Este documento describe el diseño y comportamiento de pórticos arriostrados concéntricos que utilizan una columna zipper suspendida. Los pórticos arriostrados concéntricos surgieron en el siglo XX como una alternativa estructural para edificios de mediana y baja altura. La columna zipper es un elemento vertical añadido que permite redistribuir las fuerzas entre los arriostres de manera uniforme a lo largo de la estructura, evitando la concentración de daños en pocos pisos. El documento analiza diferentes enfoques

1. Diseño y comportamiento de
pórticos arriostrados concéntricos
usando columna Zipper Suspendida

2. ANTECEDENTES
Los pórticos arriostrados concéntricamente surgieron a inicios del siglo XX como
una alternativa estructural para edificios de mediana y baja altura, con la presencia
de elementos diagonales, también conocidos como riostras o arriostres, se logró
modificar notablemente el comportamiento del pórtico permitiendo lograr un
adecuado control del desplazamiento lateral de la estructura. Hoy en día se utilizan
ampliamente en regiones de alta sismicidad, ya que, permite lograr ahorros
significativos con respecto a los pórticos resistentes a momentos.

3. Cortantes de piso: resistidos por
arriostramientos y vigas.
 Momentos de volteo: resistidos
por las columnas.
En vista de ello, se han propuesto mejoras que permita que el
daño se logre de manera uniforme en la altura a través del
pandeo simultáneo de todas las riostras a compresión, de
manera que se puede lograr que la estructura entera soporte
mayores deformaciones inelásticas al ser sometidas a
solicitaciones sísmicas.
Dentro de las distintas configuraciones que pueden adoptarse
para este sistema estructural destaca la configuración tipo V
invertida por su amplia implementación. Sin embargo, esta
configuración presenta ciertas desventajas, tales como: a)
Requiere el uso de vigas de secciones considerables para evitar
la degradación de la rigidez de la estructura y b) No es capaz de
distribuir la demanda sísmica en la altura de la estructura.
V V invertida Zipper X o cruz de
San Andrés
Diagonal simple K X dos pisos

4. La columna zipper es un elemento vertical añadido al
sistema de pórticos arriostrados concéntricamente, para
enlazar las intersecciones entre las vigas y las riostras.
Esta columna es diseñada para contrarrestar el efecto del
desbalance de fuerzas generado por la diferencia de
resistencias de las riostras en el nivel inferior.
Una vez que la fuerza desbalanceada se transfiere a la
columna zipper, este elemento es capaz de redistribuirla a
las riostras ya sea del piso superior o inferior,
dependiendo de la dirección de la propagación del
pandeo de la riostra, así se logra distribuir el daño
concentrado en un solo piso hacia la altura de la
estructura.

6. Chuang-Sheng Yang, Roberto T. Leon,
Reginald DesRoches.

7. Comportamiento Histeretico de Riostras
El elemento (riostra) es cargado en compresión hasta alcanzar la carga
crítica de pandeo.
Durante el pandeo, la riostra no solo se acorta longitudinalmente, sino que
también experimenta una deflexión lateral que sumada a la carga axial
aplicada inducen momentos de segundo orden con un valor máximo en la
sección media del elemento (esto para una condición de vínculos doblemente
articulada), la resistencia a compresión decae rápidamente.
Cuando se inicia la carga a tracción, la rigidez axial de la riostra esta
degradada por efecto del pandeo que experimentó, las rotaciones en la
articulación plástica se invierten y la deflexión lateral decrece, al seguir
cargando, la riostra fluye hasta alcanzar la fluencia y se deforma
inelásticamente. Sin embargo, no es posible remover completamente la
deflexión lateral y retornar a una condición perfectamente recta del elemento.
Al remover la carga el elemento experimenta aún deformaciones
permanentes.
Al iniciar el segundo ciclo de compresión sobre el elemento éste pandea
a un nivel de carga mucho menor que la carga critica que alcanzó en el
primer ciclo.
Cargas adicionales implicarán nuevamente una articulación plástica en el
centro del elemento producto del momento P-Δ. La curva de histéresis
así concebida permanece básicamente igual ante ciclos subsecuentes.
(Engelhardt, 2007).

8. Uso de columna Zipper suspendida en SCBF
Los pórticos arriostrados diseñados de acuerdo con los códigos sismorresistentes
modernos, se espera que pueda soportar varios ciclos de inversión de carga en el
rango inelástico, sin una reducción significativa de la resistencia o rigidez. Sin
embargo, las investigaciones realizadas por: Khatib et Alabama. (1988); Sabelli
(2001); Tremblay (2003); Uriz y Mahin (2008); Hines y col. (2009); Chen y Mahin
(2010); y Lai y Mahin (2015), pruebas experimentales (por ejemplo, Foutch et al.
(1987) y Uang y Bertero (1986) y las observaciones posteriores a sismos (por
ejemplo, Rai y Goel (2003) han indicado que los pórticos arriostrados
concéntricamente tienden a concentrar el daño en unos pocos pisos "débiles" en
respuesta al sismo.

