N° 38: Compatibilización de requisitos de diferentes normas internacionales en una norma nacional para el proyecto de estructuras

Por Arnaldo Gutiérrez

Palabras claves o descriptores: Comparación de normas, normas compatibilizadas, sustentabilidad sísmica, conexiones, conexiones mixtas, proyecto por desempeño, puentes, vigas de alma abierta (joist) sofito metálico (steel deck).

MOTIVACIÓN

En la conferencia en línea (webinar) organizada por Alacero el 26 de julio de 2017, el coordinador de la reunión se interesó por las nuevas normas mexicanas para estructuras de acero. El expositor, Ing. Héctor Soto Rodríguez, contestó que las normas están en proceso de aprobación y que están integradas en un 70% por las normas AISC, 20 % de las normas canadienses y un 10% de la experiencia mexicana. El otro foco de atención fue el de las conexiones, cuando se solicitó al Ing. Luis Garza hablar de la experiencia colombiana.

Este Cuaderno entrega figuras, tablas, documentos y una amplia bibliografía para ilustrar la compatibilización de requisitos procedentes de diferentes normas internacionales en una sola norma nacional. A la vez pretende alcanzar tres objetivos:

  1. Visualizar las resistencias de los miembros, conexiones, y medios de unión, así como las solicitaciones y el comportamiento de sistemas estructurales según diferentes normas internacionales.

  2. A modo de guías entregar ejemplos de propuestas de normas compatibilizadas.

  3. Formar docentes. Ya que para ser competitivos en un entorno cada vez más globalizado, los profesionales y estudiantes de ingeniería están obligados a manejar las normas extranjeras que se incorporan en los programas, a la vez de hacer el seguimiento de los aportes que hace cada una de las corrientes o escuelas de estructuras de acero de las diferentes escuelas de ingeniería.

Cualquiera sea el objetivo seleccionado, la compatibilización de normas internacionales es un ejercicio que requiere mucho “criterio del ingeniero” [Cross, 1952. Ver Nota 1], y se inicia por la recopilación y estudio de los documentos disponibles [Figura 1].


Figura 1. Ejemplos de la recopilación de Normas y Especificaciones internacionales y nacionales. 

Figura 2. Ejemplos de la capacidad de análisis de los programas actuales. Capacidad gráfica en el manejo integrado de los métodos matriciales y de los elementos finitos. [Gutiérrez y Loges, Cursos PAG de conexiones].

ANTECEDENTES EN COMPATIBILIZACIÓN DE NORMAS

Una posible explicación a la utilización de tres fuentes para las normas mexicanas para el proyecto de estructuras de acero se encuentre en el Tratado de Libre Comercio de América del Norte, TLCNA (NAFTA por sus siglas en inglés) que entró en vigencia en enero 1994. El Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, IMCA, tomó la iniciativa de preparar como primer documento técnico la norma para perfiles conformados en frio (Unificación de criterios entre Canadá EUA y México Ver Saldivar (1997); Ver Nota 2).

Hay situaciones obligantes para la compatibilización de normas extranjeras, como es el caso del comercio fronterizo o del paso de tuberías [Propuesta de norma para puentes; Figura 3; U.S. Department of Transportation (2008)]. También se realizan comparaciones cuando se actualiza una misma norma, como es el caso de las torres y soportes de antenas de telecomunicaciones [Betancourth, B, V.A (2013).], o cuando una acción extraordinaria lo demande [Nota 3]. 


a) Histograma de pesos totales de transportes mexicanos tipificados [Gutiérrez, 2001]


b) Transporte pesado atascado debajo del Distribuidor Los Ruices, Caracas. Gutiérrez, A Hemeroteca personal 

Figura 3. La carga producida por los transportes sobre los puentes también tiene características dinámicas, pero los histogramas de la Figura 3a demuestran que aun cuando existan controles de carga en los cruces fronterizos, siempre afectaran la estructura del puente. La Figura 3b evidencia que además de las cargas, también deben ser controladas las dimensiones de los transportes, y los gálibos. Ver Propuesta de norma para puentes.

Si bien los mapas de amenaza son propios de cada país, también deben compatibilizarse con la de los países vecinos compatibilizan, como se muestra en la Figura 4. [Nota 4].


Figura 4. Mapa de isoaceleraciones sísmica de América del Sur (Santos, H.C; Lima,S.S; Arai, A (2012).

