Muchas estructuras experimentan un desplazamiento lateral natural bajo cargas puramente verticales (gravitacionales). Estos desplazamientos a veces pueden introducir cambios significativos en los diagramas de momento esperados en las vigas. La fuerza axial & el momento de las columnas y muros también pueden cambiar de forma significativa debido al desplazamiento lateral.
En estos casos es importante asegurar que se realicen verificaciones para combinaciones donde las cargas nocionales se aplican en concordancia con el desplazamiento lateral natural de la estructura.
En casos más extremos, los edificios estabilizados por muros de cortante y núcleos se desplazan lateralmente de forma significativa bajo carga puramente vertical.
Efectos de desplazamiento lateral bajo carga gravitacional
La mayoría de los modelos se desplazan lateralmente en un grado pequeño cuando se someten a cargas puramente verticales. En la mayoría de los modelos/estructuras este efecto suele ser bastante insignificante. En algunos modelos puede ser más significativo.
En esta sección mostraremos que:
- Este efecto se relaciona con la compresión axial diferencial dentro de los elementos resistentes a carga lateral de la estructura, principalmente muros de cortante y núcleos.
- Este efecto siempre se manifiesta en cualquier análisis de una estructura completamente aporticada.
- Este efecto puede manifestarse en modelos de losa plana estabilizados por núcleos.
- Existen muchas razones por las que este efecto en general resulta insignificante en términos de diseño.
Estructuras completamente aporticadas
La estructura de arriba es un modelo muy simple de 10 plantas con un único núcleo en forma de C completamente desplazado hacia un lado del edificio. Solo para efectos de este ejemplo, todas las vigas se han articulado en ambos extremos, eliminando así cualquier acción de pórtico que aportara rigidez ante el desplazamiento lateral. La estructura depende por lo tanto completamente de los muros del núcleo para su estabilidad. Note que este es un ejemplo extremo.
Se realiza un análisis de edificio predeterminado, sin mallar las losas de piso, es decir, el análisis se basa fundamentalmente en un modelo de alambre 3D desde la planta superior hasta la inferior.
La vista del Modelo Analítico a continuación muestra cómo el edificio se desplaza lateralmente y gira bajo la acción de las cargas nocionales.
El efecto de giro es considerable y las deflexiones máximas en la planta superior superan los 100 mm. Una estructura real no puede estabilizarse de forma aceptable mediante un núcleo en C tan excéntrico.
Al considerar el caso de carga permanente (donde solo se aplican cargas verticales), también se evidencia el desplazamiento lateral, como se muestra a continuación.
¿Por qué ocurre este desplazamiento lateral?
En la vista anterior también se muestran los contornos de esfuerzo vertical en los muros del núcleo: la variación del esfuerzo a lo largo de las alas del núcleo en C es evidente.
Las fuerzas de diseño en los paneles de muro en el nivel de la primera planta se muestran a continuación. Nótese que las cargas en las alas 1W3 son mayores que en el alma 1W2. La carga promedio por metro en estas alas más cortas es, por lo tanto, mucho mayor.
Al observar esta vista es posible imaginar cómo el centro efectivo de la carga aplicada al núcleo en C está desplazado hacia la derecha y por encima de su centroide (que estará bastante cerca del centro de rigidez mostrado en la vista anterior). La carga excéntrica provoca una curvatura no resistida en el núcleo y por eso se desarrolla el desplazamiento lateral en las plantas superiores.
Los mismos efectos son evidentes sin importar si se usan idealizaciones malladas o de eje medio de columna.
Antes de pasar a un modelo similar pero con losas planas, vale la pena señalar que la carga viva total en los tres paneles del muro núcleo anterior es 698.6 + 219 + 464.4 = 1382 kN.
Estructuras con zonas de losa plana
Como se señaló arriba, el efecto de desplazamiento lateral surge por la aplicación excéntrica de la carga sobre un muro núcleo. La magnitud del desplazamiento se relaciona con la magnitud y el punto de aplicación de la carga axial.
Cargas de losa – Descomposición por líneas de fluencia
Si este edificio se analiza usando la descomposición predeterminada por líneas de fluencia de las cargas de losa, se muestra un mensaje que indica que el análisis del edificio no ha capturado todas las cargas aplicadas.
En esta etapa, los resultados del análisis mostrados en planta indicarán que no hay cargas en las columnas y algunas cargas en los muros.
La cantidad de carga en los muros será incorrecta, podría ser demasiado alta o demasiado baja; en este caso, la Carga Impuesta total en los tres paños del muro de núcleo anterior es 273.2 + 155 + 273.8 = 702kN, mucho menor que la obtenida en el modelo donde se incluyeron vigas articuladas.
