Con INESA TECH aprenderás cómo aplicar los aspectos fundamentales del diseño sismorresistente de estructuras de concreto reforzado y de acero. Si te interesa potenciar tus soluciones de diseño con técnicas avanzadas y herramientas rigurosas, continúa leyendo la información que te presentamos en este artículo.
Combinación de sistemas de pórticos y muros – Sistemas duales
En la selección del sistema estructural de resistencia sísmica de una edificación particular se evalúan numerosos factores y variables que conducen a la propuesta que se materializará en los documentos técnicos asociados. Con frecuencia se utilizan sistemas de pórticos resistentes a momento (de concreto o de acero), sistemas de muros estructurales de concreto, sistemas arriostrados, entre otros. Para condiciones de alta sismicidad, se emplean en algunos casos sistemas duales o combinados para atender las demandas impuestas por los movimientos del terreno.
Esos sistemas, en los que se vinculan pórticos resistentes a momentos y muros de concreto, pueden llegar a tener múltiples configuraciones. En ese sentido, se puede variar la distribución de fuerza lateral que recibirá cada sistema, haciendo que la configuración estructural incorpore muros con pórticos de concreto o de acero. En general, hay varias opciones que pueden estudiarse a fin de obtener una estructura eficiente y económicamente competitiva.
Teniendo en cuenta lo anterior, se estudiarán las diferencias que en el comportamiento sísmico global tiene la variación en la estructuración, esto es, se analizará un sistema que combina pórticos de concreto con muros estructurales y una variación con pórticos de acero resistentes a momento, manteniendo los muros.
Comportamiento estructural de sistemas duales
Cuando se combinan sistemas de pórticos resistentes a momentos con muros estructurales para obtener sistemas duales es fundamental tener en cuenta que al ser sistemas que se deforman ante cargas laterales con patrones diferentes, su vinculación dará lugar a una interacción que induce fuerzas que deben tenerse en cuenta adecuadamente en el diseño. La distribución cualitativa de las fuerzas cortantes por piso en cada sistema y en el sistema compuesto, así como los momentos en los muros, se muestra en la siguiente figura, tomada de [1].
Aspectos normativos (ASCE 7-22 y NSR-10)
En general, los códigos de diseño permiten la formulación de sistemas duales o combinados siempre que se satisfagan ciertos requisitos. El ASCE 7-22 establece que los pórticos a momento de sistemas duales deben resistir por lo menos un 25% de la fuerza sísmica de diseño, siendo la resistencia total la que se obtiene en proporción a la rigidez de los sistemas involucrados: pórticos y muros o pórticos y sistemas arriostrados.
Para el caso del Reglamento Colombiano de Construcción Sismorresistente, NSR-10, se requiere que los muros tomen por lo menos el 75% del cortante sísmico en la base y que los pórticos se diseñen para un 25% de esa misma fuerza para clasificar el sistema como dual. De no cumplirse la proporción de participación de los muros, el sistema se deberá clasificar para efectos de diseño como sistema combinado.
Sistemas duales – soluciones de concreto y mixtas
Con el objetivo de evaluar la respuesta sísmica de los sistemas duales o combinados (según proporción de participación de los muros), se formularon dos modelos en el software ETABS: en el primero se tienen pórticos y muros de concreto; en el segundo, se mantuvieron los muros de concreto y el resto del sistema se cambió a acero. La evaluación se realizó siguiendo los requisitos establecidos en el NSR-10 de Colombia.
En el análisis se utilizó un edificio de ocho niveles que cuenta con una planta de 28,0 m de largo y de 15,0 m de ancho. La altura de entrepiso, constante para todos los niveles, es de 3,0 m. La edificación, configurada para albergar oficinas, se sometió a las fuerzas sísmicas que se obtendrían en una zona de amenaza sísmica alta, según las consideraciones del NSR-10. En las imágenes que se presentan a continuación se muestran las vistas generales de las estructuraciones con pórticos de concreto y con pórticos de acero, así como los espectros de diseño y de revisión de derivas.
