La ingeniería estructural, especialmente en zonas de alta sismicidad, se rige por normativas estrictas que buscan salvaguardar la vida humana y la integridad de las edificaciones. En Chile, la NCh 433 es un pilar fundamental en este ámbito.

Prioridad en la Construcción Sismo Resistente

La Ordenanza General de Urbanismo y Construcción establece como su máxima prioridad evitar pérdidas de vidas humanas. Este principio rector guía todas las decisiones de diseño y construcción en el país.

Deformaciones Estructurales y Fuerzas Sísmicas

Las deformaciones en los edificios son generadas principalmente por fuerzas cortantes y de flexión, resultantes de la acción sísmica. Comprender estos mecanismos es crucial para un diseño adecuado.

Normativas Internacionales de Diseño Estructural

El diseño estructural sismo resistente se apoya en diversas normativas reconocidas globalmente:

  • México: RCDF / CFE
  • Estados Unidos: ACI / ASTM / AASHTO
  • Comunidad Europea: EUROCODE
  • Japón: AIJ

Clasificación de Edificaciones por Categoría de Ocupación

La normativa chilena clasifica las edificaciones según su uso y la importancia de su función en caso de sismo, lo que influye directamente en los requisitos de diseño:

Grupo A: Instalaciones de Baja Ocupación o Provisorias

  • Instalaciones agrícolas.
  • Ciertas instalaciones provisorias.
  • Instalaciones menores de almacenaje.

Grupo B: Edificaciones Residenciales y de Uso Público General

Incluye todos los edificios y otras estructuras destinados a la habitación privada o al uso público que no pertenecen a las Categorías de Ocupación I, III y IV. También abarca edificios u otras estructuras cuya falla puede poner en peligro otras construcciones de las Categorías de Ocupación I, III y IV.

Grupo C: Edificaciones con Contenido de Alto Valor

Edificios y otras estructuras cuyo contenido es de gran valor, incluyendo, pero no exclusivamente:

  • Bibliotecas.
  • Museos.

Grupo D: Edificaciones Esenciales para Emergencias

  • Cuarteles de bomberos.
  • Garajes para vehículos de emergencia.
  • Estaciones terminales.
  • Refugios de emergencia.

Clasificación de Suelos para Diseño Sísmico

La respuesta sísmica de una estructura está intrínsecamente ligada a las características del suelo sobre el que se asienta. La clasificación tradicional de suelos es la siguiente:

  • Suelo I: Roca.
  • Suelo II: Grava densa, arena densa, suelo cohesivo duro.
  • Suelo III: Arena permanentemente no saturada, grava o arena no saturada, arena saturada.
  • Suelo IV: Suelo cohesivo saturado.

Esquemas de Resistencia Sísmica

Para enfrentar la acción sísmica, se emplean dos esquemas estructurales principales:

  • Sistema Rígido: Basado en la resistencia de muros.
  • Sistema Flexible: Basado en la resistencia y ductilidad de marcos rígidos.

Experiencia Sísmica en Chile: El Sismo de 1985

Varios edificios de hormigón armado de alrededor de 15 pisos, construidos entre los años 40 y 60, resistieron en excelente forma el sismo destructivo de marzo de 1985. Esta experiencia ha sido fundamental para la evolución de la normativa y las prácticas de diseño en el país.

Zonificación Sísmica del Territorio Nacional

El territorio nacional se divide en tres zonas sísmicas, clasificadas por su nivel de sismicidad:

  • Zona 3: La de más alta sismicidad. Aceleración (Ao) de 0.40 g.
  • Zona 2: Aceleración (Ao) de 0.30 g.
  • Zona 1: Aceleración (Ao) de 0.20 g.

Objetivos del Diseño Sismo Resistente

El diseño sismo resistente busca asegurar que las estructuras cumplan con los siguientes objetivos clave:

  • Resistir sin daños movimientos sísmicos de intensidad moderada.
  • Limitar los daños en elementos no estructurales durante sismos de mediana intensidad.
  • Aunque presenten daños, evitar el colapso durante sismos de intensidad excepcionalmente severa.

La NCh 433 Of.96 establece como máximo un 0.002 de deformaciones relativas por la altura del piso, un criterio fundamental para la seguridad estructural.

Parámetro H/T: Altura del Edificio y Periodo Traslacional

El parámetro H/T (Altura del Edificio / Periodo del primer modo traslacional) es crucial para evaluar la rigidez de una estructura. De acuerdo con su valor, los edificios de hormigón armado se califican desde demasiado rígidos hasta demasiado flexibles. Valores inferiores a 20 [m/s] indican que la estructura es muy flexible.

Densidad de Muros en Edificaciones Chilenas

Históricamente, los edificios chilenos han mostrado una densidad de muros con valores dentro del rango comprendido entre 0.015 y 0.035. Este valor se obtiene dividiendo el área de los muros de la edificación sobre el área de planta de esta, siendo un indicador clave de la rigidez lateral.

Detalles de Refuerzo Sísmico: Ganchos y Estribos

Los “estribos cerrados” y los “ganchos suplementarios” son barras que tienen la particularidad de terminar en un ángulo de 135º, lo que se conoce como “gancho sísmico”. Este detalle es vital para asegurar la confinación del hormigón y la ductilidad de los elementos estructurales.