9. Khatib et al (1989) sugirió agregar una
columna vertical en los puntos de
intersección de las vigas con los
arriostres del pórtico. Esta columna
transmite la fuerza vertical
desbalanceada desde los arriostres
después de pandearse, o fluir, al piso
superior redistribuyéndola a los
arriostres.
La propagación del pandeo y la fluencia
a los pisos superiores resulta similar a
una cremallera o su vocablo anglosajón
“Zipper” de la cual este sistema derivó
el nombre de "Pórtico Zipper".

10. Efecto “Carga desbalanceada”
v
Δ
v
Δ
v
Δ

11. Enfoque de la columna zipper en tensión
En el trabajo titulado “Comportamiento sismico de porticos arriostrados de acero”
(Khatib, Mahin, & Pister, 1988), se introduce lo que sería un nuevo sistema
estructural, definiendo así el punto de partida a la solución de las desventajas de la
configuración V invertida en pórticos arriostrados concéntricamente.
La propuesta consistió en la incorporación de un elemento vertical (columna
Zipper) entre uniones viga-arriostres en toda la altura para una configuración V
invertida, con el objetivo principal de conducir hacia los pisos superiores la carga
vertical desbalanceada que se genera en dicha unión, una vez, que ha ocurrido el
pandeo del arriostre a compresión.
La premisa básica se fundamenta en que el pandeo de los arriostramientos inicia en
el primer piso y posteriormente se propaga hacia arriba, lo que implica que la
estructura se deflactará según su primer modo de vibración. Después que el primer
arriostre ha pandeado, la columna zipper resiste una fuerza de tensión igual a la
componente vertical de la fuerza desbalanceada, la cual se transfiere a los
arriostres del piso superior para forzar su pandeo subsecuente.

12. Columnas
Zipper. Columna Zipper
v
Δ Δ Δ
v v
Δ
v
a) b) c) d)
v
Δ
v
Δ
v
Δ
Fuente: Sabelli (2001), Tremblay y Tirca
(2003), Yang y Leon (2006)

14. Khatib et. al. (1988) formularon varias preguntas relacionadas al
comportamiento del sistema, las cuales se citan textualmente a
continuación:
“¿Qué pasaría si el pandeo del arriostre inicial de otros pisos en
lugar del primer piso? ¿Podría la columna zipper activarse en
compresión en vez de tensión?¿Cómo proporcionar los
arriostramientos para maximizar la efectividad del efecto zipper?
¿Cómo elegir la rigidez relativa de la columna zipper y vigas?”.
(Khatib, Mahin, & Pister, 1988)

15. Enfoque 1: Columna Zipper Débil.
Enfoque 2: Columna Zipper Fuerte.
Enfoque 3: Columna Zipper suspendida.

16. Enfoque 1: Columna Zipper Débil.
SABELLI:
Recomendó que el diseño de los arriostres debían cumplir con los
mismos requerimientos establecidos por la normativa para un sistema
concéntricamente arriostrado. Para las columnas zipper, las fuerzas
esperadas a ser desarrolladas en tensión y compresión debían alcanzar
el desequilibrio de fuerzas verticales ocasionado por las riostras en el
nivel inferior, es decir, que las columnas zipper según esta propuesta
pueden pandear y fluir mientras los arriostramientos se comportan en
el rango inelastico.
Su investigacion incluyó el estudio de dos pórticos de tres y seis niveles,
concluyendo que la demanda inelástica en los arriostres se distribuye
de manera más uniforme que en comparación con un pórtico tipo
chevron con vigas fuertes

17. -Pandeo del arriostre
-Fluencia de la columna zipper
-Articulación plástica en viga
-Pandeo del arriostre
-Pandeo de la columna zipper
-Articulación plástica en viga

18. Enfoque 2: Columna Zipper Fuerte
consiste en asegurar que las columnas zipper respondan en el rango
elástico mientras se transfieren las fuerzas de los arriostramientos
después del pandeo o fluencia. Este procedimiento sugiere la inclusión
de los efectos de los modos superiores en el diseño de la columna
zipper adoptando una serie de patrones de fuerzas laterales que
representan la redistribución de fuerzas después del pandeo del
arriostre.
≤Tu =C'u
=Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
=C'u
=C'u
=C'u
≤Cu
=Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
=Cu
=C'u
≤Tu ≤Tu
≤Tu
≤Tu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
≤Cu
=Cu
=C'u
=C'u
=C'u
a) b)
≤Tu
≤Tu
≤Tu

19. Enfoque 3: Columna Zipper suspendida
• La desventaja que representa la formación del mecanismo total de
deformación según el enfoque de la columna zipper en tensión
planteada por Khatib et al (1988) fue mejorada a partir del
planteamiento realizado por Yang y Leon (2006) quienes introdujeron
una modificación del diseño que permite mejorar significativamente
el comportamiento inelástico, al que denominaron como pórtico
arriostrado con columna zipper suspendida (SZBF). Según esta
propuesta los arriostramientos del piso superior se diseñan para
permanecer elásticos “Hat truss” para prevenir el colapso y lograr un
mecanismo de deformación parcial del pórtico.

