Se puede definir al colapso progresivo como la propagación de una falla local inicial, de elemento a elemento, resultando eventualmente en el colapso de una estructura completa o una gran parte de esta (Figura 1) (ASCE 7-10). Algunos autores han definido la resistencia al colapso progresivo como la capacidad de una estructura de acomodarse (adecuarse) con solo fallas locales, a la remoción teórica de cualquier elemento estructural individual que la constituye. Además, la falla de una columna en una estructura de una, dos, tres o hasta incluso cuatro columnas puede generar un colapso general (Figura 2). De manera similar, la falla de un elemento portante importante en el piso inferior de una estructura de dos o tres pisos puede causar el colapso general de toda la estructura (Proyecto de Reglamento CIRSOC 101-22).
Un ejemplo de colapso local limitado sería la contención del daño en los tramos y pisos adyacentes después de la destrucción de una o varias columnas vecinas en una estructura de varios tramos. Otro ejemplo de colapso local limitado lo constituye la contención de los daños circunscriptos a un área de dos o tres pisos de una estructura más alta, después de la falla de una sección del muro de carga en un piso (Figura 3).
La redundancia estructural es la capacidad que poseen los componentes de una estructura para poder conducir cargas, siendo capaces de transferirlas según distintos caminos desde su punto de aplicación hasta un punto resistente. En todos los casos, el Proyectista debe tener presente y evaluar adecuadamente el camino de las cargas. El análisis de una estructura por el efecto de colapso progresivo tiene como propósito evaluar su comportamiento ante la pérdida de alguno de los elementos verticales (columna o tabique). El evento en sí que genera la falla del componente estructural vertical no es relevante en este tipo de estudios, ya que representan situaciones de muy baja probabilidad de ocurrencia. Se asume que el evento, sea del origen que sea, ya ocurrió y produjo como consecuencia una falla local de algún elemento portante vertical. En cuanto a la falla que puede producir el colapso progresivo, se puede mencionar la presencia de una sobrecarga imprevista, el uso inadecuado de locales (por ejemplo frente al cambio de destino de una oficinas que se empleó como archivo o depósito), el incremento excesivo de cargas permanentes por encima de lo previsto en el proyecto, cargas anormales como explosiones (no originadas por atentados), choque o impacto vehicular sobre una columna (Figura 4), asentamientos diferenciales excesivos entre columnas, defectos de diseño o en la ejecución, deterioro (por ejemplo por corrosión) de las armaduras u otros elementos componentes, entre otros.
PROVISIÓN DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL GENERAL
En los Comentarios al Art. 1.4 del Proyecto de Reglamento CIRSOC 101-22 se anexa una serie de directrices para la provisión de integridad estructural general. Generalmente, las uniones entre componentes estructurales deben ser dúctiles y tener una capacidad para soportar deformaciones relativamente grandes y absorber energía bajo el efecto de condiciones anormales. Este criterio se cumple de muchas formas diferentes, dependiendo del sistema estructural utilizado. Los detalles que son apropiados para la resistencia a cargas de viento moderadas y a cargas sísmicas a menudo proporcionan suficiente ductilidad. Existen varias formas de diseñar una estructura con el fin de lograr la integridad requerida que permita redireccionar las cargas alrededor de paredes, muros, cabriadas, celosías, vigas, columnas y pisos severamente dañados. Algunos ejemplos de conceptos y detalles de diseño según ASCE 7-10 son un buen diseño en planta, proporcionar un sistema integrado de vínculos entre los principales elementos del sistema estructural, cambiar las direcciones de la luz de la losa de piso, generar divisiones interiores capaces de absorber cargas, evaluar la acción de catenaria de las losas de entrepiso, sistemas estructurales redundantes, proporcionar un detallado dúctil de las armaduras, disponer armaduras o refuerzos adicionales para resistir explosiones o inversiones de las cargas y emplear construcciones compartimentada en combinación con pórticos especiales resistentes a momentos.
Para el diseño y armado se emplean los criterios establecidos por la norma de aplicación que establezca el Comitente. Debe tenerse presente el no combinar especificaciones de distintas normas para una estructura dada porque puede conducir a errores graves. Lo que sí es factible es el dimensionado por una norma y la verificación por otra. Deben evaluarse los efectos de segundo orden en elementos comprimidos y tener precaución con los detalles de armado que son fundamentales para asegurar que la estructura pueda ser correctamente hormigonada y funcionar adecuadamente. Adicionalmente, se debe tener en cuenta la esbeltez y dimensiones mínimas indicadas por las reglamentaciones vigentes para los elementos soporte, especialmente para aquellos que puedan sufrir potenciales impactos en espacios de cocheras de planta baja de edificios de altura (Figura 5). En función de las condiciones del medio debe analizarse la fisuración para los elementos sometidos principalmente a flexión o tracción, particularmente en aquellas estructuras en donde prevalezca el peso propio y verificar si las deformaciones son compatibles con las condiciones de uso.
