Con los programas de INESA TECH, aprenderás los conceptos clave del diseño sismorresistente y su aplicación según la normativa internacional. Si te interesa profundizar en este tema, te invitamos a leer el artículo que hemos preparado.
Concepto de Diafragma
Los diafragmas son elementos cruciales en el sistema resistente ante fuerzas sísmicas. Estos elementos horizontales compuestos en su mayoría por elementos construidos en sitio o prefabricados permiten vincular de forma adecuada el sistema de piso con los elementos verticales que son parte del sistema sismorresistente. Los diafragmas reciben las fuerzas cortantes provenientes de un evento sísmico y de forma simultánea reciben cargas fuera de su plano como es el caso de las cargas gravitacionales. Como se puede observar, los diafragmas son parte esencial de una estructura sismorresistente. A continuación, se describirán los distintos tipos de fuerzas que puede recibir un elemento de esta naturaleza:
Fuerzas en el plano:
Las solicitaciones de las fuerzas laterales provenientes de las combinaciones de carga generan fuerzas en el plano del diafragma. Estas fuerzas se distribuyen y son transferidas hacia los elementos verticales de resistencia sísmica.
Fuerzas de transferencia del diafragma:
En el caso de que los elementos verticales varíen su configuración o sus planos de resistencia en toda la altura de la edificación, se debe transferir las fuerzas de estos elementos verticales de una planta a otra mediante el diafragma, garantizando de esta manera una transferencia de fuerzas entre todos los elementos verticales aún en casos de irregularidad.
Fuerzas de arriostramiento de las columnas:
Los diafragmas deben resistir las fuerzas ocasionadas por columnas inclinadas o cargadas excéntricamente y deben transferir estas fuerzas a los elementos verticales de resistencia sísmica. Lo anterior, en el caso de que las fuerzas inducidas por las columnas no puedan ser contrarrestadas o balanceadas por otros elementos verticales.
Fuerzas fuera del plano del diafragma:
Estas fuerzas son muy comunes en diafragmas que forman parte de sistemas de piso o bien, estructura para cubiertas de techo. En este tipo de elementos es esencial considerar el efecto de las fuerzas gravitaciones, así como la componente vertical del sismo en el caso de losas.
Distribución y transferencia de esfuerzos
La distribución y transferencia de esfuerzos en el plano del diafragma puede modelarse como una viga simplemente apoyada con 2 soportes verticales (muros estructurales). En este modelo, se visualiza la fuerza lateral en el plano del diafragma que causa que este tenga una fuerza de flexión actuando en su plano. Estas fuerzas son resistidas mediante la compresión en el borde cercano a la aplicación de la carga y la tensión en el borde lejano. La fuerza lateral aplicada en el diafragma causa la transferencia de cortante en su plano. Este cortante se distribuye linealmente a través de la profundidad del diafragma y es transferido mediante los colectores hacia los elementos verticales (muros y columnas).
Adicionalmente, los diafragmas deben ser capaces de transferir fuerzas entre distintos sistemas verticales de resistencia sísmica garantizando una compatibilidad de deformaciones. Tal es el caso de una edificación que posea muros de corte y marcos resistentes a momento, estos dos sistemas tienen diferente rigidez y por lo tanto, un desplazamiento distinto ante fuerzas laterales, es en este punto que la interconexión mediante el diafragma de estos dos elementos resistentes permite una adecuada transferencia de fuerzas y una compatibilidad de deformaciones entre ambos sistemas.
Colectores
Estos elementos funcionan para recoger o absorber el cortante que se genera a lo largo del diafragma con el objetivo de transferirlo eficazmente a los elementos verticales. Estos colectores pueden ser vigas o bien puede ser parte de la losa con reforzamiento adicional en los extremos del diafragma. Los colectores pueden transferir fuerzas de forma directa hacia el muro o elemento vertical haciendo que existan fuerzas de compresión y tensión en los márgenes del muro (Figura 2.b).
