas por solicitaciones sísmicas según normas e030 de 2003 y 2016 en proyecto de una nueva edificación. Trabajo de titulación ( ingeniero civil). Lima: Universidad agraria La Molina, 2017. 29 p.

 SVEDRA, Cynthya y RAMIREZ, Danny. influencia del módulo de elasticidad en el análisis de la deriva de edificios de concreto en el perú, 2017. Trabajo de titulación ( ingeniero civil). Iquitos: Universidad científica del peru,2017. 41 p.