Fuente: Revista Mexicana de la Construcción

En este artículo se presenta un breve análisis de las características estructurales que modifican de manera negativa el comportamiento de un edificio ante un sismo, sus efectos sobre los elementos estructurales y algunas estadísticas de estos efectos sobre las estructuras en sismos previos. Se concluye que la presencia de patologías en una estructura agrava el daño, e incluso puede ser causa de él.

La palabra patología evoca el área de la medicina en la que se estudian los tejidos enfermos, sus síntomas y las causas que los producen. Hablando desde el punto vista estructural, la palabra no pierde su significado, ya que las patologías de alguna manera enferman a las estructuras; existen patologías congénitas, es decir, cuando la estructura nace con ellas, y hay patologías que la estructura adquiere durante su vida útil. Ambas causan efectos negativos, los cuales generalmente son difíciles de modelar y por lo tanto de predecir.


Lamentablemente, las modificaciones sin supervisión son un mal muy común en México. tal falta de supervisión provoca que algunos elementos estructurales sean irresponsablemente retirados o modificados, sin el conocimiento de los efectos que esto acarreará. Esto conduce a que el comportamiento proyectado en el diseño estructural sea totalmente diferente, y con seguridad deficiente ante la acción de un evento sísmico.


Para el caso de la Ciudad de México, las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo de 2017, en su sección 5, especifican las llamadas “condiciones de regularidad”; se describen allí algunas características que las estructuras deben tener para considerarse regulares. En caso de no cumplirlas, las estructuras deben ser diseñadas para resistir fuerzas sísmicas mayores que las que se usarían en caso de ser regulares. Con esta acción se intenta cubrir las incertidumbres que generan las irregularidades en el comportamiento final de la estructura.

Sin embargo, es preciso tener en cuenta que las condiciones y reglas que proveen los códigos de diseño sísmico están basadas en hipótesis apuntaladas por la teoría de la mecánica de los materiales, la dinámica de estructuras y la ingeniería sísmica, las cuales permiten hacer aproximaciones del comportamiento sísmico que tendría una estructura; empero, la presencia de patologías estructurales provoca que las hipó-tesis en las cuales se basan las reglas de diseño vayan dejando de tener validez, introducen cada vez más incertidumbres a nuestros modelos y provocan que al final las estructuras se comporten de una manera diferente, para posteriormente dañarse más de lo esperado (véase figura 1).

Clasificación de las patologías
Entre los efectos negativos que produce la presencia de patologías estructurales están las demandas adicionales de torsión, concentración de esfuerzos en elementos estructurales, incremento de las fuerzas sísmicas y directamente daños adicionales a los causados por el movimiento fuerte del terreno. Entre las principales patologías estructurales podemos encontrar las que se desarrollan en los siguientes apartados.

Efecto de esquina
Este efecto en general se presenta en estructuras que se encuentran localizadas en esquinas, espacialmente hablando. La patología sucede cuando están formadas por dos muros de colindancia contiguos y dos fachadas con aberturas importantes para ventanas y puertas. Esta configuración estructural hace que una parte del edificio (la colindante con otras estructuras) sea mucho más rígida que la otra, y provoca que, ante las fuerzas sísmicas, el edificio rote sobre su eje longitudinal y genere esfuerzos torsionantes adicionales en los diferentes elementos estructurales. Esta condición generalmente es provocada por la posición de la estructura en una cuadra; sin embargo, debe resaltarse que existen estructuras ubicadas espacialmente en una esquina pero que están aisladas de otras estructuras, es decir, cuentan con cuatro fachadas. En este caso, tales estructuras no padecen la patología de efecto de esquina.

Irregularidad en planta
Esta condición se presenta en estructuras cuya configuración en planta (vista aérea) tiene formas irregulares, tales como superficies muy alargadas, triangulares, trapezoidales, en L, en H o con alguna otra forma que no sea un rectángulo con lados similares. Igual que la condición anterior, esta patología produce torsiones adicionales en los elementos estructurales, los cuales pudieron no haber sido diseñados para soportarlas. Esta condición en general es provocada por diseños arquitectónicos poco conservadores.

Irregularidad en elevación
Las irregularidades en elevación se presentan cuando existe un cambio abrupto en la geometría de los diferentes entrepisos que componen una edificación. Este cambio provoca que la distribución de pesos de cada entrepiso sea irregular, y hace que durante un sismo la estructura vibre de manera muy compleja y disminuyan las aproximaciones en el cálculo del comportamiento del edificio. Esto se suma a problemas de cabeceo y efectos conocidos como P-delta. De la misma manera que el punto anterior, esta condición es generada desde el diseño arquitectónico del edificio.

Efecto de columna corta
Se presenta cuando una estructura posee columnas con muros de relleno ligados a ellas, pero estos muros no rellenan en su totalidad el espacio entre columnas y hacen que la distancia libre de las columnas sea más corta. Esta condición provoca que las fuerzas sísmicas se concentren en esos espacios de columna libre, los cuales generalmente no son diseñados para soportar tales niveles de fuerza, y así se provoca daño en exceso y se compromete la estabilidad de la estructura. Tal efecto generalmente es provocado por asuntos arquitectónicos relacionados con la iluminación natural dentro del edificio.

Planta baja débil
La planta baja débil es un efecto que se genera por la ausencia de muros en la planta baja de una edificación, en relación con los pisos superiores. También se puede presentar cuando la planta baja tiene una altura notoriamente mayor que el resto de los entrepisos. Esto provoca que, ante fuerzas laterales, los desplazamientos que deberían ser distribuidos en toda la altura del edificio sean absorbidos sólo por la planta baja, que se daña en exceso y compromete la estabilidad de toda la edificación. Muchas fallas de estructuras en el mundo están ligadas a esta patología, una condición que se presenta destacadamente en diseños arquitectónicos que atienden la necesidad de estacionamiento en los edificios.

