Ingeniería Antisísmica: Requisitos Fundamentales para la Seguridad Estructural

Cuando se aborda la ingeniería antisísmica, el objetivo primordial no es evitar el movimiento de la estructura. Es garantizar que la edificación pueda resistir un evento sísmico sin experimentar un colapso, asegurando el control del daño estructural y, sobre todo, la protección de la vida de sus ocupantes.

Los códigos de diseño sísmico contemporáneos se basan en este principio: permitir deformaciones y daños controlados, mientras se previenen estrictamente las fallas frágiles y súbitas.

Para los profesionales de la arquitectura y la construcción, comprender los principios fundamentales facilita el diseño eficiente desde las fases preliminares y optimiza la comunicación con el ingeniero estructural.

Requisitos Esenciales de una Estructura Sismo resistente

Para lograr un comportamiento sísmico adecuado, una estructura debe satisfacer los siguientes requisitos:

• Resistencia Lateral Suficiente: Capacidad para soportar las fuerzas horizontales inducidas por el sismo sin que los elementos estructurales alcancen su estado límite de falla.

• Rigidez Lateral Adecuada: Limitar los desplazamientos laterales y las derivadas entre pisos (desplazamiento relativo entre niveles) para prevenir daños excesivos.

• Trayectoria de Cargas Clara y Continua: Las fuerzas sísmicas deben transmitirse de forma directa y sin interrupciones desde cada nivel hasta la cimentación. Se deben evitar cambios bruscos en secciones, rigidez o discontinuidades en el sistema resistente.

• Redundancia Estructural: La capacidad del sistema para ofrecer múltiples caminos alternativos para la transferencia de cargas. En caso de que un elemento principal experimente una pérdida de resistencia, las cargas deben poder redistribuirse a otros componentes.

• Ductilidad: La capacidad de la estructura para experimentar grandes deformaciones inelásticas y cíclicas sin una pérdida abrupta de resistencia. Este mecanismo es crucial para la disipación de la energía sísmica.

• Compatibilidad con Elementos No Estructurales: Los muros divisorios, tabiques y cerramientos aportan rigidez inicial que influye en la respuesta dinámica. Deben ser considerados en el análisis y diseño estructural.

Regularidad y Simetría: Control de la Torsión

Un principio fundamental en el diseño sismo resistente es que la estructura posea la mayor regularidad y simetría posible, tanto en planta como en elevación.

Minimización de la Torsión en Planta

• Una planta con simetría razonable respecto a sus ejes principales exhibe un comportamiento sísmico más predecible.

• Cuando la distribución de masas y rigideces es uniforme, el edificio tiende a predominar el movimiento de traslación, minimizando la respuesta torsional.

• Las configuraciones de planta irregulares (como formas en L o T, alas con rigidez dispar o grandes vacíos) introducen asimetrías significativas. Bajo excitación sísmica, esto genera torsión y puede concentrar el daño en áreas específicas.

Irregularidades en Altura y el Piso Blando

Los cambios abruptos en la rigidez o la masa entre niveles son fuentes comunes de problemas:

• Pisos de Baja Rigidez (Piso Blando): Ocurre cuando un nivel (ejemplo, la planta baja de estacionamientos) es sustancialmente menos rígido que los superiores. Esto provoca una concentración de deformaciones y daño en ese nivel.

• Irregularidades de Masa: Un cambio drástico de masa (un piso técnico pesado, tanques) puede amplificar los esfuerzos dinámicos en los pisos contiguos.

Se debe buscar la regularidad en altura, manteniendo variaciones de rigidez y masa graduales entre niveles. Cualquier irregularidad intencional (dobles alturas, grandes voladizos) debe ser rigurosamente analizada y coordinada con el ingeniero estructural.

 Redundancia Estructural y Resiliencia del Sistema

La redundancia estructural implica que el sistema resistente dispone de múltiples alternativas de transmisión de cargas.

En la práctica, esto significa:

• Distribuir el sistema resistente (pantallas, pórticos, núcleos) en ambas direcciones principales del edificio.

• Evitar la dependencia de un único elemento estructural para resistir la totalidad de la fuerza sísmica en una dirección dada.

• Eludir soluciones donde la falla de un componente clave compromete la estabilidad global.

En un sistema redundante, si un elemento alcanza su límite inelástico, los elementos circundantes proporcionan una resistencia de reserva, mejorando la capacidad del edificio para disipar energía sin colapsar.

Torsión Estructural: Centro de Masas vs. Centro de Rigidez

En cada nivel se definen dos puntos conceptuales:

1. Centro de Masas (CM): Punto de aplicación de la fuerza inercial total, determinado principalmente por la distribución de las losas y las cargas permanentes.

2. Centro de Rigidez (CR): Punto donde se concentra la rigidez lateral del sistema resistente (muros de corte, pórticos).

Bajo un sismo, las fuerzas horizontales actúan en el CM. Si existe una separación (una excentricidad) entre el CM y el CR, se genera un momento torsor. Esto provoca que el edificio no solo se desplace lateralmente, sino que también gire en planta.

Esta torsión puede amplificar las deformaciones en elementos periféricos, resultando en daño localizado.

Ilustración alusiva a sismos e ingeniería antisísmica, que representa el comportamiento de las edificaciones durante un terremoto

Estrategias de Control de Torsión

Para mitigar los efectos torsionales, el diseño debe:

• Distribuir equilibradamente los elementos rígidos (núcleos, muros) en la planta.

• Evitar la concentración unilateral de la rigidez.

