¿Qué es el efecto Backstay y por qué importa en edificios con sótanos?

Cuando una torre se conecta con un sistema de sótanos más amplio, las fuerzas sísmicas pueden encontrar nuevos caminos de resistencia. En este artículo explicamos de forma visual qué es el Backstay Effect, cómo intervienen los diafragmas y por qué este fenómeno importa en el diseño estructural.

Cómo la transición entre una torre y un sistema inferior más amplio puede cambiar la forma en que un edificio resiste las acciones laterales

Cuando vemos una torre, es natural imaginar que las fuerzas producidas por el viento o un sismo simplemente recorren la estructura hasta llegar a la cimentación.

Pero en muchos edificios reales el camino no es tan sencillo.

Una torre puede encontrarse, en sus niveles inferiores, con una estructura mucho más amplia: un podio, varios niveles de sótanos, muros perimetrales y diafragmas que conectan diferentes elementos estructurales.

En ese punto cambia la geometría del edificio, cambia su rigidez y también puede cambiar la manera en que algunas acciones se distribuyen dentro de la estructura.

Es precisamente en esta transición donde aparece un fenómeno particularmente interesante:

el Backstay Effect.

Empecemos con algo sencillo: una regla

Imagina una regla vertical fijada firmemente a una mesa.

Si aplicamos una fuerza horizontal en su extremo superior, la regla se deformará. Esa fuerza genera principalmente dos acciones en su base: cortante y momento.

Conceptualmente, una torre sometida a acciones laterales se comporta de manera similar.

Durante un sismo, la masa del edificio desarrolla fuerzas de inercia y el sistema estructural debe transmitir esas acciones hasta la cimentación.

Si nuestra torre fuera simplemente un elemento vertical aislado, sería relativamente fácil imaginar ese recorrido.

Pero ahora hagamos una modificación.

En lugar de llegar directamente a la cimentación, conectemos la torre con una estructura inferior considerablemente más amplia.

Por ejemplo, varios niveles de sótanos. Aquí empieza lo interesante.

La torre ya no necesariamente trabaja sola

En la transición entre la torre y los niveles inferiores existe un elemento fundamental: el diafragma del entrepiso.

Normalmente pensamos en los diafragmas como elementos encargados de distribuir fuerzas horizontales entre los diferentes componentes del sistema lateral.

Pero cuando existe una torre conectada con un podio o un sistema de sótanos más amplio, esos diafragmas también pueden permitir que parte de las acciones provenientes de la torre sean transferidas hacia otros elementos resistentes del sistema inferior.

Por ejemplo:

TORRE → DIAFRAGMA → MUROS O MARCOS DEL SISTEMA INFERIOR → CIMENTACIÓN

Eso significa que las acciones asociadas al volcamiento de la torre pueden encontrar mecanismos adicionales de resistencia.

Y aquí comenzamos a entender el Backstay.

Entonces, ¿Qué es el Backstay Effect?

Podemos explicarlo de una manera sencilla:

El Backstay Effect es la interacción que se produce cuando los diafragmas permiten transferir acciones entre la torre y elementos resistentes del podio o de los sótanos, haciendo que estos participen en la resistencia al volcamiento.

Esto produce una redistribución de fuerzas dentro del edificio.

Parte de las acciones que inicialmente podríamos imaginar concentradas únicamente en el sistema lateral de la torre pueden transferirse hacia otros elementos estructurales.

El concepto importante no es memorizar el término Backstay.

Es entender que:

las fuerzas siempre necesitan encontrar un camino.

Y cuando conectamos estructuralmente una torre con un sistema inferior mucho más amplio, ese camino puede cambiar.

¿Cómo pueden los sótanos ayudar a resistir el volcamiento?

Aquí aparece otro concepto bastante sencillo.

Recordemos la relación:

M = F * h

Un momento puede equilibrarse mediante un par de fuerzas opuestas separadas cierta distancia.

En una estructura con Backstay, la transferencia de fuerzas a través de los diafragmas puede hacer que elementos separados dentro del sistema inferior desarrollen acciones opuestas.

De manera conceptual, podemos imaginar:

COMPRESIÓN ↓

←———— distancia ————→

TRACCIÓN ↑

Estas fuerzas forman un par resistente que puede contribuir a equilibrar parte del momento de volcamiento de la torre.

Por eso el ancho del sistema inferior, la ubicación de sus elementos resistentes y la manera en que estos se conectan mediante los diafragmas adquieren importancia.

No estamos simplemente agregando “más estructura” debajo de la torre.

Estamos creando un sistema estructural que puede interactuar con ella.

El diafragma es una pieza fundamental

Aquí suele aparecer una simplificación peligrosa.

Podríamos pensar:

“Si existe un podio o varios sótanos, entonces automáticamente tendremos Backstay.”

No necesariamente. Para que las fuerzas encuentren ese camino alternativo debe existir un mecanismo capaz de transmitirlas. Y uno de los protagonistas principales es el diafragma.

