Resumen: Se evaluó la influencia de las reducciones de las cargas muertas en el diseño sismorresistente de un edificio público que se construirá en la zona de mayor peligrosidad sísmica de Cuba, sobre un perfil de suelo D según la norma sísmica cubana vigente NC 46:2017. La evaluación se realizó mediante la comparación del diseño estructural de una variante pesada con otra aligerada, basada en el diseño de las secciones críticas de la superestructura que incluye las uniones. Las solicitaciones sísmicas, ofrecidas por el SAP 2000NL, versión19, por el método estático equivalente, se combinaron con las gravitatorias según las normas cubanas vigentes. El diseño estructural se efectuó por el método de capacidad resistente límite, mediante la utilización del Libro Excel DISRESPLAS y con la consulta de las formulaciones de diseño en normas de referencia internacional. Finalmente se demuestra que una moderada reducción de las cargas muertas racionaliza significativamente el diseño estructural y simplifica los detalles constructivos; en particular, las uniones.
Palabras clave:diseño sismorresistentediseño sismorresistente, pórticos dúctiles pórticos dúctiles, racionalización de estructuras racionalización de estructuras, seguridad sísmica seguridad sísmica.
Abstract: It’s evaluate the influence of the dead loads reduction in the seismic design of a public building to be built at the zone of bigger seismic hazard of Cuba on a soil type D by Cuban seismic code NC 46:2017. The evaluation is carried out comparing the structural design of a heavy variant with an unloaded variant, based on the structural design of critical cross sections of the superstructure, including the joints. The seismic solicitations by static equivalent method are offered by computers program SAP 2000NL version and combined with gravitational loads by actual Cuban code. The structural design occurred by the method of the capacity resistant limit, preview consult of internationals codes. For structural design is it used the Excel Book DISRESPLAS. It’s demonstrated finally that a moderate dead loads reduction leads to rationalizing the structural design significantly and it simplifies the constructive details specially the joints.
Keywords: Earthquake-resistant structures, ductile frames, rationalizing of structures, seismic safety.
Artículos
INFLUENCIA DE LAS CARGAS MUERTAS EN EL DISEÑO SISMORRESISTENTE DE PÓRTICOS DÚCTILES DE HORMIGÓN ARMADO
INFLUENCE OF THE DEAD LOADS IN THE SEISMIC DESIGN OF DUCTILE FRAMES OF REINFORCED CONCRETE
Centro de Información y Gestión Tecnológica de Santiago de Cuba
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Recepción: 11 Mayo 2018
Aprobación: 19 Octubre 2018
La ciudad de Santiago de Cuba, ubicada en la zona de más alta peligrosidad sísmica de Cuba, precisa de proyectos racionales de estructuras que garanticen la seguridad sísmica. Esto implica la consideración de factores esenciales desde la concepción del proyecto, tales como la carga muerta en las edificaciones. La evaluación de la influencia de estas cargas en el diseño estructural de pórticos dúctiles de hormigón armado contribuye a racionalizar los proyectos, con lo cual se simplifican los detalles constructivos.
Esta investigación, que profundiza en investigaciones anteriores (Adahe, 2008; Álvarez y Adahe, 2012), diseña estructuralmente un edificio público de 5 pisos de 30 m de ancho y 36 m de largo, con módulos de 7,20 m x 6,00 m y puntales de 3,30 m; ubicado hipotéticamente en la ciudad de Santiago de Cuba sobre un perfil de suelo D, según la norma sísmica cubana vigente (NC 46:2017) (Cuba. Oficina Nacional de Normalización, 2017).
El estudio efectuado para el edificio analizado demuestra que los resultados para suelo S2, en la misma ciudad por la norma sísmica anterior (NC 46:1999) (Cuba. Oficina Nacional de Normalización, 1999), prácticamente no difieren en relación con las cuantías de refuerzo requeridas para el detallado constructivo, que jerarquiza el diseño sismorresistente. Esto ocurre porque las capacidades de diseño requeridas por la normativa derogada exceden las obtenidas por la norma vigente solo en un rango del 6 al 7 % para este edificio.