EJEMPLOS DE ESTUDIOS COMPARATIVOS Y DE COMPATIBILIZACIÓN DE NORMAS

Las figuras que siguen a continuación son auto explicativas para el conocedor de alguna de las normas comparadas. Esperamos motiven al lector a buscar las explicaciones en los Anexos y la Bibliografía. Las comparaciones deben estar en constante actualización debido al cambio de alguno de los documentos. En los Estados Unidos casi todas las normas se actualizan en un mismo año, lo que no sucede en nuestros países debido a la falta de recursos.

En un reporte de la Universidad de Alberta en 1987, Kennedy y Marke anticipaban la posible evolución de las normas y de las prácticas de proyectos de estructuras de acero, como se aprecia en las Figuras 5. VerPerspectiva canadiense del desarrollo de normas.


Proyección del incremento en la complejidad de las normas para estructuras de acero 


Evolución prevista para los métodos de diseño de estructuras de acero 


Crecimiento de las herramientas para proyectos estructurales 

Figura 5. Perspectivas canadienses de la evolución y desarrollo de las normas para estructuras de acero [Marek y Laurie Kennedy, 1987]

 

Las acciones sobre las construcciones es otro factor a tomar en cuenta en la compatibilización de normas, como se muestra en las Figuras 6 y Tablas 1 referentes a la acción del viento [Comparative international wind standards] y la Tabla 2 por la acción del movimiento sísmico (BRBF comparison USA Canada Chile)


Figura 6: Perfiles de velocidad de viento en función de la altura y el Tipo de Exposición al viento [ Bashar y Kareem (2009)].



Tabla 1. Variación de los parámetros que caracterizan la acción del viento sobre las construcciones según diferentes normas [ Bashar y Kareem (2009)].


Tabla 2. Respuesta sísmica de un pórtico con arriostramientos restringidos al pandeo (BRBF) según diferentes normas [Tremblay et al, 2005]

Las siguientes gráficas se han tomado de los Anexos y de la bibliografía, para mostrar las variaciones en cuanto a resistencia de miembros de estructuras de acero:

La Figura 7 a, b y c corresponde a columnas axialmente solicitadas.

La Figura 8 a y b, y la Tabla 3 a vigas.

La Figura 9 a la resistencia de un rigidizador del alma de una viga armada.

La Figura 10a y 10b corresponde a columnas solicitadas simultáneamente por fuerza axial y momentos flectores.


Figura 7. Comparación de la resistencia a compresión de columnas 
Figura 7a. Comparación por Tapia, H/ y Tena –Colunga, 2010 (Ver Criterios sísmicos para pórticos de acero)


Figura 7. Comparación de la resistencia a compresión de columnas 
Figura 7b. Comparación por Galambos, T.V (2002) [Ver World stability comparison]


Figura 7. Comparación de la resistencia a compresión de columnas 
Figura 7c. Comparación por Galambos, T.V (1999) [Ver AISC vs CSA vs México]


Figura 8a. Comparación por Galambos, T.V. (2002) [ Ver World stability comparison. Ver Galambos (2002)]


Figura 8b. Comparación por Suvorek et al. (2010)


Tabla 8b. Comparación de las fórmulas básicas de la resistencia a momento flector por Suvorek et al. (2010) [Ver Steel beams USA Canada Australia Europa India

Figura 9. Comparación de la resistencia a corte de un rigidizador, Galambos T.V. (1999). (Ver AISC vs CSA vs México)


Figura 10. Comparación de la resistencia de una columna solicitada simultáneamente por momento y fuerza axial.

Los medios de unión también son objeto de armonización dentro de las normas. Las Figura 11a a 11e muestra las variaciones referentes a conexiones con pernos [Ver Conexiones con pernos EC y Norteamérica]. 


Figura 11a. Distancias entre agujeros
Comparación de la resistencia pernos, Maiorana y Pellegrino (2013)

 


Figura 11b. Resistencia al deslizamiento
Comparación de la resistencia pernos, Maiorana y Pellegrino (2013)

 


Figura 11c. Resistencia al corte
Comparación de la resistencia pernos, Maiorana y Pellegrino (2013)

 


Figura 11d. Resistencia al aplastamiento
Comparación de la resistencia pernos, Maiorana y Pellegrino (2013)

 


Figura 11e. Resistencia al corte y a la tracción simultáneas.
Comparación de la resistencia pernos, Maiorana y Pellegrino (2013)

CONEXIONES

En la reunión citada se pidió a los ingenieros Soto y Luis Garza sus comentarios sobre las conexiones, dado que la ANSI/AISC 358 está orientada hacia las soluciones patentadas. Recordamos al lector buscar la metodología para la cuantificación de la sustentabilidad sísmica [Golondrino et al (2012)] que Alacero tradujo al español. El tema de las conexiones se ha venido tratado para sistemas de pórticos resistentes a momento, cuando ya la escuela neozelandesa ha venido apuntando un cambio de paradigma hacia los sistemas estructurales.