De utilizarse un programa de dimensionado debe ser adecuadamente verificado, conocer sus limitaciones y prestaciones y analizar con juicio crítico los resultados obtenidos. Asimismo se debe considerar que en general dichos programas no evalúan efectos localizados tales como: introducción de cargas puntuales, apeos, armado de nudos, zonas con orificios en losas, entre otros. En ocasiones presentan esquemas detallados de armaduras que en afán de su optimización generan dificultades con las longitudes de anclaje necesarias y requeridas, las que permiten un trabajo pleno de las armaduras. Debe evaluarse si la etapa constructiva puede ocasionar solicitaciones más desfavorables que las derivadas de la situación final de servicio, en tales casos, el proyecto debe incluir las indicaciones al respecto de la forma de llevar adelante la construcción. Las omisiones en estos aspectos son fuente frecuente de origen de patologías en estructuras de edificios. Un ejemplo de ello, es el del colapso progresivo tanto vertical como horizontal del Skyline Plaza Apartments en 1973 en Estados Unidos (Figura 6). El hecho ocurrió durante la construcción del piso 24º y se produjo sobre el nivel 23º por punzonamiento ante una remoción prematura del encofrado.
Para esta etapa, es importante la lectura de los Capítulos 10 al 19 del Reglamento CIRSOC 201-05 o de los Capítulos 22, 23 y 24 del ACI 318-25 de corresponder su aplicación. En casos que así lo requieran, será necesario aplicar el método de Bielas y Tensores del Apéndice A del Reglamento CIRSOC 201-05 o del Capítulo 23 del ACI 318-25.
Para el análisis no se suelen considerar los efectos de las acciones sísmicas ni de explosiones producto de atentados. En cuanto al momento del evento, puede ser durante la construcción o bien durante su vida útil. Dada la dificultad de predecir la ubicación y la magnitud del evento extremo, no es práctico desarrollar el diseño bajo las hipótesis tradicionales, el enfoque actual es intentar minimizar los daños sin poder eliminar el riesgo, sino de tratar de atenuar sus consecuencias. El daño local más importante para mantener la integridad del edificio es la falla de una de sus columnas o tabiques, y se trata de evitar que dicha falla conlleve un colapso en cadena o progresivo, generando a tal fin rutas de cargas alternativas o mecanismos de transmisión de cargas alternativos viables. Algunas medidas a tener en cuenta es en lo posible evitar apeos de columnas sobre vigas (Figura 7) y lo deseable es colocar más de tres columnas por eje. Otros requisitos necesarios pero no suficientes son emplear sólo estribos de corte cerrados con gancho a 135°, densificando los mismos en las zonas de los nudos, con cierta cantidad mínima de armadura inferior y superior continua en vigas buscando la redundancia estructural. Por todo ello, las estructuras diseñadas en zonas sísmicas poseen mayor resistencia al colapso progresivo.
Frente a una estructura con configuración regular y con redundancia estructural sencilla se observa un incremento importante del esfuerzo axil en las columnas aledañas a la que falla. Si dichas columnas fueron correctamente diseñadas, el esfuerzo adicional podría ser absorbido por el coeficiente de seguridad mínimo previsto, evitando el colapso inmediato. Ello requiere brindar una sobrerresistencia a las columnas de esquina y las primeras aledañas a las anteriores. Como sugerencias, es posible indicar que todos los empalmes de las columnas deberían diseñarse por tracción, que es muy importante adoptar los recaudos de armaduras mínimas continuas inferiores y superiores previstas en el código ACI 318 y la utilización de estribos cerrados, aunque no es suficiente. Sobre las vigas la situación es más crítica, aún con una configuración muy favorable del armado. Asimismo, es necesario estudiar posibles mecanismos de transmisión alternativos de las cargas, donde colaboren las losas con armadura adicional en las mismas para materializar potencialmente dichos mecanismos.
Normativas de referencia
Las normativas que actualmente tratan este tipo de diseños están asociadas a edificios gubernamentales, como es el caso de la norma UFC 4-023-03 para el “Diseño de Edificios para Resistir Colapso Progresivo” destinada a edificios del Departamento de Defensa o la norma GSA “Guías de Análisis y Diseño para Resistir Colapso Progresivo” para nuevos edificios federales. Por su parte, el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201-24 incorpora en esta última edición el concepto de integridad estructural como la capacidad de una estructura para redistribuir los esfuerzos y mantener la estabilidad a través de la resistencia, redundancia, ductilidad y detallado de la armadura cuando se produce un daño localizado u ocurrencia de sobreesfuerzos importantes.
Para losas de hormigón armado en una dirección construidas in situ, el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201-24 solicita que por lo menos un cuarto de la armadura positiva máxima debe continuarse y que la armadura longitudinal considerada como aporte a la integridad en los apoyos no continuos debe anclarse para desarrollar la tensión de fluencia (fy) en la cara del apoyo. Si es necesario empalmar la armadura continua colocada para satisfacer los requisitos de integridad, se debe empalmar cerca de los apoyos. Los empalmes deben ser mecánicos o soldados o yuxtapuestos de Clase B. Adicionalmente, para el caso de losas en dos direcciones, todas las barras inferiores dentro de la franja de columna, en cada dirección, deben ser continuas o estar empalmadas con empalmes mecánicos o soldados o empalmes a tracción Clase B y para entrepisos sin vigas ubicarse como se indica en el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201-24. Al menos dos barras o alambres inferiores de la franja de columna, en cada dirección, deben pasar a través de la región circunscrita por la armadura longitudinal de la columna y deben anclarse en los apoyos exteriores.