20. Esta modificación consiste en aplicar los conceptos del diseño por capacidad para
asegurar que las riostras del piso superior permanezcan en el rango elástico cuando
todas las demás riostras a compresión han pandeado, riostras traccionadas y las
columnas zipper han fluido, previniendo así la formación de un mecanismo de
deformación total que pueda comprometer la estabilidad del sistema de modo que
ante la posible degradación de la rigidez lateral una vez que se alcanza el
mecanismo de deformación, la estructura se mantiene en pie por las columnas y el
piso superior, de manera que la columna zipper queda suspendida de la viga
superior
v
Δ
v
Δ
v
Δ

21. Filosofía de diseño
El principal objetivo de este sistema estructural es mitigar el mecanismo de piso blando asociado
principalmente a la configuración Chevron, a través de la distribución de las derivas de piso y
disipación de energía sobre la altura de la estructura de manera uniforme.
Este sistema tiene tres componentes principales:
• La columna zipper que obliga el pandeo simultáneo de todos los arriostres a compresión de todos
los pisos excepto el superior que luego conduce al desarrollo de fluencia por tensión de todas las
riostras.
• El sistema “hat truss” el cual consiste en diseñar los arriostres del piso superior para que se
mantengan elástico cuando todos los arriostres pandeen. La función de este es prevenir la
formación completa de un mecanismo plástico y así garantizar la estabilidad del sistema.
• Las columnas que transmiten las fuerzas hacia a las fundaciones y en conjunto con el “hat truss”
garantizan la estabilidad y rigidez del sistema.
Columnas Zipper
Cercha sombrero
Columnas
Columnas

22. 1. Calcular el cortante basal de diseño.
2. Establecer una distribución de la fuerza sísmica.
Inicio
Determinar las solicitaciones sobre los
miembros debido a las fuerzas
sísmicas QE.
Determinar las solicitaciones sobre los
miembros debido a las cargas
gravitacionales.
1. Resistencia requerida en arriostramientos y vigas
según la combinación de carga.
2. Resistencia requerida en columnas según
combinación de carga incluyendo la sobre resistencia
estructural.
Fase 1: Diseño por resistencia:
Dimensionado de
arriostramientos.
Fase 2: Diseño por capacidad:
Dimensionado de:
1. Columna Zipper.
2. Arriostramientos del piso
superior.
3. Columnas.
4. Vigas.
¿Cumple con
deriva
permisible?
Fin
Si
No
Retorne
Fuente: Yang, C. S., & Leon, R. T. (2006)

23. PRIMEROS RESULTADOS OBTENIDOS

24. Modo
Periodo
(seg)
UX UY RZ Suma UX Suma UY Suma RZ
1 0.487 0.000 0.821 0.000 0.000 0.821 0.000
2 0.487 0.821 0.000 0.000 0.821 0.821 0.000
3 0.306 0.000 0.000 0.820 0.821 0.821 0.820
4 0.188 0.000 0.134 0.000 0.821 0.955 0.820
5 0.187 0.134 0.000 0.000 0.955 0.955 0.820
6 0.118 0.000 0.000 0.135 0.955 0.955 0.955
7 0.116 0.000 0.036 0.000 0.955 0.990 0.955
8 0.114 0.035 0.000 0.000 0.991 0.990 0.955
9 0.085 0.000 0.010 0.000 0.991 1.000 0.955
10 0.083 0.009 0.000 0.000 1.000 1.000 0.955
11 0.073 0.000 0.000 0.035 1.000 1.000 0.990
12 0.054 0.000 0.000 0.010 1.000 1.000 1.000
Tabla 5.20 Períodos y masas participativas SCBF
Modo
Periodo
(seg)
UX UY RZ Suma UX Suma UY Suma RZ
1 0.473 0.000 0.839 0.000 0.000 0.839 0.000
2 0.472 0.840 0.000 0.000 0.840 0.839 0.000
3 0.292 0.000 0.000 0.839 0.840 0.839 0.839
4 0.162 0.000 0.140 0.000 0.840 0.978 0.839
5 0.161 0.139 0.000 0.000 0.979 0.978 0.839
6 0.100 0.000 0.000 0.139 0.979 0.978 0.978
7 0.090 0.000 0.022 0.000 0.979 1.000 0.978
8 0.088 0.021 0.000 0.000 1.000 1.000 0.978
9 0.069 0.000 0.000 0.000 1.000 1.000 0.978
10 0.067 0.000 0.000 0.000 1.000 1.000 0.978
11 0.056 0.000 0.000 0.022 1.000 1.000 0.999
12 0.042 0.000 0.000 0.000 1.000 1.000 1.000
Tabla 5.21 Períodos y masas participativas SZBF

