N° 17: Diseño sismorresistente de edificios de concreto reforzado

PRESENTACIÓN

Desde 1960 los ingenieros que proyectan estructuras de concreto cuentan con libros que se han constituidos en hitos fundamentales para entender cómo deben analizarse, diseñarse y detallarse las edificaciones en concreto reforzado en zonas sísmicas.

Estos hitos son:

  • Design of Multistorey Reinforced Concrete Buildings for Earthquake Motions por Blume, Newmark y Corning (1961).
  • Reinforced Concrete Structures (1975) por Park y Paulay.
  • Seismic Design of Concrete and Masonry Buildings (1992) por Paulay y Priestley.

Ahora se incorpora el libro de Jack Moehle, Seismic Design of Reinforced Concrete Buildings (2015), que no dudamos en recomendar a los profesionales y docentes de la ingeniería que trabajen con estructuras de concreto o de acero, mixtas acero – concreto, y con estructuras con tabiquería incluida como relleno no intencionalmente estructural. El texto está totalmente actualizado con el Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318-14 y en lo referente a los muros estructurales (structural walls) entrega material nunca antes publicado.

La obra está conformada por los siguientes capítulos:

  1. Seismic Design and Performance Verification (Diseño sismorresistente y verificación del Desempeño)
  2. Steel reinforcement (Acero de refuerzo)
  3. Concrete (Concreto)
  4. Confined Concrete (Concreto confinado)
  5. Axially loaded members (Miembros axialmente cargados)
  6. Moment and axial force (Momento y fuerza axial)
  7. Shear in beams, columns and walls (Corte en vigas, columnas y muros)
  8. Development and anchorage (Longitudes de transferencia y de anclaje)
  9. Beam - column connections (Conexiones viga –columna)
  10. Slab - colum and slab - wall connections (conexiones losa –columna y losa muro structural)
  11. Seismic Design Overview (Compendio del diseño sismorresistente)
  12. Special moment frames (Pórticos especiales de momento)
  13. Special structural walls (Muros estructurales especiales)
  14. Gravity Frames (Pórticos para fuerzas gravitacionales)
  15. Diaphrams and collectors (Diafragama s y colectores)
  16. Fondations (Fundaciones)

RESEÑA DE ALGUNOS CAPITULOS

El Prof. Moehle enfatiza el comportamiento del concreto reforzado y los requisitos para el análisis, el diseño y el detallado en construcciones localizadas en zonas de alta sismicidad. Pero que también puede ser aplicado a la evaluación sismorresistente de edificaciones existentes en zonas de baja amenaza sísmica, o para edificaciones con cargas excepcionales.

En el Capítulo 1 Diseño sismorresistente y Verificación del Desempeño repasa los conceptos del detallado dúctil sembrados desde 1961 por el libro Design of Multistory Reinforced Concrete Buildings for Earthquake. Destaca lo importante de cerrar los ganchos de los estribos a 135° o 180°, según corresponda, y de mantener la separación de los mismos lo más cerca posible. El alejamiento de los empalmes lejos de las zonas de cedencia. También que no es suficiente con cumplir a ciegas con las normas o el diseño prescriptivo, por lo que aborda el diseño conceptual y, el diseño basado en desempeño, también la importancia de las prácticas de una buena inspección y una mejor construcción.

Después de un tratamiento exhaustivo de los materiales concreto y acero, el Capítulo 4.

Concreto confinado responde la pregunta de ¿por qué es tan importante en el diseño sismorresistente. Las figuras 4.11 y 4.12 muestran la efectividad del confinamiento para varias configuraciones y disposiciones del acero de refuerzo transversal, tanto en columnas como en muros estructurales, y en la figura 4.22 las relaciones tensión- deformación medidas y calculadas en diferentes laboratorios en columnas cargadas axialmente con diferentes configuraciones de confinamiento.


Figura 1. Importancia del confinamiento del concreto

En el Capítulo 5 miembros axialmente cargados explora los requisitos para una respuesta dúctil. La figura 5.7 muestra el comportamiento esperado del recubrimiento y el núcleo de concreto, así como la del acero longitudinal.

