En Construcción.

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Diseño Sismorresistente de Estructuras Metálicas: Protegiendo Vidas y Edificaciones en Colombia

Colombia es un país con alta actividad sísmica, y ciudades como Bogotá se encuentran en zonas de amenaza sísmica considerable. Por lo tanto, el diseño sismorresistente de estructuras metálicas es un aspecto crucial para garantizar la seguridad de las edificaciones y de las personas que las ocupan. La capacitación del personal involucrado en el montaje de estructuras metálicas debe incluir un componente sólido sobre diseño sismorresistente, que les permita comprender los principios básicos, aplicar la normativa vigente (NSR-10) y ejecutar correctamente los detalles constructivos que garantizan un comportamiento adecuado de la estructura ante un evento sísmico.

Normativa Sismorresistente Colombiana (NSR-10)

La Norma Sismo Resistente Colombiana (NSR-10) es el reglamento que establece los requisitos mínimos para el diseño y construcción de edificaciones sismorresistentes en Colombia. La capacitación debe cubrir:

Título A - Requisitos Generales de Diseño y Construcción Sismorresistente

• Alcance: Define el ámbito de aplicación de la norma.
• Objetivos: Establece los objetivos de la norma (proteger la vida, reducir los daños, asegurar la funcionalidad de las edificaciones esenciales).
• Filosofía de diseño: Introduce los principios básicos del diseño sismorresistente (ductilidad, redundancia, regularidad).
• Niveles de diseño: Define los diferentes niveles de diseño sismorresistente, en función de la importancia de la edificación y de la amenaza sísmica.
• Amenaza sísmica: Describe cómo se determina la amenaza sísmica en Colombia, utilizando mapas de zonificación sísmica y estudios de microzonificación (como el de Bogotá).
• Clasificación de las edificaciones: Clasifica las edificaciones según su uso (vivienda, oficinas, hospitales, etc.) y su importancia (grupos de uso I, II, III y IV).
• Requisitos de análisis y diseño: Establece los requisitos generales para el análisis y diseño de las edificaciones, incluyendo los métodos de análisis permitidos (estático, dinámico) y los factores de seguridad a utilizar.
• Requisitos de configuración estructural: Establece requisitos para la configuración de la estructura (regularidad en planta y altura, rigidez, etc.) para garantizar un buen comportamiento sísmico.
• Requisitos de cimentación: Establece requisitos para el diseño de la cimentación, teniendo en cuenta las características del suelo y la amenaza sísmica.
• Requisitos para elementos no estructurales: Establece requisitos para el diseño y anclaje de los elementos no estructurales (fachadas, divisiones, cielos rasos, etc.) para evitar su colapso durante un sismo.

Título F - Estructuras Metálicas

• Materiales: Especifica los tipos de acero estructural permitidos y sus propiedades.
• Sistemas estructurales resistentes a momentos: Define los diferentes sistemas estructurales que se pueden utilizar para resistir las fuerzas sísmicas (pórticos resistentes a momentos, pórticos arriostrados concéntricamente, pórticos arriostrados excéntricamente).
• Requisitos de diseño de los elementos: Establece los requisitos para el diseño de vigas, columnas, diagonales y otros elementos estructurales.
• Conexiones: Describe los requisitos para el diseño de conexiones sismorresistentes, incluyendo conexiones soldadas y atornilladas.
• Diafragmas: Establece los requisitos para el diseño de diafragmas (losas, cubiertas) que actúan como elementos de arriostramiento horizontal.
• Detalles constructivos: Proporciona detalles constructivos para garantizar la ductilidad y la capacidad de disipación de energía de la estructura.

Otros Títulos Relevantes

• Título B - Cargas: Establece las cargas que deben considerarse en el diseño de las edificaciones, incluyendo las cargas muertas, vivas, de viento y sísmicas.
• Título C - Concreto Estructural: Establece los requisitos para el diseño y construcción de estructuras de concreto reforzado (aunque el enfoque principal sea estructuras metálicas, es importante conocer la interacción con elementos de concreto).
• Título E - Casas de Uno y Dos Pisos: Requisitos simplificados para viviendas.
• Título G - Estructuras Metálicas: Requisitos para estructuras metálicas no cubiertas en el título F.
• Título H - Estudios Geotécnicos: Establece los requisitos para los estudios geotécnicos que deben realizarse para determinar las características del suelo.