Se diseñaron las secciones críticas de los elementos de la superestructura y uniones para dos variantes: una pesada, cuyo tabiques divisorios, solución de pisos y de cubierta son convencionales (bloques ahuecados de 10 cm de espesor, como tabiques para los muros divisorios; atesado, mortero y mosaicos para los pisos y enrajonado y soladura como impermeabilización de cubierta); y otra aligerada, que sustituye los muros divisorios por muros de pladur de 5 cm de espesor, con la utilización de losa cerámica (10 mm de espesor), mortero de nivelación de hormigón celular (3cm de espesor) y cemento cola; además del uso de una impermeabilización de cubierta de hormigón celular y mantas asfálticas bituminosas.
Esta investigación precede a la evaluación de la influencia de las cargas muertas en el diseño de los platos de cimientos aislados de la misma edificación (Álvarez y Cleger, 2008). Se usa el SAP 2000NL, versión 19, para el análisis estructural de las variantes mediante la utilización del método estático equivalente, para estimar las solicitaciones sísmicas y el libro Excel DISRESPLAS (Álvarez, 2012) para el diseño sismorresistente, que programa el método de diseño por capacidad resistente límite (Paulay & Bachmann, 1990; Paulay & Priestley, 1992).
Este método ha sido elaborado para el diseño estructural de pórticos dúctiles de hormigón armado y sus uniones, e implementado en normativas de países de referencia internacional para diseños en zonas de alta peligrosidad sísmica, como Estados Unidos y Japón (Aoyama, 1990). En esta investigación se consultaron también códigos nacionales (NC 53-39:1997) (Cuba. Oficina Nacional de Normalización, 1997) y de referencia internacional que norman el diseño sismorresistente (ACI 318:2014) (American Concrete Institute, 2015).
El objetivo fue evaluar la influencia de las reducciones moderadas de las cargas muertas en entrepisos y cubierta en el diseño sismorresistente de la superestructura de una variante de edificio público, que se construirá sobre un suelo D en la ciudad de mayor peligrosidad sísmica de Cuba (Santiago de Cuba), para solicitaciones sísmicas obtenidas de la norma sísmica cubana vigente (NC 46:2017) (Cuba. Oficina Nacional de Normalización, 2017) y con el uso de la metodología ERAD (Álvarez, 1994).
Para alcanzar el objetivo propuesto se siguieron los pasos siguientes:
- 1. Modelación estructural. Solicitaciones de diseño para ambas variantes.
- 2. Diseño estructural de las secciones críticas de los elementos y uniones de ambas variantes, mediante el empleo del libro Excel DISRESPLAS.
- 3. Análisis comparativo de los resultados del diseño estructural.
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Mecanismo plástico de la estructura
Considera el estado fisurado de los pórticos para altas solicitaciones sísmicas y supone que se verifica un mecanismo plástico de vigas (columna fuerte-viga débil).
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Modelación de las cargas sísmicas
Las cargas sísmicas son obtenidas del Método Estático Equivalente a partir del espectro de diseño de la norma sísmica cubana, vigente para suelos D, y modeladas como cargas actuantes en el plano horizontal. Para esto se combina el 100 % de la carga sísmica en una de las direcciones principales del edificio, con el 30 % en la dirección ortogonal a ella. Se comparan los cortantes basales con los del Método de Espectro de Respuesta y se verifica que el Método Estático Equivalente ofrece resultados más conservadores (Tabla 1).