El Capítulo 6 momento y fuerza axial trata el comportamiento de vigas, columnas y muros estructurales solicitados simultáneamente por momentos y fuerza axial. Se introducen procedimientos para calcular la respuesta no lineal carga-deformación, la construcción de los diagramas P-M. Obsérvese que no los llama diagramas de interacción (ver Norma COVENIN 2004:98 Terminología de las Normas Venezolanas COVENIN- MINDUR de Edificaciones). Diferencia el comportamiento de una columna respecto a la del muro, lo que es muy importante cuando por razones arquitectónicas o de control de la desplazabilidad lateral se alargan las columnas en una dirección. Aclara las diferencias entre las resistencias teórica (nominal), la probable y la de diseño. Vigas y muros de sección T.

El Capítulo 7 corte en vigas, columnas y muros incluye también los dinteles de acoplamiento entre los muros. Se discute el efecto de las proporciones de los muros estructurales. Se trata el diseño de las zonas nodales por el método de las bielas y tornapuntas del ACI

En el Capítulo 9 conexiones viga –columna se explica cómo calcular el corte en las columnas. La discusión sobre las estrategias de anclajes en los nodos recuerdan al “Arte de armar estructuras de concreto armado” (1966), de Fritz Leonhardt.


Figura 2. Falla de un nodo viga-columna  

Muy interesante el Capítulo 10 Conexiones losa – columna y losa muro estructural

El Capítulo 11 es un Compendio del diseño sismorresistente y muestra cómo se incorporan a las normas las enseñanzas que han dejado los distintos terremotos.

El Capítulo 13 Muros estructurales especiales abarca desde cuando utilizar muros estructurales, sus configuraciones y distribución en planta, comportamiento y principios para su análisis y diseño, distribución de los aceros de refuerzo y colocación del concreto, interacción pórticos – muros, muros acoplados, dinteles, fundación de los muros. Discontinuidades. Entre las fotografías de muros dañados por terremotos, se muestran la de los terremotos de Chile 2010 y de Christchurch 2011. Se discute sobre la respuesta modal de los muros isostáticos y la de los muros acoplados. Trata también las vigas de acoplamiento y la zona nodal en los muros estructurales.

En el Capítulo 14 Pórticos para fuerzas gravitacionales que son considerados que no forman parte del sistema resistente a sismos, sin embargo debe tomarse en cuenta los efectos sísmicos y es por eso que en el diseño por desempeño se incluye el comportamiento no lineal de estos pórticos.

El Capítulo 15 Diafragmas y colectores es particularmente importante para los ingenieros de estructuras de acero. Trata los roles de los diafragmas; sus componentes. Principios sobre el comportamiento y el proyecto de los diafragmas. La respuesta dinámica de las edificaciones y sus diafragmas. Guías para el análisis y el modelado de los diafragmas. Rampas y diafragmas apoyados en el suelo. Transferencia e interacción de las solicitaciones de los diafragmas a los miembros verticales (incluye los colectores). Casos especiales. Arriostramientos de las columnas a los diafragmas. Confinamiento y detallado. Mecanismos de empalmes. Tuberías y ductos de servicio, localización de las juntas.

El Capítulo 16 Fundaciones desarrolla las fundaciones sismorresistentes en las edificaciones. El informe de la investigación geotécnica. Clasificación de los sistemas de fundación. Vigas de riostras. Objetivos del desempeño y valores de diseño. Consideraciones sobre el comportamiento y el análisis. Diseño y detallado.

RECOMENDACIÓN

Además de recomendar el libro de Jack Moehle a los profesionales, consideramos que es especialmente útil en las asignaturas de Concreto Reforzado y de Proyectos de Estructuras de Concreto, tanto en pre como en postgrado. Entre otras razones porque contribuye a concientizar a los estudiantes que la asignatura no está cerrada, que va más allá de las fórmulas y las normas, que el conocimiento del concreto estructural está basado en ensayos de laboratorios y de los aprendizajes que deja cada terremoto, el aprender tanto de las edificaciones dañadas como de las que sobreviven.

Cuando Moehle agradece su formación en la Universidad de Illinois con los profesores Mete Sozen y William Gable, nos hace reflexionar que en nuestras escuelas de ingeniería no hay una asignatura dedicada a la Historia de la Ingeniería.

REFERENCIAS

  • Blume, John A., Newmark, Nathan M., and Corning, Leo H. (1961). Design of Multistory Reinforced Concrete Buildings for Earthquake Motions, Portland Cement Association, Skokie, 318 pp.
  • Moehle, Jack (2015). Seismic Design of Reinforced Concrete Buildings. McGraw-Hill Educations, 873 pp.
  • Park, R. and Paulay, T (1975). Reinforced Concrete Structures. John Wiley & Sons, N.Y, 769 pp.
  • Paulay, T, and Priestley, M.J.N (1992) Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings. John Wiley & Sons, N.Y., 744 pp.