Diseño de Conexiones Sismorresistentes

Las conexiones son los puntos más críticos de una estructura metálica durante un sismo. Deben ser capaces de:

• Transmitir las fuerzas: Deben ser capaces de transmitir las fuerzas entre los diferentes elementos estructurales (vigas, columnas, diagonales).
• Resistir las deformaciones: Deben ser capaces de deformarse sin perder su capacidad de carga.
• Disipar energía: Deben ser capaces de disipar energía a través de la deformación inelástica, reduciendo la demanda sísmica sobre la estructura.

La capacitación debe cubrir:

Tipos de Conexiones

• Conexiones a momento: Diseñadas para transmitir momentos flectores y fuerzas cortantes entre vigas y columnas. Son esenciales en pórticos resistentes a momentos.
  • Totalmente restringidas (FR).
  • Parcialmente restringidas (PR).
• Conexiones a cortante: Diseñadas para transmitir principalmente fuerzas cortantes. Se utilizan en pórticos arriostrados y en conexiones viga-columna donde no se requiere transmisión de momento.
• Conexiones de diagonales: Diseñadas para transmitir las fuerzas axiales de las diagonales de arriostramiento.

Conexiones Soldadas

• Ventajas: Alta rigidez, buena transmisión de momentos, estética.
• Desventajas: Requieren mano de obra calificada, control de calidad riguroso, pueden ser susceptibles a la fatiga y a la fractura frágil si no se diseñan y ejecutan correctamente.
• Tipos de soldadura: Soldadura de ranura de penetración completa (CJP), soldadura de ranura de penetración parcial (PJP), soldadura de filete.
• Diseño de soldaduras: Se deben diseñar para resistir las fuerzas y deformaciones esperadas durante un sismo, utilizando los factores de resistencia y las ecuaciones establecidas en la NSR-10 y en la AWS D1.1.
• Detalles constructivos: Se deben evitar concentraciones de tensiones, utilizar soldaduras de penetración completa en zonas críticas, asegurar una buena ductilidad de la soldadura.

Conexiones Atornilladas

• Ventajas: Fácil montaje, menor necesidad de mano de obra especializada, buena ductilidad si se diseñan adecuadamente.
• Desventajas: Menor rigidez que las conexiones soldadas, pueden ser más voluminosas.
• Tipos de pernos: Pernos de alta resistencia (A325, A490), pernos comunes (A307).
• Diseño de conexiones atornilladas: Se deben diseñar para resistir las fuerzas y deformaciones esperadas durante un sismo, considerando los diferentes modos de falla (aplastamiento del material base, corte del perno, desgarramiento del material base, tensión del perno).
• Detalles constructivos: Se deben utilizar arandelas, asegurar una longitud de agarre adecuada del perno, evitar excentricidades excesivas.
• Conexiones precalificadas: La NSR-10 permite el uso de conexiones precalificadas, que son conexiones que han sido probadas y demostradas que cumplen con los requisitos de desempeño sísmico.

Conexiones Mixtas (Soldadas y Atornilladas)

• Combinación de soldadura y pernos para aprovechar las ventajas de ambos sistemas.
• Ejemplo: Placas extremas soldadas a la viga y atornilladas a la columna.

Análisis Dinámico de Estructuras

El análisis dinámico es un método más sofisticado que el análisis estático para evaluar el comportamiento de una estructura ante un sismo. La capacitación debe abordar:

Conceptos Básicos

• Vibración libre: El movimiento de una estructura después de ser perturbada, sin la aplicación de fuerzas externas.
• Frecuencia natural: La frecuencia a la que una estructura vibra libremente. Cada estructura tiene múltiples frecuencias naturales.
• Modos de vibración: Las formas en que una estructura se deforma al vibrar a cada una de sus frecuencias naturales.
• Amortiguamiento: La disipación de energía en una estructura en vibración.
• Resonancia: Cuando la frecuencia de una fuerza externa (como un sismo) coincide con una de las frecuencias naturales de la estructura, la amplitud de la vibración aumenta considerablemente, lo que puede llevar al colapso.