En términos generales, como está bien documentado en otras fuentes, este análisis del edificio no tiene ningún valor respecto a los casos de carga muerta y carga impuesta. Para un modelo de losa plana, los casos de diseño para las cargas muerta e impuesta normalmente provienen de los resultados combinados de un descenso de cargas por elementos finitos.
Cargas de Losa – Descomposición por Elementos Finitos
Sin embargo, la carga aplicada a los muros (no a las columnas) se puede corregir mediante la opción de descomposición de cargas por elementos finitos (consulte la sección Líneas de Fluencia y Descomposición de Cargas por Elementos Finitos con Ejemplo para más información sobre esta opción). Tras realizar este cambio, las cargas en los muros varían como se muestra a continuación.
La Carga Impuesta total en los tres paños del muro de núcleo anterior ahora es 846.8 – 15.9 + 757.9 = 1588.8 kN. Como total, esto no difiere demasiado del total de 1382 kN obtenido para el modelo que incluía vigas articuladas; los efectos de continuidad de la losa en el análisis por elementos finitos hacen que se atraiga más carga hacia el núcleo en este caso. Esta carga también es más excéntrica, lo que provoca que se desarrolle tracción en el alma (para este ejemplo extremo).
Una vez más, el desplazamiento lateral de la estructura para el caso de carga por gravedad es evidente en la vista del posprocesador de análisis, y también es evidente la variación de tensiones a lo largo de la longitud de las alas del núcleo en forma de C.
En este ejemplo, el desplazamiento lateral máximo que se desarrolla es de 46 mm; el análisis que sigue busca poner esto en contexto.
Tenga en cuenta que, para los modelos de losa plana, también puede optar por mallar las losas de la planta en el análisis del edificio.
Consulte Opciones del Modelo > Modelo de Losa > Incluir Losas en el Modelo del Edificio para más información sobre esta opción.
Discusión
Excentricidad de la Carga
Como se señaló al principio, el modelo utilizado anteriormente es un ejemplo extremo. Para generar la carga desplazada más extrema dentro del núcleo en forma de C, este se ubica en un borde del modelo. En esta posición, un solo núcleo no puede estabilizar la estructura de manera eficaz. El desplazamiento lateral bajo los casos de carga nocional supera los 100 mm. Esta estructura no es algo que se construiría en la práctica.
Cuando las estructuras se estabilizan mediante un solo núcleo, este normalmente se ubica de forma más central y tenderá a atraer una carga más uniforme.
Si el ejemplo se ajusta como se muestra arriba, de modo que el núcleo atraiga carga desde todos los lados, el desplazamiento lateral bajo carga por gravedad solo se reduce de 46 a 40 mm (manteniendo todo lo demás igual). Aun así, esta estructura sigue presentando un desplazamiento lateral considerable debido a las cargas nocionales y, de nuevo, probablemente no sería algo que se construiría. (La forma abierta en C del núcleo es muy propensa a la torsión.)
Efectos de la Construcción y de la Fluencia
En caso de que el desplazamiento lateral inducido por las cargas de gravedad parezca considerable y se requiera alguna estimación del desplazamiento real, conviene considerar la secuencia de construcción y los efectos posteriores de fluencia.
El desplazamiento lateral se produce por la deformación axial diferencial dentro de los muros. Esta deformación axial es una combinación de deformaciones inmediatas cada vez que se apoya una planta nueva y de deformaciones de fluencia continuas. Ambos efectos dependen del tiempo. Cuando se añade la carga de una planta, el hormigón de los muros que la soportan será más joven en la planta inmediatamente inferior y progresivamente más viejo en las plantas inferiores. El hormigón más joven presentará una mayor deformación inmediata y una mayor deformación de fluencia a largo plazo debido a cualquier carga aplicada. Un análisis detallado de esto excede el alcance de este artículo, pero cabe señalar que existe una base común considerable con el análisis de las deflexiones de losa plana disponible en el tema Trabajar con Losas Planas.
Una evaluación muy sofisticada de este efecto tendría en cuenta la secuencia de construcción y los efectos dependientes del tiempo. En tales circunstancias, el resultado debe evaluarse en cuanto a su sensibilidad frente a variaciones en los supuestos en los que se basa. Para ser totalmente preciso, este análisis debería tener en cuenta que parte de la deflexión se compensaría en la construcción, ya que los muros se construyen tan verticales como sea posible durante la obra.
De hecho, el resultado obtenido mediante cualquier análisis complejo de este tipo se ubicará en algún punto entre dos extremos que podrían predecirse más fácilmente con un análisis estático lineal simple, usando distintos valores de E (módulo de Young) para el hormigón.
Se puede usar un valor de E a corto plazo para estimar un valor mínimo de la deflexión total.