Revisión del Proyecto de Cálculo Estructural

La revisión del proyecto de cálculo estructural es obligatoria para ciertas tipologías de edificaciones, garantizando su seguridad y cumplimiento normativo:

  • Edificios de uso público, con destino de equipamiento y una carga de ocupación total superior a 100 personas.
  • Conjuntos de vivienda cuya construcción hubiere sido contratada por los Servicios de Vivienda y Urbanización.

Código ACI 318-05: Aspectos Clave

El Código ACI 318-05 es una referencia fundamental en el diseño de estructuras de hormigón armado, abordando aspectos como:

  • Materiales: Especificaciones y propiedades.
  • Durabilidad: Criterios para la vida útil de la estructura.
  • Dimensionamiento (cálculos): Métodos y requisitos de diseño.
  • Integridad estructural (reglas): Disposiciones para asegurar la cohesión y el comportamiento global.

Sistemas Estructurales: Pórticos

Pórticos Flexibles y sus Implicaciones

La estructuración de pórticos proporciona estructuras más flexibles, que atraen menores esfuerzos sísmicos y presentan la ventaja arquitectónica de plantas libres. Sin embargo, estas estructuras son muy deformables, lo cual produce problemas en los elementos no estructurales, y tienen posibilidad de colapsar frente a sismos de gran severidad.

Pórticos con Arriostramiento Concéntrico

Los pórticos con arriostramiento concéntrico, en los cuales los miembros están sujetos primordialmente a fuerzas axiales, proveen en forma económica mucha mayor resistencia y rigidez que un pórtico resistente a momento con la misma cantidad de acero.

Pórticos de Acero Resistentes a Momento

Los pórticos de acero resistentes a momento son sistemas estructurales tridimensionales en los cuales los miembros y nudos son capaces de resistir las fuerzas laterales que actúan sobre la estructura primordialmente por flexión.

Recomendaciones de Diseño para Edificios Chilenos

Para un diseño óptimo en el contexto sísmico chileno, se sugieren las siguientes prácticas:

  • Densidad de muros comprendida entre 3% y 6% de la superficie de la planta.
  • Resistencia lateral compartida por 3 o más ejes en cada dirección.
  • Valores de H/T entre 40 y 70 m/seg (rango medio de los edificios chilenos).
  • Evitar valores de H/T inferiores a 30 m/seg o superiores a 150 m/seg.
  • Precauciones especiales en edificios bajos de alta rigidez.

Consideraciones Especiales en el Diseño Estructural

Es fundamental revisar el tratamiento de ejes no conectados en todos los pisos, prestando especial atención a situaciones como:

  • Muros de subterráneo.
  • Ejes que desaparecen por efecto de rasantes.
  • Pisos de doble altura.
  • Edificios de losas desplazadas.

Además, se debe verificar el cumplimiento del Código ACI 318-2005, párrafo 7.7.1, para asegurar la continuidad de los elementos estructurales.

Avances en la Clasificación Dinámica de Suelos

Se ha propuesto una nueva clasificación dinámica de suelos basada en Vs30 (velocidad de ondas de corte en los 30 primeros metros). Esta propuesta incluye un quinto tipo de suelos para considerar casos como el de Concepción en el terremoto de 2010, con un periodo de suelo de 2.5 segundos, no incluido en la norma actual.

Materiales para Estructuras Sismo Resistentes

Los principales materiales utilizados en estructuras sismo resistentes incluyen:

  • Adobe
  • Albañilería
  • Hormigón
  • Acero

Detalles Constructivos Clave en Hormigón Armado

  • Los amarres en todos los muros y el aparejo empotrado en el hormigón.
  • Las armaduras de encuentros de pilares y vigas reforzadas en forma ascendente hacia las juntas de estos elementos.
  • Las columnas que pasen por losas deben tener capitel de apoyo para evitar el punzonamiento.

Propiedades y Consideraciones del Acero Estructural

Definición del Acero

Las aleaciones con contenido de carbono comprendido entre 0.10% y 1.76% se denominan aceros. El hierro técnicamente puro, con menos de 0.008% de carbono, es un metal dúctil y maleable, con un peso específico de 7.87. El elemento básico de aleación del hierro es el carbono.

Desafíos del Acero en Estructuras

  • Corrosión: El acero expuesto a la intemperie sufre corrosión, por lo que debe recubrirse siempre, exceptuando los aceros especiales como el inoxidable.
  • Calor y Fuego: En caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras, disminuyendo su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente. Por ello, debe protegerse con recubrimientos aislantes del calor.
  • Pandeo Elástico: Debido a su alta relación resistencia/peso, el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión los hace susceptibles al pandeo elástico, lo que en ocasiones puede hacer que las columnas de acero no sean económicas.
  • Fatiga: La resistencia del acero (así como del resto de los materiales) puede disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión.

Ventajas del Acero en la Construcción

El acero ofrece múltiples beneficios en la ingeniería estructural:

  • Material fácil de conformar en frío y en caliente.
  • Material fácil de mecanizar, ensamblar y proteger contra la corrosión.
  • Bajo coste unitario en comparación con otros materiales.
  • Alta disponibilidad: su producción es 20 veces mayor al resto de materiales metálicos no férreos.
  • Material altamente adaptable.
  • Fácilmente reciclable: se puede usar chatarra como materia prima para la producción de nuevo acero.

Barras de Refuerzo: Barras Redondas Lisas

Las barras redondas lisas se fabrican en Chile con calidad de acero A44 – 28 H y en diámetros de 6 mm.