ANEXOS

  • Anexo 1- Acero al día

Año 16 No. 167, Enero 2012. Proyecto de edificios con muros estructurales de concreto reforzado
Año 13 No. 142, Octubre 2009. Escaleras de concreto
Año 13 No. 140, Agosto  2009. Detallado del acero de refuerzo en miembros de concreto
Año 13 No. 133, Enero 2009. Fundaciones de las edificaciones sismorresistentes
Año 12 No. 125, Abril 2008. Doblado de cabillas en columnas
Año 11 No. 115, Mayo 2007. El acero de refuerzo en las vigas de concreto
Año  7  No.  74, Agosto 2003. Detalles que pueden salvar vidas

  •  Anexo 2 - Cuadernos informativos

Estudio de suelos para fundaciones
Contenido e interpretación de los estudios de suelo

  • Anexo 3

A propósito de los libros que han dejado hitos en la historia de la ingeniería estructural, a continuación se suministra una bibliografía que ha resultado de cotejar los juicios del autor con la consulta y cotejo de distintas fuentes. El lector está advertido de que puede optar, cuando existen re-ediciones, de textos debidamente actualizados con las Especificaciones y Normas vigentes.

Análisis estructural 

Arias Albán, Gustavo (1984). Análisis sísmico estático de edificios con aplicaciones a microcomputadores. Ediciones Vegas S.R.L, Caracas, 275 pp.

Feodosiev, V. I. (1980). Resistencia de materiales. 2da edición. Editorial MIR, Moscú, 579 pp.

Gjlsvick, Atle (1981). The theory of walled bars. John Wiley &Sons, N.Y., 248 pp.

Karderstuncer, Hayrettin (1975). Introducción al análisis estructural con matrices. Libros McGraw -Hill. Colombia, 418 pp.

Sterling Kinney, J. (1968) Análisis de estructuras indeterminadas.5ta impresión en español, C.E.C.S.A., México, 718 pp.

Vlasov, Basile Z (1962). Pièces longues en voiles minces. Éditions Eyrolles, Paris, 655 pp.

Wang, Chu –kia y Eckel, Clarence L. (1963). Teoría elemental de estructuras. McGraw-Hill, Nueva York, 429 pp.

Conceptuales

Buen López Heredia, Oscar de, Galán, Francisco de Pablo, Esteva Maraboto, Luis y Olagaray Palacios, Carlos (1984). Apuntes de diseño estructural. UNAM, Facultad de Ingeniería, F.I/DICTG/84-021, 232 pp.

Salvadori, Mario y Heller, Robert (1963, 1975, 1986). Estructuras para arquitectos. 3ª. edición. Buenos Aires, junio 1997, 254p. Ver también www. salvadori.org

Concreto reforzado

Charon, Pierre (1975). Como evitar los errores en los proyectos de concreto armado. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 264 pp.

Englenkirk, Robert (2003). Seismic designs of reinforced and precast concrete buildings. John Wiley&Sons, 825 pp.

González Cuevas, Oscar y Robles Fernández, Francisco (2009). Aspectos fundamentales del concreto reforzado. 4ta edición, Limusa, México.

Porrero, J., Ramos, C., Grases, J., Velazco, G (2004). Manual del concreto fresco conforme a la Norma COVENIN 1753:03. Fondo Editorial Sidetur, 503 pp. Quedó pendiente una futura edición para incluir un capítulo de concreto confinado.

Wight, James K., and MacGregor, James C. (2009). Reinforced concrete. Mechanics design. 5th edition. Pearson Pretince-Hall, 1112 pp.

Dinámica de estructuras

Biggs, John (1964). Introduction to structural dynamics. McGraw-Hill Books Company, USA, 341 pp.

Chopra, A.K. (2012). Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake

Engineering, 4th ed., Prentice -Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 992 pp.

Estructuras de acero

Buen López Heredia, Oscar de (1980). Estructuras de acero. Comportamiento y diseño. Limusa, México, 673 pp.

Bleich, Friedrich (1952). Buckling strength of metal structures. McGraw-Hill Book Co, NY, 508 pp.