En el caso de los muros, los efectos de fisuración probablemente pueden descartarse, por lo que solo es necesario considerar los efectos adicionales de fluencia. Es probable que el efecto neto de la fluencia sea menor al doble de la deflexión instantánea. Por lo tanto, el valor determinado arriba podría duplicarse, o podría realizarse otro análisis con E fijado en la mitad del valor a corto plazo.
Cuando se consideran modelos de losa plana, es práctica común usar valores de E a largo plazo fijados en aproximadamente ¼ del valor a corto plazo. Cuando esto se ha hecho, las estimaciones de deflexión por deriva provenientes del análisis del edificio probablemente sean demasiado altas, quizás por un factor de 2, según lo sugerido arriba.
Núcleos discretos
Cuando las estructuras cuentan con núcleos discretos o numerosos muros discretos que brindan estabilidad, los efectos suelen contrarrestarse entre sí.
En la vista anterior, el modelo está reflejado de modo que hay dos núcleos con forma de C. Este modelo no presenta deriva alguna en la dirección X bajo carga gravitacional, y los contornos de carga vertical indican tensiones relativamente uniformes dentro de los núcleos.
En este caso, los dos núcleos se apoyan entre sí, y los diafragmas de cada planta impiden que se desarrolle cualquier curvatura. Las cargas axiales en los paneles de muro en el nivel de la primera planta son mucho más uniformes, como se muestra a continuación.
La carga impuesta total en los tres paneles del muro de núcleo anterior es ahora 479.3 + 735 + 340.9 = 1555.2 kN. Panel por panel, estas fuerzas son bastante diferentes de las que arrojaba el modelo sin reflejar, pero el total de los 3 paneles es similar a los 1588.8 kN indicados anteriormente. Observe que los momentos de eje mayor en los paneles de muro también se reducen considerablemente.
Resultados basados en un descenso de cargas por EF
Para la mayoría de los modelos, los ingenieros estarán conformes con usar las fuerzas de diseño de los paneles combinadas a partir de un descenso de cargas mediante análisis por EF. En este caso, los resultados para este muro de núcleo serían entonces los que se muestran a continuación:
Una vez más, la distribución de fuerzas en los 3 paneles de muro es diferente, pero la carga impuesta total es similar, con 584.9 + 542.6 + 492.6 = 1620.1 kN. El método de descenso de cargas por EF no aborda la deriva introducida por la compresión axial diferencial en los muros del núcleo a lo largo de toda la altura del edificio. Sin embargo, sí introduce mayores efectos de flexión en el eje menor donde los muros interactúan con las losas.
En muchos muros que soportan losas planas, la flexión en el eje menor puede ser más significativa en el diseño del panel que las variaciones de carga axial y momento de eje mayor que puedan introducir los efectos de deriva.
Para este sencillo edificio de ejemplo de 10 plantas, a pesar de que los efectos de deriva se han forzado a niveles extremos poco realistas, los muros solo requieren armadura nominal, sin importar en cuál conjunto de fuerzas de diseño se base su diseño.
Se sugiere que, para los modelos de losa plana, es importante haber diseñado siempre los muros para las cargas generadas a partir de un descenso de cargas por EF. Luego se tiene la opción de verificar estos diseños comparándolos con los resultados generados por un análisis del edificio, donde la carga de los muros se ha determinado mediante descomposición por EF en cada planta.
Resumen final
En esta sección hemos analizado los efectos de deriva bajo cargas gravitacionales; es importante destacar que esto se relaciona por completo con la deriva generada en presencia de cargas aplicadas puramente verticales.
La posibilidad de que se desarrolle deriva debido al acortamiento axial diferencial es algo que la mayoría de los ingenieros habría ignorado de forma habitual en los cálculos manuales de la mayoría de las estructuras.
Esto no tiene nada que ver con las cargas nocionales, que se aplican por separado y siempre se tendrán en cuenta en el diseño, siempre que las haya incluido en sus combinaciones de diseño.
En los modelos aporticados de ProtaStructure, el efecto siempre queda incluido y expuesto por el análisis 3D.
Para los modelos de losa plana, el efecto no se revela mediante un descenso de cargas por EF, pero puede revelarse si se desea. Se destaca, sin embargo, que recomendamos diseñar los muros para las cargas provenientes de un descenso de cargas por EF, y luego, si se desea, realizar un diseño de verificación posterior para los efectos de deriva del edificio. Por muchas razones señaladas en el texto de esta sección, se anticipa que esta verificación solo producirá un diseño más crítico en edificios altos o en ejemplos bastante extremos.
Para conocer los efectos del acortamiento axial diferencial, consulte este artículo: Efecto de deformación axial diferencial (DADE) en el análisis 3D de edificios