Para el caso de las vigas, la experiencia ha demostrado que cuando se daña un apoyo y la armadura superior continua sobre el apoyo no dispone de estribos que lo confinen, éste tiende a desprenderse del hormigón y no proporciona la acción de catenaria necesaria para generar un efecto de puente sobre el apoyo dañado. La acción de catenaria puede lograrse haciendo que parte de la armadura inferior sea continua. Si la altura de una viga continua cambia en el apoyo, la armadura inferior en el elemento más alto debe terminar con un gancho estándar o ser una barra con cabeza, y la armadura inferior del elemento más bajo debe extenderse y desarrollarse completamente en el elemento más alto. Por esto, el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201-24 requiere en las vigas localizadas a lo largo del perímetro de la estructura que aI menos un cuarto de la armadura de tracción para momentos positivos debe ser continua. AI menos un sexto de la armadura de tracción requerida para momentos negativos en el apoyo, pero no menos de dos barras, debe ser continua. La armadura longitudinal destinada a la integridad debe estar encerrada por estribos cerrados a lo largo de la luz libre de la viga. En vigas no perimetrales, la armadura para la integridad estructural debe ser aI menos un cuarto de la sección máximo para momento positivo, pero no menos de dos barras o torones, deben ser continuos. La armadura longitudinal también debe estar rodeada por estribos cerrados a lo largo del vano libre de la viga. La armadura longitudinal destinada a la integridad estructural debe pasar a través de la región circunscrita por la armadura longitudinal de la columna. En los apoyos no continuos debe anclarse para desarrollar la tensión de fluencia (fy) en la cara del apoyo. Cuando se requieran empalmes, el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201-24 requiere que las armaduras para momento positivo deben ser empalmadas en el apoyo o cerca de él. La armadura para momento negativo debe ser empalmada en la mitad de la luz, o cerca de ésta.
No obstante lo indicado por las prescripciones, ante la falla de una columna interna, el diagrama de momentos antes negativo sobre el apoyo, pasa a valores positivos superiores a los de tramo, por lo que se sugiere no cortar barras inferiores sobre columnas. Para ello es posible adoptar armadura inferior continua en la zona de apoyo con la columna y desfasar los empalmes de la misma hacia la zona del vano dando continuidad a la armadura inferior sobre columna.
CONCLUSIONES
Sobre la estructura se ejerce un conjunto de acciones externas como cargas derivadas del peso propio y las sobrecargas, el viento, sismo, asentamientos de apoyos, variaciones de temperatura, etc., y la estructura como respuesta a las mismas presenta deformaciones, fisuración, solicitaciones internas y eventualmente, daños. La respuesta de la estructura debe mantenerse dentro de ciertos límites de tal forma que no se afecte su funcionamiento ni su seguridad frente a la falla. Un determinado elemento estructural para cumplir con la finalidad para la cual ha sido proyectado, deberá verificar los estados límites que ocasionen la puesta fuera de servicio del mismo. Se puede clasificar los estados límites en tres grupos:
- Estados límites últimos (ELU).
- Estados límites de servicio (ELS).
- Estados límites de durabilidad (ELD).
- Dentro del primer grupo se encuentran:
- La pérdida de equilibrio estático de la estructura.
- La rotura de la sección (flexión, corte, torsión, compresión, tracción, entre otros).
- Inestabilidad local de algún elemento comprimido (pandeo).
- Rotura por punzonado.
- Fallas de adherencia en anclajes, empalmes, entre otros.
- Como estados límites de servicio se pueden mencionar a modo de ejemplo:
- Fisuración excesiva.
- Deformaciones excesivas (por ejemplo en una viga de puente grúa).
- Vibraciones excesivas o perceptibles para sus ocupantes (por ejemplo en un edificio de gran altura).
- Asentamientos totales y diferenciales en fundaciones.
- Respecto del estado límite de durabilidad, es importante remarcar:
- Recubrimientos mínimos.
- Tipo y contenido mínimo de cemento.
- Resistencias mínimas del hormigón.
- Otras.
A los estados últimos mencionados es necesario incorporar los siguientes requisitos mínimos:
- Resistencia al fuego.
- Sostenibilidad.
- Integridad estructural.
Al dimensionar una estructura, el criterio será obtener en lo posible, fallas que “preavisen”, o sea roturas dúctiles, que son aquellas que vienen precedidas de una serie de fenómenos que alertan (fisuración, deformaciones, entre otros) y conducen a la falla o puesta fuera de servicio gradual. Esto es deseable, dado que permite adoptar medidas correctivas antes de llegar a una situación de colapso, la que independientemente de las pérdidas económicas, puede implicar la pérdida de vidas. Se debe destacar finalmente que no cualquier combinación de hormigón y acero define en sí un elemento de hormigón armado.
Por ING. RODOLFO ORLER E ING. HUGO JUAN DONINI
