Criterios de diseño sismorresistente y ductilidad en el cálculo de estructuras de concreto armado con CYPECAD

Diseño sismorresistente y ductilidad en concreto armado

Nuestro país, como es de amplio conocimiento, se encuentra en una zona altamente sísmica, por lo cual es de vital importancia el tener conocimiento acerca de las estrategias sismorresistente, hablando del análisis y del diseño sismorresistente y ductilidad en concreto armado en edificaciones. Para ello, empezaremos disertando acerca del estado del arte de la ingeniería sismorresistente.

En el estado del arte de la ingeniería sismorresistente, existen 3 metodologías para cumplir con la filosofía de la norma E.030, parte de la cual es garantizar la resistencia de la estructura a la energía generada por un sismo. Estas metodologías son: disipar la energía por degradación estructural, disipar la energía mediante elementos que la concentren y la disipen, o disipar la energía mediante elementos distribuidos de tal manera que eviten que esta llegue a la superestructura.

Diseño por capacidad

La disipación de energía por degradación estructural es la más empleada actualmente. Se requiere un profundo conocimiento de la ductilidad de los materiales, entendida como la capacidad de una estructura de incursionar de manera segura y estable en el rango inelástico, de esta forma y gracias a la histéresis, disipar la energía producto del sismo.

A esta metodología de diseño, considerando la degradación estructural, se le conoce como diseño por capacidad, la cual se define como: “Una metodología de diseño por flexión de los elementos de concreto de una edificación, la cual se basa sobre un comportamiento hipotético de la estructura en respuesta a las acciones sísmicas. Este comportamiento hipotético se refiere a que las acciones sísmicas ocurran de tal forma que la estructura alcance su estado cerca al colapso, y que las rótulas plásticas se formen simultáneamente en localizaciones predeterminadas para formar un mecanismo de colapso simulando un comportamiento dúctil.” (Burgos Namuche, Maribel (2007). Estudio de la metodología “diseño por capacidad” en edificaciones aporticadas de concreto armado para ser incorporada a la norma peruana e-060 como alternativa de diseño (Tesis de maestría). Universidad Nacional de Ingeniería, Lima.)

Esta metodología de diseño está implícita en las NTE E.030 y E.060, estableciéndose parámetros para garantizar que las estructuras se comporten de manera dúctil. En el caso de la norma sísmica, se tiene el coeficiente de reducción sísmica (R), el cual especifica un valor para reducir el espectro elástico de seudo-aceleraciones, que define la acción sísmica en las estructuras.

En el caso de la norma de concreto armado, las consideraciones para garantizar la ductilidad de las estructuras se encuentran en el artículo 21, “DISPOSICIONES ESPECIALES PARA EL DISEÑO SISMICO”. El uso de ambos documentos en simultáneo garantiza bajo la normativa nacional, que los edificios se comporten de una manera dúctil, cumpliendo de esta manera la filosofía del diseño sismorresistente, que se resumen en que los edificios no colapsen, que permitan a los ocupantes evacuar, aunque estos se dañen de tal manera, que sea necesaria su reconstrucción.

Esto último es interesante, pues la filosofía de la norma aun implica el que las cuantiosas pérdidas materiales sean consideradas como aceptables, aunque de esto hablaremos más adelante.

El factor de reducción sísmica especificado en la E.030 está íntimamente ligado a la ductilidad de desplazamiento de la estructura. A pesar de no haber una relación matemática entre la ductilidad de desplazamiento, y la de curvatura de los elementos resistentes del modelo; es un hecho obvio que cuanto mayor sea la curvatura, mayor será la ductilidad, y por ende la capacidad de disipar energía de manera estable.

Ahora bien, para garantizar la ductilidad de las secciones y por consiguiente de la estructura, se debe garantizar que la disipación de energía sea segura y estable. Para ello, cada elemento con responsabilidad estructural debe detallarse para propiciar fallas por flexión, en contraposición a las fallas por corte. La capacidad resistente a corte de los elementos estructurales debe basarse en la capacidad resistente máxima probable a flexión.

Es de vital importancia contar con herramientas que permitan realizar un correcto análisis estructural, en función de las cargas actuantes y de la rigidez del casco estructural. Sin embargo, es de la misma o de mayor importancia, el contar con herramientas que permitan realizar el correcto diseño de los elementos resistentes.

Se dan casos en que, por falta del conocimiento de algunas herramientas, no se toman en cuenta criterios de diseño adecuados. Tal como se menciona líneas arriba, el concepto de ductilidad en las edificaciones se basa en una simbiosis entre el factor de reducción sísmica y los criterios de diseño sísmico. Es incorrecto considerar un valor determinado de R si a este no le acompañan los criterios de diseño y detallado necesarios, para garantizar que la ductilidad global de la estructura se corresponda con ese factor de reducción sísmica.

Esto implica el tener herramientas a disposición que, tengan en cuenta esas comprobaciones normativas incluidas en las verificaciones que realizan, o en su defecto que, los proyectistas tengan en cuenta esas consideraciones al momento de diseñar y detallar las estructuras. En la mayoría de casos, las consideraciones de diseño y detallado por sismo, repercuten en un aumento de cuantías en los elementos estructurales.

Una de las herramientas que a criterio personal, ha resultado de mayor utilidad al momento de realizar no solo el análisis, sino también el diseño de estructura, es la suite de CYPE Ingenieros. Esta suite está orientada al cálculo y diseño integral de los proyectos de edificación, y cuenta con uno de los pocos programas de estructuras capaz de trabajar bajo norma peruana al momento de realizar el diseño y detallado de proyectos estructurales.