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Evaluación de la respuesta estructural de los sistemas duales – Alternativa de concreto y mixta
La comparación de las estructuras estudiadas se realizó desde una gran variedad de parámetros de respuesta, como se verá en las gráficas que se muestran más adelante. Las derivas se controlaron con base en el límite prescrito en el NSR-10 (modificado por el uso de secciones fisuradas de concreto). Es importante tener en cuenta que el objetivo del análisis desarrollado fue conocer las variaciones en la respuesta sísmica global, sin que fueran implementados criterios de optimización específicos de las estructuras. Esos criterios de optimización llevarán a un mejoramiento de las métricas de cada sistema; no obstante, las relaciones entre parámetros obtenidas para las estructuras estudiadas pueden servir como punto de referencia para análisis más detallados.
Para tener una idea del comportamiento dinámico de los edificios estudiados, se presentan para cada configuración, las formas modales con mayor masa participativa y sus períodos de vibración correspondientes.
En los modelos se realizó el ajuste de resultados del análisis dinámico conforme a lo establecido en el numeral A.5.4.5 del NSR-10. Se usó, conservadoramente, un nivel mínimo de cortante basal igual al 90% del que se obtiene de la aplicación del método de la fuerza horizontal equivalente (capítulo A.4 del mismo reglamento).
Los desplazamientos de piso y la distribución de derivas de entrepiso se indican en la siguiente figura:
Como puede notarse, ambos sistemas cumplen con las derivas máximas en cada una de las direcciones bajo estudio (límite ajustado de 1,43% de la altura de entrepiso hpi). Ahora bien, la variación de las rigideces de piso y de las correspondientes fuerzas cortantes por piso se muestra a continuación:
Por su configuración estructural y dimensionamiento de elementos, ambos edificios analizados se clasifican como sistemas duales según los requisitos establecidos en el numeral A.3.2 del NSR-10; esto es, los muros estructurales de concreto son responsables de resistir más del 75% del cortante sísmico en la base.
Para evaluar la variación de la respuesta sísmica del sistema con pórticos de acero y muros se graficaron los parámetros más significativos, normalizados por los resultados obtenidos para la estructura base de concreto. Se incluyeron la carga muerta total (CM), el peso sísmico (Ws) estimado a partir de la carga muerta total más un 25% de la carga viva total, las cortantes basales de la fuerza horizontal equivalente (Vsx y Vsy), las cortantes basales del análisis dinámico (Vtx y Vty), los coeficientes sísmicos (Csx y Csy) y, por último, los momentos de volcamiento alrededor de cada uno de los ejes ortogonales en planta (Mox y Moy).
Al comparar los parámetros de respuesta sísmica de los sistemas modelados, se nota que la solución mixta, es decir, la que incluye pórticos resistentes a momento de acero ofrece varios beneficios con respecto a su homóloga de concreto reforzado.
En primer lugar, se nota una reducción de la carga muerta y de las cortantes basales de aproximadamente un 40%. En segundo lugar, con una configuración estructural que cumple de forma más cercana con la deriva límite, se logró también una reducción del mismo orden de magnitud en los momentos de volcamiento en cada dirección. Esto último resulta particularmente favorable a la hora de formular las alternativas de cimentación del edificio, sobre todo si se tienen condicionantes asociados a la capacidad geotécnica del suelo.
Comentarios finales
Los sistemas duales, en sus versiones de un solo material o con formulación mixta, son una excelente opción para atender de forma eficiente las fuerzas sísmicas. Para el caso de comparación analizado, se ven varias ventajas del sistema con pórticos de acero: menos cortante basal y reducción en los momentos de volcamiento. Sin embargo, a la hora de considerar la implementación de un sistema u otro es fundamental entrar en la arena del diseño basado en desempeño.
Con base en los criterios de evaluación más racionales de esta metodología y con el uso de análisis no lineales tipo pushover, por ejemplo, el ingeniero estructural podrá tener un panorama más completo para decidir sobre el sistema estructural que cumple de forma más conveniente con los requisitos de capacidad resistente y funcionalidad. Además, podrá valorar las implicaciones económicas para transmitirlas de forma transparente a los involucrados en el proyecto.
Referencias
[1] Moehle, J. P. (2014). Seismic Design of Reinforced Concrete Buildings, McGraw-Hill Education, New York, NY, pp. 760.
[2] Paulay, T., Priestley, MJN. (1992). Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, Inc., pp. 744.
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