Blodgett, Omer W. (1975). Design of welded structures. The James F. Lincoln  Arc Welding Foundation, Cleveland, Ohio, 7th edition, 460 pp. Publicaciones con un estilo similar han sido el Atlas de detalles estructurales, ICHA, 1962, 66 pp., y el Atlas de la construcción metálica por Hart, F., Henn, W., y Sontag. H. Editorial Gustavo Gili, Barcelona 1976, 371 pp. Pero ninguna de considera criterios sismorresistente. Con todo es de esperar una actualización del libro de Blodgett con las más recientes Especificaciones AISC.    

Chen, W.F. and Atsuta, T (1976). Theory of beam-colums. Vol 1. In plane behavior and design, 513 pp.; Vol 2. Space behavior and design, 732 pp.; Mc Graw-Hill Book Co. N.Y.

Daussy, B. (1972). Guía práctica de la construcción metálica. 2da Edición, Editorial Blume, Madrid, 216 pp.

Galambos, Theodore V (1988). Guide to stability design criteria for metal structures. 4th edition, John Wiley & Sons, N.Y., 786 pp.

Galambos, Theodore V (1968). Structural members and frames. Pretince–Hall International, Englewood Cliffs, N.J., 373 pp.

Smith, J.C. (1991). Structural Steel Design LRFD Approach. John Wiley & Sons Inc, 570 pp.

Galambos, T.V., Lin, F.J. and Johsnton, G. (1996). Basic steel design with LRFD. Pretince- Hall, Englewood Cliffs N.J, 320 pp.

Gaylord, E.H. and Gaylord, C.N (1972) Design of steel structures. 2nd edition. McGraw Hill Kogakusha Ltd, Tokyo, 663 pp.

Johsnton, G. and Lin, F.J. (1974). Basic steel design. Pretince- Hall, Englewood Cliffs N.J, 246 pp.

McGuire, William (1968). Steel structures. Prentince- Hall, Englewood Cliffs 1112 pp. Un verdadero hito para las estructuras de acero.

Salmon, Charles G. and Johnson, John E. (1996). Steel Structures. Design and Behaviour, 4th edition, Harp Collins College Publishers, 1024 pp. Preferible a la quinta edición.

Szilard, Rudolph (1974). Theory and analysis of plates. Classical and numerical methods. Pretince-Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, 724 pp.

Tall, Lambert, editor (1974). Structural Steel design. 2nd edition, The Ronald Press Company, N.Y., 875 pp.

Timoshenko, Stephen and Gere, James M (1961). Theory of elastic stability. 2nd edition, Mc Graw-Hill International Kogakusha, Tokyo, 541pp.

Yu, Wei-Wen (1991. Cold Formed Steel Design. 2nd edition, John Wiley& Sons, N.,Y, 631 pp. La última edición fue en 2010 conforme al AISI 2007. Imprescindible para entender el diseño de los miembros formados en frío. Es un hito en esta especialidad.

Zdenĕžk, P Bazant and Cedolin, Luigi (1971). Stability of structures. Elastic, inelastic, fracture and damage theories. Oxford University Press, 984 pp.

Zignoli, Vittorio (1978). Construcciones metálicas. Editorial Dossat, Madrid, dos volúmenes, 2073 pp.

Filosofía de las estructuras  

Cross, Hardy. Ingenieros y torres de marfil. Edición bilingüe por INTEMAC, Madrid 1997, 191 pp.

Torroja, Eduardo (1960). Razón y ser de los tipos estructurales. 3era edición. Instituto Eduardo Torroja de la Construcción y del Cemento, Madrid, 403 pp.

Fundaciones

Bowles, Joseph. (1977). Foundation analysis and design. McGraw- Hill Inc, 750 pp.

Bowles, Joseph. (1974). Analytical and computer methods in foundation engineering. McGraw-Hill Kogakusha. Tokyo, 517 pp.

Hetényi, M (1974. Beams on elastic foundations. Theory and applications in the fields of civil and and mechanical engineering. The University of Michigan Press, Ann Arbor, 11th reprint, Kinney, 255 pp.

Historia de la ingeniería

Mach, Ernest (1974). The Science of Mechanics: A critical and Historical account of its development. The Open Court Publishing Company Co., 3rd edition, Illinois, 631 pp.

Ingeniería sísmica

Newmark, N.M and Rosenblueth, E (1971). Fundamentals of Earthquake Enginnering. Pretince-Hall Inc, Englewood Cliffrs, New Jersey, 640 pp.

