INFORME: ¿CÓMO SE DISEÑA UNA ESTRUCTURA?

Este informe presenta una breve recopilación de los aspectos que debe considerar el profesional responsable de diseñar una estructura en concreto reforzado para edificios con un sistema estructural de pórticos resistente a momentos; ordenados de acuerdo con la secuencia de su utilización en la ejecución de un trabajo de esta índole.

CONSIDERACIONES PRELIMINARES

En primer término, hay que escoger el sistema estructural según el tamaño y la función del edificio; debe preverse el manejo de las posibles cargas gravitacionales, del viento y la resistencia sísmica, dependiendo de la localización del proyecto de acuerdo con el nivel de amenaza sísmica, la trayectoria de las cargas y la posición de los elementos estructurales que las transmitan del techo a la fundación, de las características del suelo de soporte y, finalmente, de la posible cimentación y su excavación. El conocimiento de los puntos anteriores, facilitara el prediseño de los elementos estructurales losas, vigas, columnas, muros y cimientos apropiados para resistir las solicitaciones previstas, y esta pre-dimensión le ayudara al diseñador estructural a optimizar la selección del sistema estructural en la búsqueda de la opción adecuada enmarcada en el estado limite de la estructura que corresponda.

TEMAS DEL PROCESO DE DISEÑO

Una vez elaboradas y valoradas las condiciones preliminares, el diseñador deberá adoptar decisiones que incluyen los siguientes temas:

NIVEL DE AMENAZA SÍSMICA Y MOVIMIENTOS SÍSMICOS DE DISEÑO: En los mapas de zonificación sísmica se localiza el proyecto para determinar el nivel de amenaza sísmica de la edificación y los valores Aa y Av, o Ad, que corresponden a la aceleración horizontal pico efectiva y la velocidad horizontal pico efectiva que se expresan en términos de aceleración del sismo de diseño. A partir de esto se obtienen los coeficientes de sitio Fa y Fv correspondientes a las características de estratificación del suelo en el lugar de la construcción y el coeficiente de la importancia I de la edificación para la recuperación de la comunidad con posterioridad a la ocurrencia de un sismo. Se debe tener en cuenta los requisitos especiales que se establecen para otro tipo de edificaciones indispensables como lo son las instituciones educativas y los hospitales.

CONCRETO ESTRUCTURAL Y ACERO DE REFUERZO: en el proceso de adopción del tipo de concreto estructural el diseñador debe tener en cuenta las propiedades del material relacionadas con su resistencia, rigidez, deformación, tiempo de curado, durabilidad y tamaño máximo del agregado grueso, entre otras. Se debe resaltar la rigidez para el caso de eventos sísmicos.

En cuanto al acero, deben revisarse el tipo de acero, permitido y/o conveniente, y sus características de resistencia y deformación.

GRADOS DE IRREGULARIDAD DE LA ESTRUCTURA Y PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS:

GRADOS DE IRREGULARIDAD: en la fase de adopción del procedimiento de análisis y siguiendo los requisitos expuestos, debe tenerse en cuenta el grado de regularidad o irregularidad de la estructura en planta ɸp, grado de regularidad o irregularidad en alzado ɸa, grado de redundancia o ausencia de ella ɸr, el tipo de perfil de suelo y los grupos de uso, de acuerdo con la importancia para la recuperación con posterioridad del sismo.

PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS: Las normas definen limitaciones en el empleo de los sistemas estructurales de resistencia sísmica en función de la zona de amenaza sísmica donde se localice la edificación, las cuales pueden corresponder a la capacidad de disipación de energía especial, moderada o mínima, a la altura de la edificación y a su grado de irregularidad.
Se consideran los siguientes tipos de análisis:

• Método de la fuerza horizontal equivalente
• Método del análisis dinámico elástico
• Método del análisis dinámico inelástico

FUERZAS SÍSMICAS DE DISEÑO: A partir de la masa de la edificación M, el período de vibración T y la aceleración espectral Sa se determinan las fuerzas sísmicas de diseño, Fs, para proceder al análisis de la estructura por medio de un modelo matemático apropiado al cual se le aplican los movimientos sísmicos de diseño previstos, sin ser divididos por el coeficiente de capacidad de disipación de energía R, obteniéndose los desplazamientos horizontales, la verificación de las derivas, las fuerzas axiales, momentos de flexión, fuerzas de corte y torsiones.

ELEMENTOS SOMETIDOS A MOMENTO Y CARGA AXIAL: Para elementos sometidos a momento y carga axial se considera análisis y diseño para momento, incluyendo solo el momento sin considerar la posible pequeña carga axial como es usual en vigas y losas; en el caso de las columnas y muros estructurales se considera el momento incluyendo la carga axial. Dependiendo del sistema de resistencia sísmica, del grado de capacidad de disipación y de grado de irregularidad, se obtiene el coeficiente de disipación de energía R para el diseño de los elementos estructurales. Las diferentes solicitaciones a tener en cuenta deben combinarse para obtener las fuerzas internas de diseño.
Vigas: deben diseñarse por el método de diseño correspondiente para momento nominal que, de acuerdo con la consideración preliminar deben tener refuerzo dentro de los limites apropiados.
Columnas y muros: igualmente se diseñarán de acuerdo con el momento y la carga axial correspondiente obteniendo el refuerzo dentro de los limites apropiados.

ELEMENTOS SOMETIDOS A CORTANTE: se considera que se deben efectuar análisis y diseño para cortante en vigas, columnas y muros estructurales determinando el refuerzo transversal o el refuerzo diagonal que corresponda. También debe utilizarse el modelo puntal-tensor donde sea aplicable.

LONGITUD DE DESARROLLO Y ANCLAJE: el funcionamiento de los elementos en concreto estructural requiere la transferencia de fuerzas entre el esfuerzo y el concreto. Se deben determinar uniones, ganchos y anclajes, que se encuentran tabuladas para ayudar al diseñador.

UNIONES: la unión viga-columna se define como la porción de la columna dentro de la altura de la viga mas alta que llega a la columna. La unión viga-columna comprende la unión más la porción de las columnas, vigas y losas adyacentes a la unión. Las uniones vigas-columnas transmiten fuerzas y momentos entre las vigas y las columnas. La localización puede resultar en fuerzas grandes que se transfieren a través de la unión y controlar el tamaño y el esfuerzo de los elementos que lo componen. El cálculo de la geometría de la conexión y el refuerzo de la unión se considera prioritario ante solicitaciones gravitaciones, y su diseño es especialmente importante en el caso del uso de prefabricados.

CIMENTACIONES: se diseñan para transmitir fuerzas de la superestructura al suelo de soporte con deformaciones y funcionamiento aceptables. El diseño debe considerar los elementos estructurales de la cimentación y el suelo que los soporta y el diseñador debe analizar y aceptar las recomendaciones contenidas en el informe del ingeniero geotecnista y, en el proceso mismo del diseño, ajustarse a los requisitos establecidos por la norma.