Figura 12. Super-conexión en una columna insuficiente. La viga es más fuerte que la columna, que además soporta un nivel muy rígido debido a la mampostería y a los arriostramientos. La Urbina, Caracas (Fotografía de A. Gutiérrez)


Figura 13a. Ensayos de conexiones viga-columnas con perfiles laminados en caliente, soldados directamente. Ver Figura 13b/ [ TEG de Battistoni Rey, Mónica e Iuculano P., Sara; UCAB 2001. (Fotografías de A. Gutiérrez)


Figura 13b. Concepto fundamental de un sistema de pórticos, confirmado en la Figura 13a (Gutiérrez, Curso de Conexiones; PAG, Caracas)

 

Las Figuras 14 muestran algunas soluciones diferentes a las conexiones precalificadas de AISC 358, desarrollada por los talleres para resolver los eventuales inconvenientes de las conexiones con plancha de extremo. Como se mostró en la Figura 2, el ingeniero puede explorar maneras de reducir la vulnerabilidad de una conexión (como la reducción de las áreas de mayores tensiones identificadas por el color rojo).


Figura 14a. Conexión en el Centro Sambil de San Cristóbal, Venezuela, construida por el Taller Preacero Pellizari. [Fotografía de A. Gutiérrez].


Figura 14b. Conexión “árbol de navidad” en Nueva Zelanda


Figura 14c. Conexión con junta deslizante en la zona de rótulas plástica desarrollada en Nueva Zelanda. 

Hasta el terremoto de Christchurch, New Zealand 2011, los pórticos con diagonales excéntricas fueron considerados uno de los sistemas sismo-resistentes más confiables (Figura 15). Reconocidas las causas que propiciaron la falla, cobra plena vigencia el enfoque sustentable ya mencionado.


Figura 15. Fallas en pórticos con arriostramientos excéntricos, Terremoto de Christchurch, New Zealand, 22 de febrero de 2011 (Magnitud 6.3)

Tenemos que considerar que estamos hablando de estructuras de acero, cuando la solución puede estar en un sistema mixto concreto-acero (Figura 16), por sus muchas ventajas, como la rigidez a los desplazamientos laterales, protección contra fuego y la posibilidad de construcción por etapas y conexiones más sencillas. Como en toda construcción con concreto, ser muy cuidadosos en la colocación del acero de refuerzo transversal por confinamiento. 


Figura 16a. Elevacion de una conexión mixta acero-concreto. Obsérvese el acero transversal dispuesto para el confinamiento del concreto del núcleo de la columna.
Conexión mixta acero- concreto. (Revista del IMCYC Octubre 2010)

 


Figura 16b. Vista cenital de una conexión mixta acero-concreto.
Conexión mixta acero- concreto. (Revista del IMCYC Octubre 2010)

Ya el AISC ha empezado a considerar el impacto de las nuevas tendencias en ingeniería sismorresistente como el proyecto basado en desempeño (Ver Cuaderno 28) y el uso de sistemas de amortiguamiento, incluidos como la Parte 10 en la segunda edición septiembre 2012) del AISC Seismic Design Manual y que se puede resumir en el siguiente cuadro.

La ecuación de equilibrio dinámico de un sistema de un grado de libertad sometido a una excitación sísmica Q(t) es:

m ÿ + c ý + k y = Q(t)

que en términos de energía puede re-escribirse como:

Nota 1.- El ensayo de Hardy Cross debería ser de lectura obligatoria en nuestras escuelas de ingeniería. En lo que respecta a este Cuaderno, ver el capítulo dedicado a las normas.

El reemplazo de las normas europeas, como las DIN, por las norteamericanas no fue sino hasta bien avanzada la década de los 60. Del siglo pasado. En los cursos de Estructuras era común el uso de las tablas del Manual teórico práctico del concreto conocido como Beton -Kalender. En Mecánica de Suelos, los textos también eran europeos, franceses e italianos.

Nota 2. - Uno de los temas más considerados en la compatibilización de normas, es el de la estabilidad al pandeo flexo-torsional de vigas, tal como se muestra en las siguientes figura [de clases de A. Gutiérrez, UCAB, Caracas].