Sobrepeso
Cuando se diseña una estructura, se debe tener claro el uso que se la dará, ya que las cargas que se considerarán para establecer el tamaño y la resistencia de los elementos estructurales dependerán de éste. Cuando toda la estructura o un entrepiso se utiliza para un objetivo diferente, en el cual las cargas serán mayores a las consideradas en el diseño original, es muy probable que las características de los elementos estructurales sean insuficientes, y esto resulte en daños mayores durante la ocurrencia de un sismo. Esta fue una patología ampliamente observada durante el sismo de 1985 en edificios que fueron diseñados como vivienda y eran usados como almacenes y talleres de costura, con pesos mucho mayores que los de diseño.

Golpeteo
El golpeteo entre estructuras se presenta cuando la separación entre edificios no es lo suficientemente grande. Esto hace que, durante un sismo, los edificios choquen entre ellos y se dañen mutuamente. Se ha observado que esta condición empeora según sea la configuración de los edificios involucrados; los edificios de diferente altura cuyas losas no son colineales son los más afectados.

Modificaciones
Lamentablemente, las modificaciones sin supervisión son un mal muy común en México. Tal falta de supervisión provoca que algunos elementos estructurales sean irresponsablemente retirados o modificados, sin el conocimiento de los efectos que esto acarreará. Esto en definitiva conduce a que el comportamiento proyectado en el diseño estructural sea totalmente diferente, y con seguridad deficiente ante la acción de un evento sísmico.

Daños previos y falta de mantenimiento
Durante la vida de un edificio, éste se verá sometido a múltiples eventos sísmicos, algunos más intensos que otros, los cuales provocan daños en el sistema estructural. Estos daños, si no son atendidos, se pueden ir intensificando con sismos moderados, y así, para el momento en que se presente un sismo intenso, la estructura ya no contará con la totalidad de su resistencia y por tanto se dañará gravemente. La falta de mantenimiento, aunque en menor medida, también provoca estos efectos: corrosión en acero de vigas o columnas, grietas, desmoronamiento de muros y otros efectos, que reducen la calidad de la edificación.
En la figura 2 se presenta un esquema en el cual se ejemplifican algunas de las patologías anteriormente descritas.

Cuando una estructura colapsa, existen mecanismos de falla muy marcados que pueden ser relacionados directamente con las patologías estructurales (véase figura 3).
Durante el pasado sismo de septiembre de 2017 se observó que la presencia de patologías estructurales tuvo un papel muy importante en los daños observados. Se pudo concluir que, del total de edificios dañados, prácticamente ninguno podría considerarse sano, ya que todos padecían al menos de una patología estructural. Entre los edificios que resultaron con daños importantes o que presentaron colapsos se pudo observar el impacto de algunas patologías más que de otras (véase
gráfica 1).


Los efectos de planta baja débil y la irregularidad en planta así como el golpeteo entre estructuras, fueron las patologías más comunes en los daños causados por el sismo de septiembre de 2017, mientras que los efectos de columna corta no se presentaron en demasía. Cabe resaltar que la gran mayoría
de edificios estudiados tiene o tenía más de una patología estructural.

Se puede observar que los efectos de planta baja débil y la irregularidad en planta, así como el golpeteo entre estructuras, fueron las patologías más comunes en los daños, mientras que los efectos de columna corta no se presentaron en demasía. Cabe resaltar que la gran mayoría de edificios estudiados tiene o tenía más de una patología estructural.


Las estructuras que padecen alguna patología pueden ser curadas (rehabilitadas), primeramente, mediante un complejo y riguroso proceso de análisis estructural, el cual tomará en cuenta las patologías y permitirá así hacer una aproximación (concepto clave) del comportamiento estructural ante cargas sísmicas, para posteriormente, por el tipo de respuesta del edificio, proponer las medidas de rehabilitación.


Las patologías estructurales introducen incertidumbres en la respuesta sísmica de los edificios; estas incertidumbres hacen que las aproximaciones calculadas en los análisis estructurales típicos para el diseño símico de estructuras sean muy limitadas, y que se requieran análisis mucho más complejos y detallados que en la mayoría de los casos no son llevados a cabo, ya sea por falta de tiempo y recursos o por ignorancia de los dueños, arquitectos e ingenieros. Así pues, la mejor solución es que desde la etapa del proyecto se evite que los edificios nazcan enfermos.

Cualquier medida de rehabilitación aplicada sin un análisis estructural previo puede empeorar el comportamiento en vez de mejorarlo, igual que sucede en la
medicina. Algunas de las medidas típicas de rehabilitación estructural son el reforzamiento, la rigidización, los disipadores sísmicos y la disminución de masas, entre muchas otras.

Conclusiones
Las patologías estructurales son un mal muy común que generalmente se deriva de las necesidades arquitectónicas de espacio, iluminación y estética; sin embargo, estas soluciones deben ser absolutamente congruentes con la seguridad estructural en zonas de alta sismicidad, tales como la Ciudad de México.

Las patologías estructurales introducen incertidumbres en la respuesta sísmica de los edificios; estas incertidumbres hacen que las aproximaciones calculadas en los análisis estructurales típicos para el diseño símico de estructuras sean muy limitadas, y que se requieran análisis mucho más complejos y detallados que en la mayoría de los casos no son llevados a cabo, ya sea por falta de tiempo y recursos o por ignorancia de los dueños, arquitectos e ingenieros. Así pues, la mejor solución
es que desde la etapa del proyecto se evite que los edificios nazcan enfermos.

Estimado lector, éste y otros artículos de interés los podrá encontrar en la Revista Mexicana de la Construcción No. 637 Enero-Febrero 2019