25. Nivel Vx (ton) Vy (ton)
4 58.035 58.000
3 125.064 125.063
2 170.605 170.617
1 194.670 194.620
Nivel Vx (ton) Vy (ton)
4 50.674 50.571
3 121.561 121.607
2 166.370 166.268
1 190.027 189.793
Cortantes obtenidos del análisis dinámico modal espectral para SCBF
Cortantes obtenidos del análisis dinámico modal espectral para SZBF

26. Nivel
hi
(m)
δx (cm) δxT (cm) ΔxT δy (cm) δyT (cm) ΔyT Estado
4 3.25 1.962 11.773 0.00832 1.9615 11.769 0.00828 Cumple
3 3.25 1.512 9.071 0.00949 1.5128 9.077 0.00950 Cumple
2 3.25 0.998 5.986 0.00991 0.9982 5.989 0.00994 Cumple
1 3.25 0.461 2.764 0.00851 0.4599 2.759 0.00849 Cumple
Nivel
hi
(m)
δx (cm) δxT (cm) ΔxT δy (cm) δyT (cm) ΔyT Estado
4 3.25 1.729 11.430 0.00778 1.7319 11.425 0.00774 Cumple
3 3.25 1.495 8.902 0.00897 1.5000 8.910 0.00898 Cumple
2 3.25 0.990 5.986 0.00983 0.9898 5.993 0.00987 Cumple
1 3.25 0.450 2.791 0.00859 0.4485 2.785 0.00857 Cumple
Revisión de derivas en condición de Colapso SCBF
Revisión de derivas en condición de Colapso SZBF

29. Nivel Elemento
Secciones
SCBF SZBF
4
Columna W12X96 W14X82
Viga W21X111 W12X22
Arriostres HSS4X4X5/16 W10X88
Columna zipper - W10X77
3
Columna W12X96 W14X82
Viga W21X166 W12X35
Arriostres HSS4-1/2X4-1/2X1/2 HSS4-1/2X4-1/2X1/2
Columna zipper - W8X58
2
Columna W12X96 W14X82
Viga W21X182 W12X35
Arriostres HSS5X5X1/2 HSS5X5X1/2
Columna zipper - W10X30
1
Columna W12X96 W14X82
Viga W21X201 W12X35
Arriostres HSS6X5X1/2 HSS6X5X1/2
Columna zipper - -

30. 194.54
170.45
124.86
57.76
190.03
166.37
121.56
50.67
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225
1
2
3
4
Cortante dinámico (ton)
Nivel
Comparación de cortantes dinámicos (Dirección X)
SZBF SCBF

31. 0
1
2
3
4
0.0 1.0 2.0 3.0
Nivel
SCBF
SZBF

32. 313.28
311.07
309
181.02
295.82
296.13
298.14
175.25
0
50
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4
Peso
(Ton)
Nivel
SCBF SZBF

33. PRINCIPALES HALLASGOS
Los sistemas arriostrados concéntricamente con columna zipper suspendida
exhiben un ahorro en peso de los elementos estructurales sustancial de
aproximadamente un 42.36% en los pórticos del caso estudiado, lográndose
un mayor ahorro en las vigas de hasta un 64%.
Se observó una pequeña reducción en los desplazamientos laterales del
sistema de pórticos con columna zipper suspendida en comparación al
sistema conformado por arriostres tipo V invertida, DE 2.24% y 11.75%.
Se logra un desempeño sísmico más favorable, ya que tiene un
comportamiento más predecible, debido a que la columna zipper transmite
el desbalance de fuerzas de los arriostres a los pisos superiores, logrando
una mejor distribución de la demanda de ductilidad (Özçelik, 2010).

34. DESVENTAJAS
Al ser un sistema relativamente nuevo, no hay mucha información al
respecto, no se han adoptados los lineamientos de diseño dentro de las
normativas que sirva como guía para comprobar y comparar resultados
a fin de facilitar el proceso de diseño.
Las ventajas en el análisis sísmico sólo son visibles una vez se alcanza el
rango no lineal. Esto debido a que la concentración de esfuerzos deja
de estar concentrada y se distribuyen por la columna zipper a lo largo
de la altura del edificio.
Según el trabajo de Özçelik (2010), este sistema solo resulta
conveniente a edificios de baja y mediana altura.

35. Dudas
FACTORES QUE MODIFICAN LA RESPUESTA SISMICA DE LAS
EDIFICACIONES