Ingeniería

El concreto y los terremotos

Algunos aspectos que contribuyen de manera importante en el desempeño estructural de las edificaciones ante acciones sísmicas son los cambios bruscos de rigidez, resistencia y masa, la redundancia estructural, así 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 más pequeñas –conforme va adquiriendo una mayor elevación el edificio– pueden generar un efecto de amplificación 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 más de lo que lo haría el movimiento aislado en la base. Este fenómeno 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 acción de estos fuertes movimientos amplificados que además dañan 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 reducción proporcional a la sobrecarga impuesta. El fenómeno descrito se llama no linealidad geométrica y su problema mayor radica en que debilita progresi-vamente la edificación por medio de la reducción de los parámetros de rigidez. Desafortunadamente este tipo de consideraciones po-cas veces son tomadas en cuenta por los ingenieros calculistas al momento del diseño, por lo que resulta complicado reconocer la participación de este fenómeno en el colapso de muchas estructuras. Lo que sí se reconoce actualmente son edificaciones extraordinariamente cargadas, destinadas a un uso diferente al inicialmente considerado en el proceso de diseño estructural.

Redundancia estructural

Un edificio alto que tenga un pequeño número de ejes de columnas puede ser muy redundante y, sin embargo, conformar una estructuración inconveniente. La redundancia debe entenderse en este caso como la conformada por un razonable número de columnas o muros (o cualquier otro elemento ligado directamente a la cimentación) en cada eje. Lo más recomendable sería que el número mínimo 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 más fácilmente que uno con sólo dos ejes, a pesar de que un sismo intenso le haya producido graves daños estructurales. Es una simple cuestión de equilibrio, que resulta más facil sobre tres o más apoyos que sobre dos (Ver Foto 1).

Muros de concreto

Otro aspecto que interviene en la integralidad del diseño estructural, desde el punto de vista de la es-tructuración, guarda una relación directa con el sistema de cimentación y su incidencia en la absorción y disipación de la energía 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 fricción 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 situación de muy baja eficiencia, en la cual el muro tiende a funcionar independiente y a concentrar sobre sí mismo de manera inapropiada, las cargas inerciales horizontales. Si esto se origina en una condición explícita de diseño, porque no queda alternativa, el diseñador debe atacar el problema de cimentación plenamente consciente de la situación a la cual ha llegado; sin embargo, si se presenta el funcionamiento semi independiente del muro de manera inconsciente por una mala estructuración, toda la concepción del ingeniero estructural puede resultar falseada y como consecuencia, se puede llegar a una edificación peligrosa en su estabilidad global y a menudo poco funcional.

Columna corta

Es común 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”. Éstas han producido en muchos casos daños severos e incluso colapsos. Dicho efecto provoca que falle la columna en forma frágil al ser sometida a esfuerzos cortantes excesivos que generados por estar impedida su deformación hasta la altura de los ladrillos (Ver Foto 2).

La columna corta es uno de los defectos de estructuración encontrado con mayor frecuencia en las áreas de gran destrucción después de un sismo intenso. Resulta preocupante que en los edificios escolares para la educación de la niñez y la juventud, las columnas cortas abundan por las necesidades de iluminación y ventilación. Todo se origina por desorganización existente acerca de quién lleva la responsabilidad del diseño de los elementos no estructurales dado que una persona diseña la estructura sin muros y otra decide donde van los muros. Asimismo, las entidades de planeación que aprueban licencias de construcción, sólo observan que cumplan la distorsión de entrepiso, ya que las columnas cortas no están taxativamente prohibidas. Si la responsabilidad de distribución de los muros recae sobre el diseñador estructural, es casi seguro que en nuevas construcciones se reducirá el problema de las columnas cortas. La recomendación que se deriva de las consideraciones expuestas es que las columnas cortas deben evitarse en toda construcción.

Materiales, despiece y armadura

El mal vibrado del concreto por falta de control cuando se funden las secciones en las obras, así como las malas condiciones de colocación que en muchas ocasiones generan secciones de concreto con oquedades u hormigueros que hacen reducir el área neta de las columnas o vigas, son un fuerte pro-blema actual. Las cimbras en mal estado que generan secciones de geometría defectuosa y que no corresponden a las planteadas en los diseños originales, con espesores de recubrimiento exagerados, hacen trizas el buen comportamiento de cualquier sección diseñada 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, convirtiédose en piedras que se escapan progresivamente y hacen deshacer la sección portante. Cabe decir que entre mayor número de estribos y entre más cercanos se coloquen entre sí, mayor integridad se brindará a la estructura a partir de sus nudos que se pueden denominar los elementos claves de mantener. No obstante, el número de estribos debe llegar a un límite práctico que permita el fluir correcto del concreto fresco a través de los pequeños huecos, y la sección quede sin oquedades u hormigueros, o que no se requiera de concretos muy fluidos que exigen agregados pequeños y aditivos especiales con el consecuente incremento del precio del material (Ver Foto 4).

El acero no debe colocarse de más, si acaso llegará a sobrar ya que los principios de diseño se basan en fallas balanceadas que equilibran las fuerzas resistentes del concreto en compresión con las del acero en tensión. De esta manera, colocar más acero en una sección con insuficiente concreto que lo soporte conlleva perder dinero. Es aquí donde el criterio de los ingenieros diseñadores debe hacer uso máximo del concepto de eficiencia para garantizar el acero repartido de manera generosa pero útil, y garantizando su trabajo en el momento que se le requiera, con un balance económico que permita construir en sitios con frecuentes temblores y con precios adaptables a las economías de países emergentes como los latinoamericanos.

Columna fuerte, viga débil

La resistencia y rigidez global de una edificación es resultado de la contribución 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 simultáneamente en todos los elementos que componen una edificación; sino más bien, se inicia en los elementos que presentan la primera defensa estructural; cuando éstos han alcanzado su resistencia, empiezan a redistribuir los esfuerzos que ya no pueden resistir a sus vecinos. Lo anterior degenera en que la pérdida de la rigidez global se va haciendo de forma gradual, conforme más elementos han alcanzado su resistencia. Todo lo anterior se logra, siempre y cuando la edificación se haya diseñado correctamente mediante el uso del criterio, la experiencia, el buen juicio y, el conocimiento explícito de las variables que componen el diseño (Ver Foto 5).

La búsqueda del diseño sismorresistente de edificaciones se ha enfocado en que el fenómeno se concentre en primera instancia en las vigas; si son las de pisos superiores, mejor aún. Las columnas importantes de soporte de la edificación, en los pisos bajos, deben ser las últimas en llegar a esta pérdida de rigidez, porque en ese momento se pone en riesgo la estabilidad global de la edificación.

El hecho de que todos los elementos vayan fallando progresivamente como fusibles, genera que la energía inducida inercialmente desde la base se vaya disipando gradualmente de la mejor forma a lo largo del mayor número de elementos posibles, en el mayor número de ciclos posible también. Se considera que este efecto gradual de falla de elemento por elemento, es la mejor defensa ante un evento de larga duración con gran número de ciclos.

Colofón

Mucho de lo comentado está basado en dos aspectos fundamentales que aunque diferentes convergen en lo mismo. El primero es pensar que algo que cumple la norma en cálculos y diseños, será seguro cuando se construya sin tener control de obra; el segundo es pensar que la frontera del conocimiento la representa la norma, planteándola como la única fuente de consulta y cumplimiento. Esto se está haciendo de forma sistemática en universidades y despachos de consulta que, en algunos casos, procrean diseños de edificios que cumplen normas, pero son inseguros.

Texto: Mauricio Gallego-Silva