Tipos de Análisis Dinámico

• Análisis modal espectral: Se utiliza un espectro de diseño (definido en la NSR-10) para determinar las fuerzas sísmicas máximas probables que actuarán sobre la estructura. Es el método más comúnmente utilizado en la práctica.
• Análisis tiempo-historia: Se utiliza un registro de aceleraciones de un sismo real o simulado para analizar el comportamiento de la estructura a lo largo del tiempo. Es un método más preciso, pero también más complejo y computacionalmente costoso.
• Análisis "pushover" (estático no lineal): Se aplica una carga lateral incremental a la estructura hasta que se alcanza un estado límite (por ejemplo, la formación de rótulas plásticas). Permite evaluar la capacidad de deformación inelástica de la estructura.

Espectro de Diseño (NSR-10)

• Definición: Un espectro de diseño es una gráfica que muestra la aceleración máxima probable que experimentará una estructura durante un sismo, en función de su periodo de vibración natural.
• Parámetros que definen el espectro:
  • Aa: Aceleración pico efectiva para diseño.
  • Av: Velocidad pico efectiva para diseño.
  • Fa: Coeficiente de amplificación de aceleración.
  • Fv: Coeficiente de amplificación de velocidad.
  • Tc: Periodo límite de la plataforma de aceleración constante.
  • TL: Periodo límite de la plataforma de velocidad constante.
• Obtención del espectro: La NSR-10 proporciona ecuaciones y tablas para obtener el espectro de diseño, en función de la zona de amenaza sísmica, el tipo de suelo y el grupo de uso de la edificación.
• Microzonificación sísmica: En ciudades como Bogotá, se utilizan estudios de microzonificación sísmica para obtener espectros de diseño más precisos, que tienen en cuenta las características específicas del suelo en diferentes zonas de la ciudad.

Modelado para Análisis Dinámico

• Software: Se utilizan programas de análisis estructural como SAP2000, ETABS, Robot Structural Analysis, SAFE, entre otros.
• Modelo matemático: Se crea un modelo matemático de la estructura, que representa su geometría, sus propiedades y sus conexiones.
• Masas: Se deben asignar las masas de la estructura a los nodos del modelo.
• Rigidez: El programa calcula la rigidez de la estructura en función de las propiedades de los materiales y la geometría de los elementos.
• Amortiguamiento: Se debe asignar un valor de amortiguamiento al modelo (típicamente entre 2% y 5% para estructuras metálicas).

Interpretación de Resultados

• Modos de vibración: Identificar los modos de vibración predominantes de la estructura y sus frecuencias naturales.
• Fuerzas sísmicas: Determinar las fuerzas sísmicas máximas que actuarán sobre los elementos estructurales.
• Desplazamientos: Calcular los desplazamientos máximos de la estructura durante el sismo.
• Derivas: Calcular las derivas de piso (desplazamiento relativo entre dos pisos consecutivos), que son un indicador del daño potencial a la estructura y a los elementos no estructurales. La NSR-10 establece límites para las derivas.
• Verificación del diseño: Verificar que los elementos estructurales y las conexiones son capaces de resistir las fuerzas y deformaciones calculadas, cumpliendo con los requisitos de la NSR-10.

Refuerzo de Estructuras Existentes

Muchas estructuras existentes en Colombia no cumplen con los requisitos de la NSR-10, ya sea porque fueron construidas antes de la entrada en vigencia de la norma o porque presentan daños o deficiencias. La capacitación debe cubrir:

Evaluación de la Vulnerabilidad Sísmica

• Inspección: Realizar una inspección detallada de la estructura para identificar daños, deficiencias constructivas, deterioro de los materiales, etc.
• Revisión de planos: Si están disponibles, revisar los planos originales de la estructura.
• Estudios de suelos: Si es necesario, realizar estudios de suelos para determinar las características del terreno.
• Análisis estructural: Realizar un análisis estructural de la estructura existente para evaluar su capacidad de resistir las fuerzas sísmicas.
• Determinación del nivel de desempeño: Determinar el nivel de desempeño sísmico de la estructura existente (por ejemplo, si cumple con los requisitos de la NSR-10 para ocupación inmediata, seguridad de vida o prevención de colapso).