Cortante Basal. Método Estático Equivalente (MEE) y Método de Espectro de Respuesta (Modal)
Autor
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Combinaciones de cargas de partida
Las combinaciones de cargas de partida introducidas al SAP 2000NL, versión 19, para el posterior diseño estructural, con el libro Excel DISRESPLAS, son las que aparecen a continuación. Estas combinaciones son tratadas por separado por la plantilla de cálculo por ser de orígenes diferentes (cargas gravitatorias y cargas sísmicas), antes de combinarlas según lo especificado en la norma cubana NC 450:2006 para el diseño estructural (Cuba. Oficina Nacional de Normalización, 2006): Fig. 1
Pasos a seguir para el diseño estructural de las secciones críticas
[Fig. 1]El diseño estructural ocurre por el método de diseño por capacidad resistente límite. Se comparan las áreas de acero reales (longitudinal y transversal) a disponer en vigas, columnas y nudos de los pórticos para las dos variantes. El método de diseño por capacidad resistente límite propone los pasos siguientes:
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Diseño a flexión de las vigas
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Redistribuciones plásticas
Cálculo del refuerzo longitudinal en las zonas plásticas de las vigas
Cálculo de los momentos y factores de sobrerresistencias de los pisos
Cortes de barras del acero longitudinal
Diseño a cortante de las vigas
Zonas plásticas
Zona central
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Diseño de las columnas a cargas axiales y momentos flectores
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Cálculo fuerzas axiales de cálculo
Cálculo momentos flectores de cálculo
Cálculo de cortantes de cálculo producidos por las cargas sísmicas
Cálculo del refuerzo longitudinal de las columnas
Cálculo del refuerzo transversal de las columnas
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Diseño estructural de los nudos
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Solicitaciones de cálculo en el nudo
Fuerzas cortantes horizontales en el nudo
Comprobación de la tensión tangencial en el nudo
Fuerza cortante vertical en el nudo
Contribución del hormigón a la resistencia a cortante
Refuerzo a cortante requerido en el nudo
Chequeo del anclaje de las barras en las vigas
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Estos pasos son resueltos por cada una de las hojas de cálculo del Libro Excel DISRESPLAS ofrecido por el autor.
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Diseño estructural de las vigas
Los pórticos dúctiles de hormigón armado, para los cuales se realiza el diseño sismorresistente de sus secciones críticas, así como el diseño plástico ofrecido por el software DISRESPLAS de una de sus secciones para las dos variantes de edificio seleccionadas, se muestran en la figura 1
Acero longitudinal en las vigas
Los gráficos de solicitaciones de cálculo de momento flector resultan de las redistribuciones plásticas de las solicitaciones para combinaciones de cargas de diseño, que consideran una inversión de las acciones sísmicas. Estos gráficos permiten el cálculo del acero longitudinal en las secciones críticas de las vigas y la realización del despiezo del acero de refuerzo longitudinal. Antes de calcular el acero longitudinal de las vigas se verifica si las solicitaciones de momento flector para la combinación de cargas verticales máximas dominan en el diseño. Finalmente se construyen las “Líneas de Capacidad Resistente a Flexión”, que permiten, a través de la comparación con las solicitaciones de diseño, chequear la capacidad portante de las vigas y racionalizar el diseño a flexión (Figura 2). Según el diseño estructural a flexión de las vigas de las dos variantes, se demuestran reducciones de alrededor del 12 % (Tabla 2) del área de acero longitudinal en las vigas para la variante aligerada, conforme a la reducción que se apreció en las cargas sísmicas.
Acero transversal en las vigas
El diseño estructural a cortante de las vigas muestra que las reducciones de las cargas muertas propuestas no resultan variaciones significativas en el espaciamiento de los cercos, debido a que en la mayoría de los casos este espaciamiento resultó por especificaciones (en las zonas plásticas 6dbmax y en las zonas centrales d/2).
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Diseño estructural de las columnas
En la figura 3 aparecen los pórticos dúctiles de hormigón armado para los cuales se realiza el diseño sismorresistente de las secciones críticas de las columnas, previamente definidos los distintos grupos de columnas de acuerdo con su posición en la planta del edificio. En esta figura se muestra también, a modo de ejemplo, el diseño plástico ofrecido por el software DISRESPLAS de una de sus secciones para las dos variantes de edificio.