• Buscar la coincidencia o la proximidad entre el Centro de Rigidez y el Centro de Masas, reduciendo la excentricidad.

Ductilidad: Resistencia a Grandes Deformaciones Inelásticas

La ductilidad es la capacidad de una estructura para experimentar deformaciones cíclicas grandes en el rango inelástico sin una caída súbita y significativa de resistencia. Es el mecanismo primario para la disipación de la energía inducida por el sismo. No se debe confundir con  el concepto de energía absorbida

Una estructura dúctil puede fisurarse y deformarse durante un sismo severo, pero mantiene una resistencia residual que previene el colapso.

La ductilidad se logra mediante:

• Detalles de Refuerzo Apropiados en zonas críticas (nudos, columnas, vigas, bases).

• Adecuado Confinamiento en secciones susceptibles.

• Diseñar la estructura de modo que, ante sismos severos, las deformaciones inelásticas y el daño se concentren en las vigas y en rótulas especialmente previstas, manteniendo las columnas más resistentes y protegidas (principio de ‘columna fuerte – viga débil’)

Es imprescindible que el diseño arquitectónico acomode y respete los requerimientos de detalle del cálculo estructural (dimensiones mínimas, anclajes, estribos) ya que estos confieren la ductilidad al sistema.

Reducción de la Masa: Disminución de la Demanda Sísmica

Las fuerzas sísmicas experimentadas por un edificio son principalmente fuerzas inerciales, las cuales son directamente proporcionales a la masa de la estructura (F=m⋅a).

Por consiguiente, la reducción de masa innecesaria es una estrategia fundamental en el diseño sismo resistente:

• Emplear sistemas estructurales y cubiertas de menor peso.

• Evitar sobrecargas permanentes excesivas (rellenos, losas de espesor no requerido).

Reducir la masa conlleva una disminución directa de la demanda sísmica sobre la estructura. El equilibrio radica en conseguir esta reducción sin comprometer la rigidez lateral, la durabilidad ni los requisitos de aislamiento térmico o acústico.

Influencia de Elementos No Estructurales

Un aspecto que requiere atención es el de los elementos considerados "no estructurales" que, sin embargo, aportan rigidez significativa, como los muros de albañilería y tabiques rígidos.

Estos elementos pueden:

• Rigidizar selectivamente algunos pórticos, alterando la distribución de fuerzas sísmicas respecto al modelo teórico inicial.

• Inducir el efecto de columna corta si interactúan con pilares a media altura, creando una condición de alta vulnerabilidad a la falla.

Desde la perspectiva de la ingeniería antisísmica, existen dos enfoques:

1. Integrarlos: Considerarlos explícitamente en el modelo estructural como parte del sistema resistente (muros de corte, diafragmas).

2. Desacoplarlos: Detallarlos para que interactúen mínimamente con la estructura principal (uso de juntas, anclajes flexibles), limitando su aporte de rigidez.

Ignorar la influencia de estos elementos no es aceptable. Se debe tomar una decisión informada sobre su interacción con el sistema portante.

Conclusión: Integración del Diseño Arquitectónico y Estructural

Una estructura con desempeño sismo resistente óptimo no se consigue solo mediante el sobredimensionamiento. Es la síntesis de:

• Configuración arquitectónica regular y simétrica.

• Distribución equilibrada de rigidez para mitigar la torsión.

• Redundancia y ductilidad garantizadas por un esquema resistente adecuado y detalles de refuerzo rigurosos.

• Control estricto de las irregularidades de masa y rigidez en altura y planta.

• Análisis explícito de la interacción con los elementos no estructurales.

Cuando estos criterios se incorporan desde la fase de anteproyecto, el diseño estructural se optimiza, resultando en edificaciones más seguras, eficientes y coherentes con los objetivos de diseño.

Criterio general de desempeño sísmico: Para todas las edificaciones consideradas, el diseño sísmico se orienta a asegurar la estabilidad global de la estructura frente a la acción sísmica de proyecto, evitando mecanismos de falla y limitando los daños estructurales y no estructurales a niveles compatibles con la seguridad de los ocupantes y con el uso previsto del edificio.

a) Viviendas (casas, edificios de departamentos) Nivel de desempeño objetivo: Seguridad de vida + daño reparable.En el caso de edificaciones residenciales, se procura que los niveles de daño sean compatibles con la posibilidad de reparación económica de la vivienda y con la recuperación del hábitat en plazos razonables.

b) Edificios de oficinas y/o centros comerciales Nivel de desempeño objetivo: Seguridad de vida + rápida reanudación de actividades.En edificios de uso administrativo y/o comercial, se prioriza que los daños estructurales, no estructurales y de instalaciones permitan la rápida reanudación de las actividades laborales y comerciales luego del sismo.

c) Establecimientos educativos (escuelas, colegios, institutos) Nivel de desempeño objetivo: Seguridad de vida + evacuación segura.En establecimientos educativos, se pone especial énfasis en que los daños no comprometan la seguridad de alumnos y personal, ni la operatividad de las vías de evacuación y áreas de reunión, facilitando una evacuación ordenada durante y después del evento sísmico.

d) Centros de salud y hospitales Nivel de desempeño objetivo: Seguridad de vida + continuidad operativa post-sismo.En centros de salud y hospitales, el diseño apunta a que los daños estructurales, no estructurales y de instalaciones sean compatibles con el mantenimiento de la funcionalidad del edificio y de los servicios críticos durante y después del sismo, garantizando la seguridad de pacientes y personal.