Técnicas de Refuerzo

• Refuerzo de conexiones:
  • Añadir placas de refuerzo.
  • Aumentar el tamaño de las soldaduras.
  • Utilizar pernos de alta resistencia.
• Refuerzo de elementos estructurales:
  • Encamisado de columnas con perfiles metálicos o concreto reforzado.
  • Adición de diagonales de arriostramiento.
  • Refuerzo de vigas con placas o perfiles metálicos.
• Incorporación de disipadores de energía o aisladores sísmicos:
  • Disipadores de energía: Dispositivos que absorben energía durante un sismo, reduciendo la demanda sísmica sobre la estructura.
  • Aisladores sísmicos: Dispositivos que se colocan entre la cimentación y la superestructura para aislar la edificación del movimiento del suelo.
• Mejora de la cimentación:
  • Refuerzo de zapatas existentes.
  • Construcción de nuevas zapatas.
  • Pilotes.

Factores de Reducción de Respuesta Sísmica (R)

El factor de reducción de respuesta sísmica (R) es un valor que reduce las fuerzas sísmicas de diseño, teniendo en cuenta la capacidad de la estructura para disipar energía a través de la deformación inelástica. La capacitación debe explicar:

Concepto de Ductilidad

• Definición: La ductilidad es la capacidad de un material o una estructura para deformarse inelásticamente (permanentemente) sin perder su capacidad de carga.
• Importancia: La ductilidad es fundamental en el diseño sismorresistente, ya que permite que la estructura disipe energía durante un sismo y evite el colapso.
• Curva de capacidad: La curva de capacidad de una estructura representa su resistencia en función de su deformación. Una estructura dúctil tiene una curva de capacidad con una meseta plástica prolongada.

Factores que Influyen en R

• Sistema estructural: Los sistemas estructurales más dúctiles (como los pórticos resistentes a momentos) tienen valores de R más altos que los sistemas menos dúctiles (como los muros de mampostería no reforzada).
• Material: El acero estructural es un material dúctil, lo que permite utilizar valores de R relativamente altos.
• Regularidad: Las estructuras regulares (en planta y altura) tienen un comportamiento sísmico más predecible y pueden tener valores de R más altos.
• Detallado: El detallado de las conexiones y de los elementos estructurales es crucial para garantizar la ductilidad de la estructura.
• Nivel de diseño: La NSR-10 establece diferentes valores de R para diferentes niveles de diseño sismorresistente.

Valores de R en la NSR-10

• La NSR-10 proporciona tablas con valores de R para diferentes sistemas estructurales y materiales.
• Estos valores se basan en estudios y ensayos de laboratorio, y en la experiencia de sismos pasados.
• El ingeniero estructural debe seleccionar el valor de R adecuado para cada proyecto, teniendo en cuenta las características de la estructura y los requisitos de la norma.

Implicaciones del Uso de R

• Reducción de fuerzas sísmicas: El uso de R permite reducir las fuerzas sísmicas de diseño, lo que se traduce en una estructura más económica.
• Mayor demanda de ductilidad: Al reducir las fuerzas sísmicas, se aumenta la demanda de ductilidad sobre la estructura. Es fundamental asegurar que la estructura tenga suficiente ductilidad para resistir las deformaciones esperadas.
• Control de derivas: Aunque se utilice R, es necesario verificar que las derivas de piso no excedan los límites establecidos en la NSR-10.

Diseño por Desempeño

El diseño por desempeño es una metodología que busca asegurar que una edificación cumpla con ciertos objetivos de desempeño durante un sismo. La capacitación debe incluir:

Objetivos de Desempeño

• Ocupación inmediata: La edificación puede ser ocupada inmediatamente después del sismo, con daños mínimos.
• Seguridad de vida: La edificación no colapsa durante el sismo, protegiendo la vida de los ocupantes, pero puede sufrir daños significativos.
• Prevención de colapso: La edificación no colapsa durante el sismo máximo considerado, pero puede sufrir daños irreparables.
• No consideración: La edificación no se diseña para resistir sismos (no se recomienda en Colombia).

