Explicando el concepto de torsión en edificación ¿Por qué se produce? : ingeniería sismorresistente para todos

Saludos a la comunidad científica de HIVE como lo es StemSocial y la subcomuniad de Stem-Espanol, continuamos con la difusión del conocimiento en torno a la ingeniería sismorresistente, en el marco de la temática Ingeniería Sismorresistente para Todos. En esta ocasión abordaremos un esfuerzo super interesante que se puede dar en las estructuras, este esfuerzo es la torsión, un esfuerzo que como se ve en la siguiente imagen lo podemos definir en términos prácticos como que el elemento se retuerce sobre su propio eje longitudinal.

Y ustedes se preguntarán ¿y cómo esto puede ocurrir en una edificación? En esencia porque el centro de masa CM y el centro de rigidez CR no coinciden, llegándose a la conclusión de que mientras más cercanos estén estos centros (CM y CR) la torsión será mínima, y mientras mas alejados la torsión será muy grande, y por supuesto los daños también, acotando que estos esfuerzos y sus consecuencias se activan ante la excitación dinámica del edificio, que en el estudio que hacemos la representaremos como el sismo. Ahora bien, antes de ver los casos prácticos, te invito a visualizar el CM como ese lugar geométrico de la estructura donde se pueden idealizar concentradas todas las masas de la misma, y el Centro de Rigidez “CR” como ese lugar geométrico cuya posición se va a tender a ubicar, hacia ese lado de la estructura donde se deformará menos, es decir, esa zona que presenta mayor rigidez. Vale destacar que estas son definiciones super sencillas, porque la idea de esta publicación es entender por qué la torsión se produce en términos prácticos. En este sentido, te presento los materiales didácticos que estaremos usando:

Vemos una caja, que hará las veces de un edificio de 01 nivel, los vértices de la misma los podemos ver como las columnas, la parte superior es la losa, y el cartón entre vértices pueden ser los muros. En el caso inicial de estudio, tenemos una distribución simétrica de las masas y de las rigideces, las cuales pueden estar representadas por las columnas y el muro en cuestión, y es simétrico porque hay una columna en cada esquina (imaginemos todas de una misma sección) y los muros dispuestos uniformemente, en ese caso el CM y el CR tenderán a coincidir, por lo que ante una excitación dinámica de la estructura, la torsión será mínima o prácticamente nula.

Ahora ¿qué ocurre si agrandamos uno de los muros de la estructura? Con una caja vacía de las pastillas que usa mi mama te ilustro esta idea, por lo que te invito a que veas la siguiente imagen animada:

Ahora una parte de la estructura tendrá mayor rigidez, y ese punto geométrico que representa el CR tenderá a desplazarse hacia ese lado, ampliándose la distancia entre el CM y el CR, por lo que la torsión será mayor ante una excitación dinámica, como el sismo. Ahora para el caso 03 de estudio agudizamos la situación, incorporando una caja más hacia ese lado, como se aprecia a continuación:

¿Qué creen ustedes que ocurra? El CR se desplazará aún más, separándose mucho más del CM, incrementando por lo tanto la torsión ante un Sismo. Ahora te comparto este caso muy interesante, donde el agrandamiento del muro ocurre a ambos lados, es decir, se respeta una cierta simetría en la edificación. ¿Qué creen ustedes que pasa con el Centro de Rigidez?

Precisamente como los elementos que aportan las rigideces se agrandan de forma simétrica, el CR tenderá a estar cerca del centro de masa, y por lo tanto la torsión será mínima. Ahora bien, te comparto en la siguiente imagen como se materializa la Torsión ¿ se imaginan lo grave que puede ser para una estructura que se tuerza sobre su propio eje?

Es por eso que nuestras edificaciones debemos alejarlas lo mas que se pueda de este tipo de solicitaciones y un camino es que al proyectarles tratar de realizar una adecuada distribución de las rigideces, en próximas publicaciones realizaremos ejemplos numéricos para ampliar estas ideas, las cuales parecen ser sencillas a simple vista, pero tienen un gran impacto en el comportamiento sismorresistente de un edificio. Espero estos contenidos expuestos hayan sido de tu agrado. Nos leemos en una próxima oportunidad. Escribió para ustedes:

@eliaschess333

Fuentes de Información Consultadas

Andrew Pytel and Ferdinand Singer. Strength of Materials-Introduction to Solid Mechanics. Fourth Edition. 1994

Anil K. Chopra. Dinámica de Estructuras. Cuarta Edición. Editorial PEARSON.