De forma similar, estas fuerzas pueden ser transferidas de forma escalonada si el colector es más ancho que el elemento vertical como es el caso de la Figura 2.a, en el que se utiliza un ancho efectivo beff que permite una transferencia de la fuerza de compresión y tensión mediante fricción por corte.
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Aberturas en el diafragma
La mayoría de diafragmas cuentan con aberturas para las funcionalidades de la edificación. En estos casos, se debe garantizar que la fuerza cortante proveniente de las cargas laterales en el plano del diafragma sean correctamente transferidas a través de sub-diafragmas conformados por sub-cuerdas y colectores en el perímetro de la abertura. Esto permitirá que la trayectoria de cargas no sea vea interrumpida de forma abrupta a lo largo de la profunidad del diafragma. El objetivo principal es garantizar una trayectoria eficiente de las cargas y una adecuada transferencia al diafragma principal. La siguiente imagen muestra como se deben colocar los elementos en el diafragma.
Diafragmas rígidos y flexibles
Los diafragmas pueden clasificarse como rígidos o flexibles, esto se basa en el comportamiento de cada uno ante las fuerzas que debe resistir. En muchos casos, se asigna la clasificación de diafragma rígido a una losa o entrepiso que en la realidad no tiene este comportamiento asumido como hipótesis en el diseño. Es por esta razón, que resulta estrictamente necesario conocer acerca del comportamiento de estos modelos.
En el caso del diafragma rígido se asume como hipótesis que el entrepiso tiene solamente 3 grados de libertad, 2 posibles translaciones en planta y un giro alrededor del eje Z. Para este caso, se toma como referencia un nodo principal o nodo maestro en el plano del diafragma. Todos los demás nodos secundarios se conectarán a este nodo simulando un elemento infinitamente rígido que no permite deformaciones axiales. Todos los nodos estarán conectados a este único nodo principal, el cual será el que condense todos los posibles desplazamientos que tenga el diafragma.
De esta forma, los desplazamientos y aceleraciones serán los mismos para todos los puntos del diafragma y su distribución a los elementos verticales se hará en proporción a su rigidez. Sin embargo, existen algunos factores que determinan si el diafragma puede cambiar de rígido a semi-rígido o flexible. Uno de ellos es la relación de aspecto en planta que pueda presentar el diafragma.
Por ejemplo, en la siguiente figura se observa un diafragma apoyado en 2 muros en sus extremos, el diafragma posee una longitud muy grande en comparación con su dimensión menor. Esta relación de aspecto puede ocasionar que el diafragma presente grandes deformaciones en el plano.
Por su parte, los diafragmas flexibles poseen 6 de libertad por cada nodo. En este caso, no existe un nodo maestro o nodo vinculante que condense todos los desplazamientos; por el contrario, cada nodo puede desplazarse en cada uno de sus grados de libertad y pueden existir fuerzas axiales en cada uno de ellos. La distribución de las fuerzas hacia los elementos verticales se hace con base en las áreas tributarias. De forma similar, existen algunas estructuras (techos, cubiertas) para las cuales la distribución de las fuerzas laterales se hace en proporción al número de nodos colocando la misma cantidad de fuerza a cada uno de ellos.
Consideraciones de diseño según el ACI 318-19
18.12.2 Fuerzas de Diseño
18.12.9 Resistencia al Cortante
18.12.6 Espesor mínimo de diafragmas
18.12.7.5
22.9.4.2
Referencias
- American Concrete Institute. (2019). ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. American Concrete Institute.
- Moehle, J. (2015). Seismic design of reinforced concrete buildings. McGraw Hill
- Yabar Ingenieros (2023). Manual de Diseño Estructural según ACI 318-19. Curso Taller de Análisis y Diseño Estructural con Python, ETABS y SAFE según ASCE 7-22 y ACI 318-19.