El diafragma debe ser capaz de transferir las acciones entre la torre y los elementos resistentes del sistema inferior. Eso puede generar demandas importantes dentro del propio diafragma y en sus conexiones con muros, marcos u otros elementos. Por esta razón, al estudiar este fenómeno no basta con observar únicamente la torre.

También debemos preguntarnos:

¿Cómo llegan las fuerzas al diafragma? ¿Cómo viajan a través de él? ¿Y hacia qué elementos están siendo transferidas?

Esta trayectoria de fuerzas es una de las claves para comprender correctamente el comportamiento del sistema.

¿El Backstay siempre tiene la misma magnitud?

No.

Y este punto es particularmente importante.

El Backstay Effect no depende simplemente del número de sótanos.

Un edificio puede tener tres, cinco, ocho o más niveles inferiores y presentar comportamientos diferentes.

La magnitud de esta interacción dependerá, entre otros factores, de:

• la geometría de la torre y del sistema inferior;

• la ubicación y rigidez de muros y marcos;

• la rigidez de los diafragmas;

• la conexión entre la torre y el podio;

• las propiedades consideradas para los elementos estructurales;

• las condiciones de apoyo y las hipótesis utilizadas en el modelo.

  
  

Por eso no existe una regla universal del tipo:

“Si tengo determinada cantidad de sótanos, debo considerar determinado porcentaje de Backstay.”

Es un fenómeno que debe entenderse a partir del comportamiento global del edificio y de su modelo estructural.

La rigidez importa

Imagina dos extremos. En el primero, el diafragma fuera extremadamente flexible. Le resultaría más difícil desarrollar una transferencia significativa de fuerzas hacia elementos alejados de la torre. Ahora imaginemos un diafragma considerablemente más rígido. La interacción entre la torre y esos elementos puede ser mayor. Esta comparación ayuda a entender por qué las hipótesis de rigidez utilizadas en el modelo pueden influir de manera importante en los resultados.

Pero tampoco debemos reducir el problema a:

“mayor espesor de losa = mayor Backstay”.

La rigidez efectiva del sistema depende de varios factores: geometría, fisuración, configuración estructural, conexiones y propiedades asignadas en el modelo, entre otros.

Lo importante es comprender que la forma en que representamos la rigidez puede modificar la distribución de fuerzas que estamos intentando estudiar.

¿Qué podemos observar en el modelo?

Cuando aparece esta interacción, las acciones dentro de los elementos de la torre pueden cambiar alrededor de la transición con el sistema inferior.

Por ejemplo, pueden producirse redistribuciones importantes de:

cortante, momento y fuerzas transferidas mediante los diafragmas.

En algunos casos incluso pueden observarse cambios de signo en determinadas acciones internas alrededor de esta zona.

Eso no significa automáticamente que exista una falla. Significa que el camino de las fuerzas está cambiando y que distintos componentes del edificio están comenzando a participar en el equilibrio. Por eso los resultados de un modelo estructural no deberían interpretarse únicamente observando un valor máximo.

También debemos intentar entender por qué aparece ese valor y qué trayectoria de fuerzas lo está produciendo.

Un caso real: torre de 22 niveles y 8 sótanos

Este concepto se vuelve especialmente interesante cuando lo encontramos en proyectos reales. En CONESDI actualmente trabajamos en el diseño estructural de una torre de 22 niveles sobre 8 niveles de sótanos.

En un edificio de estas características, la transición entre la torre y el sistema inferior obliga a estudiar cuidadosamente cómo interactúan ambos sistemas.

No porque ocho sótanos produzcan automáticamente Backstay, sino porque tenemos una torre relativamente esbelta conectándose con una estructura inferior considerablemente más amplia.

El modelo estructural nos permite estudiar esa interacción, analizar las trayectorias de fuerzas y evaluar cómo determinadas hipótesis modifican la respuesta del edificio.

Los esquemas utilizados en este artículo son conceptuales y tienen únicamente un propósito educativo; no representan resultados ni fuerzas específicas del proyecto.

Una idea para llevarte

El Backstay Effect puede parecer un concepto bastante especializado cuando escuchamos el término por primera vez. Pero físicamente la idea es mucho más sencilla:

una torre sometida a acciones laterales necesita equilibrar el cortante y el momento de volcamiento que desarrolla.

Cuando esa torre está conectada mediante diafragmas con un sistema inferior más amplio, parte de esas acciones puede transferirse hacia otros elementos resistentes. Estos elementos pueden entonces participar en el equilibrio del volcamiento. En otras palabras:

la torre no necesariamente trabaja sola.

Y probablemente esa sea la idea más importante para recordar. Porque detrás del Backstay hay un principio mucho más general de la ingeniería estructural:

para entender cómo funciona una estructura, primero debemos entender por dónde viajan sus fuerzas.

¿Qué estudiamos después?

El Backstay abre varias preguntas interesantes: ¿qué tan rígido debería modelarse el diafragma?, ¿qué ocurre con el cortante de los muros cerca de la transición?, ¿cómo cambia el comportamiento cuando consideramos diferentes condiciones de restricción?

Esos serán temas para futuras Notas Estructurales de CONESDI.