Niveles de Sismo

• Sismo frecuente: Un sismo que tiene una alta probabilidad de ocurrir durante la vida útil de la edificación (por ejemplo, un sismo con un periodo de retorno de 50 años).
• Sismo ocasional: Un sismo que tiene una probabilidad moderada de ocurrir durante la vida útil de la edificación (por ejemplo, un sismo con un periodo de retorno de 475 años).
• Sismo raro: Un sismo que tiene una baja probabilidad de ocurrir durante la vida útil de la edificación (por ejemplo, un sismo con un periodo de retorno de 2500 años).
• Sismo máximo considerado: El sismo más severo que se considera para el diseño de la edificación (generalmente un sismo raro).

Combinación de Objetivos y Niveles

• Se establece una matriz que combina los objetivos de desempeño con los niveles de sismo.
• Por ejemplo, se puede requerir que una edificación esencial (hospital, estación de bomberos) tenga un desempeño de ocupación inmediata para un sismo ocasional y de seguridad de vida para un sismo raro.
• Una vivienda podría diseñarse para seguridad de vida ante un sismo ocasional.

Análisis y Verificación

• Análisis no lineal: El diseño por desempeño generalmente requiere análisis no lineales (estáticos o dinámicos) para evaluar el comportamiento de la estructura más allá del rango elástico.
• Curvas de capacidad: Se utilizan curvas de capacidad para evaluar la capacidad de deformación inelástica de la estructura.
• Verificación de criterios: Se verifican criterios de desempeño específicos, como derivas, rotaciones de rótulas plásticas, fuerzas en elementos no estructurales, etc.

Aislamiento Sísmico y Disipación de Energía

Son técnicas avanzadas para mejorar el comportamiento sísmico de las estructuras. La capacitación debe cubrir:

Aislamiento Sísmico

• Principio: Desacoplar la estructura del movimiento del suelo mediante la introducción de elementos flexibles (aisladores) entre la cimentación y la superestructura.
• Efecto: Aumenta el periodo fundamental de vibración de la estructura, reduciendo las fuerzas sísmicas que actúan sobre ella.
• Tipos de aisladores:
  • Aisladores elastoméricos (de caucho con o sin núcleo de plomo).
  • Aisladores de péndulo friccional.
• Aplicaciones: Edificaciones esenciales (hospitales, centros de datos), puentes, estructuras con contenidos valiosos (museos).
• Ventajas: Reduce significativamente las fuerzas sísmicas y las aceleraciones en la estructura, protegiendo tanto la estructura como sus contenidos.
• Desventajas: Mayor costo inicial, requiere diseño y análisis especializados, puede no ser adecuado para todos los tipos de suelo.
• NSR-10: El Título A de la NSR-10 incluye requisitos para el diseño de edificaciones con aislamiento sísmico.

Disipación de Energía

• Principio: Incorporar dispositivos especiales (disipadores) en la estructura para absorber energía durante un sismo.
• Efecto: Reduce la demanda de ductilidad sobre los elementos estructurales principales, disminuyendo el daño.
• Tipos de disipadores:
  • Disipadores de fluencia (metálicos).
  • Disipadores viscosos.
  • Disipadores de fricción.
  • Disipadores viscoelásticos.
• Aplicaciones: Refuerzo de estructuras existentes, diseño de nuevas estructuras con alto desempeño sísmico.
• Ventajas: Permite controlar la respuesta sísmica de la estructura, reduciendo las fuerzas y los desplazamientos.
• Desventajas: Requiere diseño y análisis especializados, puede aumentar el costo inicial de la estructura.
• NSR-10: La NSR-10 permite el uso de disipadores de energía, pero no proporciona requisitos detallados para su diseño. Se deben utilizar normas internacionales como ASCE 7.