CYPECAD: diseño de edificaciones

Cypecad, pionero en la suite de CYPE Ingenieros, es el software “bandera” de CYPE para el cálculo de estructuras de edificación. Fue creado alrededor de 1982, en Alicante, España. Con CYPECAD se tiene una integración total de la norma E.060 y la E.030, a efectos de diseño y detallado de estructuras de concreto.

CYPECAD tiene implementada en su totalidad la última versión de la norma E.030, incluida la posibilidad de definir distintos factores de irregularidad en planta y en elevación, por dirección de análisis. Así mismo, se tiene implementada de manera automática, la verificación de la condición de cortante basal. No es necesario realizar un recálculo de la estructura para poder realizar las correcciones por cortante basal. Además, de manera automática se genera un informe detallando el porcentaje de cortante que se llevan columnas y muros, para poder verificar rápidamente si el sistema estructural asumido coincide con el calculado.

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Verificación de la condición de cortante basal.
Porcentaje de cortante resistido por columnas y placas.

Así mismo, permite verificar las derivas mayoradas de la estructura, de acuerdo al R, y a la regularidad de la estructura, ambos parámetros tienen que ser definidos por el usuario. El programa muestra la deriva de cada columna, y luego, un cuadro resumen con las derivas máximas por entrepiso. De esta manera, es mucho más sencillo el proceso de verificación de derivas.

Cuadro resumen de derivas máximas por nivel.

CYPECAD: diseño y detallado de concreto armado

Cypecad fue uno de los primeros programas de estructuras con espíritu de generar el detallado completo del concreto armado, no sólo el análisis estructural. Para lograr esto, implementa unos poderosos editores de detallado de concreto armado. Estos editores permiten personalizar en tiempo real el acero en los distintos elementos estructurales.

Para asegurar un comportamiento dúctil, en contraposición a uno frágil, se hace imprescindible dotar a las estructuras de una resistencia al corte en las secciones críticas, que es función de las máximas capacidades probables a flexión de esas mismas secciones. Esto se puede lograr mediante los editores de concreto armado de Cypecad.

Por esto Cypecad es capaz de verificar todos los requisitos normativos, a efectos de la disipación de energía como estrategia sismorresistente. Claro ejemplo es el hecho de que el programa no permite completar el diseño de columnas, a no ser que las vigas estén ya diseñadas, debido a ser requisito normativo a efectos de capacidad.

Lo mencionado anteriormente, nos lleva a comentar acerca del proceso de diseño que se da frecuentemente en las oficinas de cálculo:

  • Hay casos en los que diferentes profesionales se encargan de distintas partes de la estructura (unos de vigas, otros de columnas, otros de cimentaciones, otros de losas, otros de muros, y así sucesivamente).
  • Hay casos en que primero se termina el diseño de columnas y luego el de vigas, el cual requiere más detalle.
  • O en el caso que, para el diseño de cimentaciones se tienen distintas consideraciones a las empleadas para el diseño de la superestructura.
  • Un ejemplo muy habitual, es el hecho de verse obligados a recalcular el modelo para realizar la verificación de la condición de cortante basal, la cual Cypecad realiza de manera automática.

Muy independientemente de la metodología de trabajo de cada profesional, la pregunta cae por peso propio. ¿Todos los casos mencionados permiten cumplir a cabalidad con las consideraciones de ductilidad? ¿Se está considerando correctamente las especificaciones normativas, a efectos de garantizar que la estructura se comporte de acuerdo al factor R asumido?

Editor de acero en vigas
Comprobaciones normativas para garantizar la ductilidad – resistencia a momento en caras de vigas
Comprobaciones normativas para garantizar la ductilidad – resistencia a momento en caras de vigas

Considerando la importancia de un correcto detallado, es imprescindible tener herramientas que faciliten el proceso de diseño, de manera que permitan optimizar el tiempo de desarrollo del proyecto. Así mismo, es de vital importancia que las consideraciones de diseño y detallado se reflejen fielmente en los planos de estructuras.

No es dable que la responsabilidad del detallado de estructuras caiga en manos no especializadas, o en personas que se estén formando en la rama de estructuras. El detallado de estructuras no puede dejarse en manos de dibujantes, o “cadistas”, pues esto implica que, en gran variedad de proyectos, el detallado se resuelva con detalles “típicos”, los cuales puede que no se adapten a las diferentes configuraciones estructurales, o disposiciones de las varillas de acero que se puedan presentar en el proyecto.

Los softwares de CYPE Ingenieros van más allá del diseño, inclusive más allá del detallado, pues de nada vale que se detalle de acuerdo a norma, si luego esos detalles no se plasman en planos. Es posible exportar el detallado de los elementos estructurales a CAD, teniéndose de esta manera un gran avance en el dibujo de los planos del proyecto.

Detallado de elementos estructurales organizados en planos, para exportar a formato DWG

La realidad nacional, a efectos constructivos e ingenieriles, tiene una tendencia actual hacia los sistemas de protección sísmica, pero no deben descuidarse los métodos de diseño tradicionales, los cuales aún se usan en el grueso de proyectos y edificaciones realizadas.

Es importante el uso de herramientas, como las de CYPE Ingenieros, que permitan un desarrollo integral de los proyectos, y que permitan que los proyectistas se dediquen únicamente a diseñar, lo cual, al fin y al cabo, es la parte que requiere mayor criterio en el desarrollo estructural del proyecto.

Por: Ing. Jesús Mendoza

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