Este dibujo del pandeo lateral torsional de una viga en voladizo procede de la foto de laboratorio que aparece en el texto de V.Z. Vlasov, Thin-walled elastic bars. Moscow, 1959.


Foto que procede del libro de Vlasov. Al lado, sistema de arriostramiento lateral de vigas de altura variable en pórticos tipo Butler.


Viga de celosía sin arriostramientos laterales (Gutiérrez, Manual SIDETUR)

Ver Propuesta de norma para joist, la diferenciación entre arriostramientos por montaje y construcción del arriostramiento para fuerzas horizontales producidas por el viento o el sismo. 


Efectos beneficiosos del arrastramiento lateral de vigas (White, R., Gergely, P, Sexsmith, R. 1976. Structural Engineering, combined edition Vol. 1 and 2, John Wiley and Sons, NY, 670 p.)

Nota 3- Este cronista tuvo la oportunidad de asistir a una sesión técnica acompañando al Dr. Reinhold Schuster de la Universidad de Waterloo en su carácter de representante del Canadian Cold Formed Steel Research Group. A pesar de llevar propuestas innovadoras respaldadas por ensayos de laboratorio, el Dr. Schuster tuvo que transar con lo tradicional establecido en la norma AISI.

Como resultado de los ensayos de sofitos metálicos (steel deck) en la Universidad de Waterloo, Canadá, se prepararon, por primera vez en Venezuela, tablas realistas para losas mixtas acero- concreto de conformidad con los resultados de ensayos según el Criteria for the testing of composite slab, S2-08 y el Criteria for the design of composite slabs S3-08. la CSSBI S3-88 Criteria for the design of composite slab. Ver las normas en www.cssbi.ca y las tablas en www.maploca.com/archivos/sigaldeck.pdf


Disposición del ensayo de un sofito metálico de acuerdo con la norma CSSBI S2.

Nota 4.- La Universidad de los Andes de Venezuela, ULA, mantuvo durante muchos años la política de enviar a sus profesores a estudiar postgrado en diferentes países, de manera de poder tener en cada departamento la mayor apertura posible a las diferentes corrientes de la ingeniería como son, entre otras, la norteamericana, la canadiense, la mexicana y chilena, así como europeas, neozelandesa y japonesa.

El 16 de agosto de 2017 el economista Xavier Serbiá en CNN Dinero entrevista al Dr. Alejandro Ruelas-Gossi, Profesor de Estrategias e Innovación de la Universidad de Miami sobre la baja en investigación en Estados Unidos. Define apropiadamente que es Investigación y que es Desarrollo. Investigación (Research) es lo que no se ve, pero que genera el futuro, la ciencia es a largo plazo, y la industria y el gobierno buscan indicadores a corto plazo, por eso buscan la infraestructura. La inversión en R ha venido decayendo en Estados Unidos; entre 1989-1998 era el 3,4% del PIB y del 2008-2014, 1,2%, mientras que actualmente la de Israel, Sur Corea es mayor del 4% y en China 2%. Estas cifras proceden del National Centre for Science and Engineering Statistic, NCSES. Desde los años 1960 empezó a decaer la investigación básica y en los 70 se fue a pique. Ver videos en Youtube. En el caso de estructuras de acero, el Prof. Dr. Reidar Bjohvode tiene una sección en el Engineering Journal del AISC.

La importancia de distinguir entre ciencia y tecnología se aprecia en los índices de secciones de la prensa española (www.prensaescrita.com). Mientras el diario El País tiene secciones separadas para Ciencia y para Tecnología, en El Mundo y en ABC hay que usar el buscador, y aun así leemos Ciencia y Salud.

Nota 5.- En los ejemplos sobre la interpretación y aplicación de las disposiciones normativas hay que ser sumamente cuidadoso, especialmente en países con amenaza sísmica. Así por ejemplo para ilustrar el Anexo 8 Análisis aproximado de segundo orden de AISC 360-16, el que se muestra a continuación es contraindicado cuando no se aclara que corresponde al caso tipificado en las normas sismorresistente como "entrepiso blando". Por lo tanto al seleccionar normas y publicaciones de países extranjeros debe conocerse si la única acción horizontal considerada sobre las construcciones es el viento, como es el caso de las muy interesantes publicaciones de The Steel Construction Institution del Reino Unido, para tomar las previsiones que correspondan.