Okamoto, Shunzõ (1973). Introduction to earthquake engineering. University of Tokyo Press, John Wiley & Sons, 571 pp.

Wiegel, Robert L., editor (1970). Earthquake Engineering. Pretince-Hall Inc., Englenwood Cliffs, New Jersey, 518 pp.

Manuales

Brockenbrough, R.L and Johsnston, B.C. (1974). Steel Design Manual. U.S. Steel Corporation, Pittsburgh, 260 pp.

El acero en la construcción. Manual para el proyecto, cálculo y ejecución de construcciones en acero. (1980) Editorial Reverté S.A., España, 1288 pp.

Espinoza, J. O. (1976). Manual de diseño para estructuras de acero. ICHA, 2da. Edición, 947 pp. La primera edición (1959) 308 p.p. con normas Inditecnor y Nch 427.

Gutiérrez. Et al (1982). Manual de proyectos de Estructuras de acero. Tomo II: Fundamentos teóricos. C.V.G. Siderúrgica del Orinoco, Chile, 750pp. 

Pilkey, Walter and Pilkey, Orrin (1974). Mechanics of solids. Quantum Publishers C., N.Y., 441 pp. Un tratamiento moderno y novedoso de las fórmulas de la Resistencia de Materiales y de la Mecánica utilizando los métodos de las condiciones iniciales y el de las matrices de transferencia (Matrix  methods in elastomechanics, Eduardo Pestel y Frederick Leckie, McGraw-Hill Book Company, 1963, 435 pp.)

Roark, Raymond J and Warren, C. Young (1975). Formulas for stress and strain. 5th edition, McGraw- Hill Kogakusha Ltd., 624pp,

Nuevas tendencias en ingeniería sismorresistente

Fajfar, P. and Krawinler, H, editors (1997). Seismic design methodology for the next generation of codes. A.A: Ballema, Notterdam. Netherlands, 411 pp.

Priestley, M.J.N., G.M. Calvi, and M.J. Kowalsky (2007). Displacement-Based Seismic Design of Structures, IUSS Press, Pavia, Italy, 721 pp.

Proyecto sismorresistente de estructuras de acero

El compilador de esta bibliografía considera que en estructuras de acero todavía no se dispone de un libro en la tradición de los que se han considerado hitos en el concreto reforzado. El libro de Jack Moehle puede ser uno de los modelos para escribir ese texto.

Bruneau, Michel, Uang Chiang-Ming, Whittaker, Andrew (1998). Ductile design of steel structures. McGraw- Hill, 485 pp.

Crisafulli Francusco J. (2014). Diseño sismorresistente de construcciones de acero. 4ta edición, Alacero, Chile, 165 pp.

Englenkirk, Robert (1994). Steel structures. Controlling behavior through design. John Wiley&Sons, 807 pp.

Mazzolani, F.M, editor (2000). Moment resistant connections of steel frames in seismic areas. Design and realibility. E&FN Spon, London, 644 pp.

Mazzolani, F.M. and Piluso, V. (1996). Theory and design of seismic resistant steel frames. E&FN Spon, London, 497 pp.

Subhash, C. Goel and Chao, Shih-tto (2008). Performanced-based plastic design. Earthquake resistant steel structures. International Council Code, 261 pp.

Publicaciones periódicas

Es muy importante sembrar entre los estudiantes de ingeniería el hábito de leer publicaciones periódicas, de consultar los libros, que no es suficiente con el recurso de internet.

Acero. AISC: Engineering Journal, trimestral. Modern Steel Construction, mensual.

Concreto, IMCYC: Construcción y Tecnología en concreto, mensual. Cemento y Concreto, semestral.

Las memorias de congresos, conferencias, jornadas, etc. que se celebran periódicamente. Seguir el ejemplo de los médicos. Por ejemplo en su libro el Prof. Moehle cita: Bresler, B., and V.V. Bertero (1975). “Influence of Strain Rate and Cyclic Loading on Behavior of Unconfined and Confined Concrete in Compression,” XVII Jornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural, V Simposio Panamericano de Estructuras, Caracas, 8 al 12 de Diciembre de 1975.

Seguridad estructural

Benjamin, Jack R., and Cornell, Allin C. (1970). Probability, Statistics and Decision for Civil Engineers, Mc Graw-Hill Book Company, 684 pp.

Ferry Borges, J. and Castanheta, M. (1971). Structural Safety. 2nd edition, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, 326 pp.

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