Con INESA TECH aprenderás cómo aplicar los aspectos fundamentales del diseño sismorresistente de estructuras de concreto reforzado. Si te interesa profundizar en la implementación correcta de los requisitos normativos con enfoque teórico-práctico, continúa leyendo la información que te presentamos en este artículo.
Participación de las vigas en los sistemas especiales
En zonas de amenaza sísmica elevada, las edificaciones de concreto reforzado deben cumplir requisitos estrictos de diseño, detallado y construcción con el objetivo de que puedan resistir de forma adecuada las demandas impuestas por los movimientos del terreno. Las estructuras deben ser capaces entonces de incursionar en el intervalo inelástico sin pérdida significativa de resistencia; en otras palabras, su comportamiento debe ser dúctil.
En los códigos de diseño, dependiendo de la zona en la que se implantará una estructura, se especifican requisitos que deben cumplirse para obtener un desempeño acorde con las intenciones del reglamento. Para el caso del código ACI 318-19, se destacan las prescripciones para pórticos resistentes a momentos que se designan bajo la categoría especial. Los pórticos especiales conforman uno de los sistemas estructurales que están disponibles para zonas con alta sismicidad, por lo que conocer las disposiciones que controlan su dimensionamiento y diseño es crucial.
Estrategia del diseño a cortante de vigas
A la hora de diseñar un pórtico especial resistente a momento deben considerarse todos los requisitos aplicables a los elementos que lo conforman: vigas, columnas y nudos. Además, otros componentes como los diafragmas y la cimentación merecen estudio cuidadoso por parte del ingeniero diseñador. Nos concentraremos, no obstante, en entender la estrategia de diseño a cortante utilizada para las vigas.
El diseño sísmico para solicitaciones de cortante parte de considerar la contribución de las cargas gravitacionales y de la plastificación en los extremos de la viga. Esta última, aparece bajo el criterio viga débil/columna fuerte y se cuantifica teniendo en cuenta el desarrollo de las resistencias probables a flexión en cada uno de los extremos del elemento, estimadas con base en las dimensiones finales de la sección, una resistencia a tracción del acero de refuerzo de 1,25 fy y un factor de reducción de resistencia ɸ = 1,0.
El análisis se desarrolla en cada dirección, en el plano del pórtico, para obtener la fuerza cortante última que se usará para detallar el refuerzo transversal. La siguiente figura, tomada de la referencia [1], ilustra la idea general del procedimiento.
Mecanismo resistente y jerarquía objetivo
En el diseño sismorresistente se busca favorecer los mecanismos dúctiles y evitar los frágiles, de manera que la estructura pueda comportarse adecuadamente ante las solicitaciones impuestas por el sismo de diseño. Particularmente, para el caso de pórticos de concreto reforzado de categoría especial, según la denominación del ACI 318-19, el enfoque de diseño se basa en proveer suficiente capacidad en las vigas para que se presenten articulaciones plásticas en sus extremos y no en las columnas. Este mecanismo, denominado viga débil/columna fuerte es el pilar fundamental que rige el diseño a cortante de las vigas que conforman el sistema.
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La falla a cortante de una viga de concreto es frágil y súbita. Para lograr la plastificación por flexión en los extremos del elemento es necesario inhibir la falla de cortante, de esta manera se garantiza un comportamiento dúctil que favorece la disipación de energía de la estructura. Esta jerarquía, en la que se antepone el desarrollo de la resistencia probable, Mpr, y se suministra refuerzo transversal para las fuerzas cortantes asociadas al mecanismo constituye la base del diseño por capacidad.
Fuerzas cortantes de diseño de las vigas
El cálculo de la fuerza cortante de diseño a partir del desarrollo de las resistencias probables en cada extremo de una viga se realiza a partir de las expresiones que se muestran a continuación, válidas para el diagrama de cuerpo libre indicado [1]:
Importancia del refuerzo transversal en las vigas de sistemas especiales
El refuerzo transversal (estribos) juega un papel fundamental en la tarea de garantizar un comportamiento sísmico adecuado de las vigas. No solamente debe atender las demandas explicadas anteriormente, sino que debe cumplir con los requisitos de espaciamiento establecidos para asegurar un confinamiento efectivo de la sección de concreto en aquellos puntos donde se espera la concentración de la plasticidad (rótulas).
Requisitos normativos: enfoque del ACI 318-19
El código ACI 318-19 establece la condición de diseño por capacidad ante cargas sísmicas de las vigas de concreto de pórticos especiales en la sección 18.6.5. En la figura que se muestra a continuación se indica la información normativa particular.
Comentarios finales
Los aspectos de diseño a cortante de vigas de sistemas especiales de concreto reforzado son esenciales para generar estructuras que se comporten de manera segura, predecible y robusta antes las solicitaciones inducidas por los movimientos del terreno. El ingeniero diseñador no debe perder de vista que estos requerimientos son un subconjunto de las prescripciones que deben cumplirse para el sistema de resistencia sísmica. Todas las verificaciones deben realizarse conjuntamente con las asociadas a columnas y nudos con el propósito de garantizar una ductilidad suficiente para atender las demandas inelásticas.
En la imagen que se presenta a continuación, modificada de la referencia [5], se notan fallas a cortante de vigas relativamente cortas en el evento sísmico ocurrido el 6 de febrero de 2023 en Turquía (secuencia sísmica de Kahramanmaras). La extensión del daño fue considerable, situación que enfatiza la importancia de entender correctamente la mecánica estructural y aplicar de forma rigurosa los códigos de diseño.
Referencias
[1] Moehle, J. P. (2014). Seismic Design of Reinforced Concrete Buildings, McGraw-Hill Education, New York, NY, pp. 760.
[2] Elnashai, A. S., Sarno, L. (2015). Fundamentals of Earthquake Engineering – From Source to Fragility, Wiley, pp. 469.
[3] ACI (2019). Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318-19 and Commentary, ACI 318R-19, American Concrete Institute, Country Club Hills, MI.
[4] Paulay, T., Priestley, MJN. (1992). Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, Inc., pp. 744.
[5] Vuran, E., Serhatoğlu, C., Timurağaoğlu, M. et al. Damage observations of RC buildings from 2023 Kahramanmaraş earthquake sequence and discussion on the seismic code regulations. Bull Earthquake Eng (2024). https://doi.org/10.1007/s10518-023-01843-3
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