Nota 6.- En la compatibilización de normas y manuales para el proyecto de estructuras, es fundamental la apertura que el ponente o la comisión de normas tenga, de su apertura a otras visiones de los problemas de ingeniería. Así por ejemplo en la norma COVENIN 1618:98 para estructuras de acero, basada en las Especificaciones AISC, se incluyeron: Las fórmulas Dumonteil, 1992 (Comentario C-9.4 Estabilidad de pórticos) y como Figura C-9.2(a) el Criterio para clasificar la estabilidad de pórticos, criterios del Eurocode 3. AISC había eliminado las vigas de altura variable linealmente, ahora bajo el cuidado del SSRC y del MBMA, pero se mantuvo como Capítulo 19 en la COVENIN para atender las necesidades del mercado de galpones. En C-15.5.3 Resistencia a compresión por pandeo torsional o flexo-torsional, se incorporaron los resultados de los estudios del colega profesor Ing. Luis Garza. Igualmente, los factores de longitud efectiva para perfiles L comprimidos obtenidos de los trabajos de Lutz.

Con anterioridad, durante la preparación de la segunda edición del Manual Sidor se adoptaron las propuestas del Ing. Jorge Espinoza Otto, quien estuvo a cargo del Manual del Instituto Chileno del Acero. Ver Design aids for cold formed steel beams and columns.

Nota 7.- Por razones particulares del mercado norteamericano de las estructuras de acero, todavía sobrevive el ASD. En Latinoamérica la larga tradición en concreto facilitó la rápida aceptación y uso del método LRFD.

Nota 8.- Para que nuestros estudiantes no sigan aprendiendo y pensando sus asignaturas como islas, se muestra a continuación que los fundamentos de la confiabilidad no son exclusivos de la ingeniería. 

En la industria farmacéutica se usan conceptos análogos como se aprecia en las figuras tomadas de LeFevrer K, J.; Hayes, E.R.; McCuistion, L.E. (2011). Pharmacology. A nuising process approach.

También son herramientas comunes las curvas de fragilidad (Ver Cuaderno en el Boletín No. 79, Diciembre 2015).

Nota 9. – El planteamiento de la sustentabilidad de las estructuras de acero convive perfectamente con el de la importancia de las conexiones que se desprende de la siguiente figura (Gutiérrez, Cursos de conexiones, PAG Caracas; adaptada del Curso ESDEP de la Universidad Católica de Lovaina, www.kuleuven.ac.be)

BIBLIOGRAFIA COMENTADA

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  • Proyecto y Construcción de Obras en Concreto Estructural. Norma Fondonorma 1753:2006.

  • Acciones del Viento sobre las Construcciones. Norma COVENIN ‑ MINDUR 2003‑87. Fondonorma 1986, 158 págs.

  • Edificaciones sismorresistentes. Norma COVEN IN 1756:2001. Articulado y Comentario en volúmenes separados.

  • Criterios y Acciones Mínimas para el Proyecto de Edificaciones. Norma COVENIN ‑ MINDUR 2002‑88. Fondonorma, 1989, 108 págs.

  • Terminología de las Normas Venezolanas COVENIN-MINDUR de Edificaciones. Norma Venezolana COVENIN 2004-98. 1999, 122 págs.

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  • Gutiérrez, A. (2003). Propuesta de una Norma Venezolana para Vigas de Celosía. Seminario Técnico Estructuras de Acero con Miembros de Alma Abierta. Caracas, Noviembre, 41 págs. Se entrega como Anexo del presente Cuaderno.

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ANEXOS

Los Anexos están formados por:

  • Documentos complementarios

  • Estudios comparativos

  • Ayudas para el proyecto

  • Ejemplos

En la Bibliografía se encuentran comentarios pertinentes sobre los Anexos.

Documentos complementarios

Se incluyen los documentos que por dificultades en su obtención, o por señalar futuras tendencias en el tema, o para facilitar la posterior lectura del artículo principal sin necesidad de recurrió a internet.

Estudios comparativos

Para facilitar la rápida ubicación de las comparaciones, las mismas se han agrupado:

Comparación de normas

Movimientos y espectros sísmicos

Sistemas estructurales

Carpeta Miembros estructurales

Carpeta Medios de unión

Acciones del viento

AYUDAS PARA EL PROYECTO

EJEMPLOS

Se entregan ejemplos que muestran la aplicación de los conceptos, las Metodologías y las disposiciones normativas mencionadas en el texto principal del Cuaderno.

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