Acero longitudinal en las columnas
El diseño del acero longitudinal en las columnas se realiza por diagramas de interacción para la flexión compuesta de una sección transversal cuadrada de hormigón armado de resistencia característica a la compresión de 35 MPa, con una relación de peralto efectivo a peralto total de la columna de 0,15 y un refuerzo perimetral de barras de acero con resistencia característica a la tracción de 420 MPa (Frómeta y Álvarez, 2002). El diseño a flexión combinada de las columnas muestra una reducción de área de acero longitudinal para las columnas de la variante aligerada, la cual está alrededor del 15 % (Tabla 3).
Acero transversal en las columnas
El diseño a cortante de las columnas muestra que las reducciones de las cargas muertas influyen significativamente en el espaciamiento de los cercos, debido a que en la mayoría de los casos, dominan las especificaciones (por empalme en las zonas críticas y d/2 en las zonas centrales).
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Diseño Estructural de los Nudos
Acero transversal en los nudos
Las reducciones de cargas muertas no causan variaciones significativas en el espaciamiento de los cercos de los nudos de las columnas exteriores (Tabla 3), debido a que dominan las especificaciones (al menos igual al espaciamiento de los cercos de la columna en la zona crítica). Para los nudos de las columnas interiores se reduce el área de acero transversal al menos un 10 %, lo que permite reducir los diámetros de cercos y simplificar la ejecución de estos.
figura 1
Diseño sismorresistente de las secciones críticas de las vigas
Figura 2
Líneas de capacidad resistente a flexión y envolventes de las combinaciones de cargas
Acero transversal en las vigas
El diseño estructural a cortante de las vigas muestra que las reducciones de las cargas muertas propuestas no resultan variaciones significativas en el espaciamiento de los cercos, debido a que en la mayoría de los casos este espaciamiento resultó por especificaciones (en las zonas plásticas 6dbmax y en las zonas centrales d/2).
figura 3
Diseño sismorresistente de las columnas
Acero longitudinal en las vigas. Zonas críticas
- 1.
La reducción de las cargas muertas no permite prácticamente racionalizar el refuerzo transversal de vigas y columnas, al dominar los espaciamientos máximos en los reglamentos sísmicos de referencia internacional.
No obstante al incremento de las aceleraciones de respuestas para la variante aligerada por la disminución del período fundamental en las dos direcciones principales del edificio, se obtienen ahorros significativos en el acero longitudinal de vigas y columnas.
La reducción de las cargas muertas para los nudos permite racionalizar significativamente el acero transversal, lo que simplifica la ejecución de los nudos interiores por la disminución de los diámetros de los cercos.
- 1.
Las valoraciones económicas relacionadas con el diseño sismorresistente deben sustentarse en los detalles constructivos que jerarquizan el diseño, al ser un diseño conceptual, y no en valoraciones prematuras y simplistas relacionadas con la respuesta estructural y áreas de acero de cálculo.
Se demuestra que una reducción de las cargas muertas no tiene la misma incidencia en las cuantías de acero transversal y longitudinal de vigas y columnas, lo que tiene mayor incidencia en la reducción del refuerzo longitudinal. Estas reducciones resultan insignificantes para el refuerzo transversal, donde predominan los criterios de espaciamientos máximos referidos en las normas sísmicas de referencia internacional.
Se comprueba que una moderada reducción de las cargas muertas permite la racionalización significativa el diseño estructural, al simplificar los detalles constructivos, especialmente las uniones.
Tabla 3 (pdf)
Cortante Basal. Método Estático Equivalente (MEE) y Método de Espectro de Respuesta (Modal)
Autor
figura 1
Diseño sismorresistente de las secciones críticas de las vigas
Figura 2
Líneas de capacidad resistente a flexión y envolventes de las combinaciones de cargas
figura 3
Diseño sismorresistente de las columnas
Acero longitudinal en las vigas. Zonas críticas