Detalles Constructivos Sismorresistentes

El comportamiento sísmico de una estructura metálica no solo depende del diseño, sino también de la correcta ejecución de los detalles constructivos. La capacitación debe enfatizar:

Conexiones

• Soldaduras:
  • Utilizar soldaduras de penetración completa en zonas críticas (conexiones a momento).
  • Evitar concentraciones de tensiones (esquinas entrantes, cambios bruscos de sección).
  • Controlar el aporte térmico para evitar la pérdida de ductilidad del material base.
  • Realizar inspección visual y ensayos no destructivos para verificar la calidad de las soldaduras.
  • Proteger las soldaduras de la corrosión.
• Pernos:
  • Utilizar pernos de alta resistencia en conexiones críticas.
  • Asegurar una longitud de agarre adecuada del perno.
  • Utilizar arandelas endurecidas.
  • Aplicar el torque de apriete especificado.
  • Evitar el uso de pernos en tensión en conexiones a momento (a menos que se diseñen específicamente para ello).
• Placas de conexión:
  • Diseñar las placas para que sean más resistentes que los elementos que conectan.
  • Evitar esquinas entrantes y concentraciones de tensiones.
  • Asegurar una distribución uniforme de las fuerzas entre los pernos o soldaduras.
  • Considerar el efecto de las fuerzas de palanca (prying action) en las conexiones atornilladas.

Elementos Estructurales

• Vigas:
  • Utilizar perfiles compactos para evitar el pandeo local.
  • Arriostrar lateralmente las vigas para evitar el pandeo lateral-torsional.
  • Evitar cambios bruscos de sección.
  • Asegurar la continuidad del ala comprimida en las conexiones a momento.
• Columnas:
  • Utilizar perfiles con una relación ancho/espesor adecuada para evitar el pandeo local.
  • Arriostrar lateralmente las columnas en ambas direcciones.
  • Asegurar la continuidad de las columnas en los empalmes.
  • Evitar excentricidades excesivas en las conexiones.
• Diagonales:
  • Utilizar perfiles con una relación de esbeltez adecuada para evitar el pandeo.
  • Conectar las diagonales de forma que se eviten excentricidades excesivas.
  • Asegurar que las conexiones de las diagonales sean capaces de desarrollar la resistencia a la tracción o compresión del elemento.

Diafragmas

• Losa: Asegurar que la losa de piso o cubierta actúa como un diafragma rígido, capaz de transmitir las fuerzas sísmicas a los elementos verticales (muros o pórticos).
• Conexión: Conectar adecuadamente la losa a las vigas y muros.
• Aberturas: Evitar aberturas grandes en los diafragmas, especialmente cerca de los elementos verticales.
• Refuerzo: Reforzar la losa alrededor de las aberturas.

Arriostramientos

• Vertical: Utilizar arriostramientos verticales (diagonales, cruces de San Andrés) para rigidizar la estructura y controlar los desplazamientos laterales.
• Horizontal: Utilizar arriostramientos horizontales (diafragmas) para distribuir las fuerzas sísmicas entre los elementos verticales.
• Distribución: Distribuir los arriostramientos de forma regular en planta y altura.

Generalidades en el Montaje

• Seguir estrictamente los planos y especificaciones del proyecto.
• Utilizar los materiales y equipos especificados.
• Realizar las inspecciones y pruebas de control de calidad requeridas.
• Documentar cualquier cambio o modificación realizada durante el montaje.
• Proteger la estructura de la corrosión durante el montaje y la vida útil.
• Asegurar la estabilidad de la estructura durante todas las fases del montaje.
• Cumplir con las normas de seguridad y salud en el trabajo.

Errores Comunes a Evitar en el Diseño y Montaje

• No considerar la NSR-10 en su totalidad.
• No realizar un análisis sísmico adecuado.
• No detallar correctamente las conexiones.
• Utilizar materiales de baja calidad o no especificados.
• No controlar la calidad de la soldadura.
• No apretar correctamente los pernos.
• No arriostrar adecuadamente la estructura.
• No proteger la estructura de la corrosión.
• No seguir los planos y especificaciones.
• No supervisar adecuadamente el montaje.

Tabla: Sistemas Estructurales Sismorresistentes (Según NSR-10)

Tabla: Zonas de Amenaza Sísmica en Colombia (NSR-10)

Nota: Los valores de Aa y Av son referenciales y pueden variar según la ubicación específica y los estudios de microzonificación.

Tabla: Tipos de Conexiones Sismorresistentes

Tabla: Defectos Comunes en Soldaduras y su Detección con PND