Héctor Soto Rodríguez Director general del Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil (CRDIC).
Marlen Barocio Urue Asistente técnica de la Dirección General, CRDIC.
El Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México ahora exige de manera estricta que en las edificaciones, independientemente de su importancia, intervenga una persona con suficientes conocimientos de las distintas etapas, para garantizar que en cada una de ellas se hayan tomado en cuenta correctamente los aspectos de seguridad estructural, y que los requisitos reglamentarios se hayan cumplido a cabalidad (interpretado con adecuación).
En el diseño estructural de edificios de acero y de cualquier otro tipo de estructura hay tres niveles de calidad en la ingeniería estructural básica:
Diseños escasos. Corresponden a casos en que las cargas que obran en una estructura se subestiman y queda en duda la seguridad estructural del edificio de acero. Las acciones accidentales, principalmente de sismo o viento, no se calculan correctamente o en el edificio hubo cambio en su uso y en el diseño estructural final no se tomaron en cuenta los incrementos de las cargas vivas.
Diseños racionales. Son los casos de “diseño estructural racional”, en el que el proyectista optimiza la estructura de acero de acuerdo con su experiencia profesional, aprovechando sus propiedades intrínsecas asociadas a una elección de un sistema estructural eficiente que tenga resistencia, rigidez, ductilidad y capacidad de absorción de energía durante la ocurrencia de sismos moderados o intensos.
Diseños generosos. Se refieren a casos en los que el diseñador estructural propone una estructura con un factor de seguridad alto contra la falla o colapso estructural. Consecuentemente, se obtienen estructuras caras con un consumo de acero alto.
En este sentido, el titulo sexto, “Seguridad estructural de las edificaciones”, del Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México (última edición, RC-CDMX-2017) establece dos condiciones básicas de seguridad estructural:
Toda edificación debe tener seguridad adecuada contra la aparición de todo estado límite de falla que pueda ocurrir durante la vida útil de ésta ante las combinaciones de acciones más desfavorables que afecten a las estructuras.
No rebasar ningún estado límite de servicio ante las combinaciones de acciones que corresponden a condiciones normales de operación de las edificaciones durante su vida útil.
El primer requisito o condición significa que cualquier edificación debe contar con un sistema estructural eficiente (rígido, resistente, dúctil y capaz de absorber la energía inducida por sismos) que permita el flujo adecuado de las fuerzas que producen las distintas acciones de diseño, para que todas las cargas sean transmitidas de manera continua y adecuada hasta la cimentación.
El nuevo reglamento incluye disposiciones relativas al proyecto arquitectónico que inciden en la seguridad estructural de las edificaciones, otras que se relacionan con la organización del proceso de diseño y ejecución de las obras, algunas más que definen quiénes deben ser responsables de los aspectos de la seguridad estructural que aparecen en las distintas etapas, así como disposiciones relativas a la verificación de la calidad de los materiales, a la ejecución y a la documentación del proceso.
El ingeniero estructural debe ser capaz de concebir los sistemas estructurales adecuados en cada caso particular y convertirlos, junto con los elementos no estructurales con los que interactúan, en modelos matemáticos tridimensionales que puedan ser analizados y que representen la construcción real con precisión suficiente.
Ningún otro aspecto influye de forma más significativa en la seguridad de una estructura ante sismos que la elección adecuada del sistema estructural, ya que principalmente de ello depende la posibilidad económica de que la construcción tenga rigidez lateral, resistencia y ductilidad.
Los ingenieros estructurales, como lo indicaba Óscar de Buen, han de preocuparse mucho más que hasta ahora por seleccionar la solución más adecuada para cualquier edificación. Sobre todo, han de estar conscientes de que el diseño estructural es mucho más que la determinación de esfuerzos y resistencias de diseño, y prestarle gran atención a la estructuración y modelado del edificio y a la elección y diseño de los detalles que permitirán que el comportamiento real se acerque lo más posible al supuesto al teórico.
En resumen, toda obra de ingeniería civil requiere estructuras, y su diseño y la supervisión de su construcción corresponden a los ingenieros estructurales.
Un aspecto al que el RC-CDMX-2017 asigna especial importancia es el de la responsabilidad de los involucrados en el diseño y construcción de las edificaciones de la Ciudad de México a través del Instituto de Seguridad Estructural de las Edificaciones. En el pasado, una de las fuentes de problemas de seguridad estructural en la Ciudad de México ha sido indudablemente la falta de coordinación entre los encargados de las diferentes etapas de diseño y construcción de una edificación: estudios geotécnicos de campo y laboratorio, proyecto arquitectónico y diseño estructural, verificación de la calidad de los materiales con estricto apego a las normas y la supervisión oportuna y estricta de una obra.
Otros temas en los que el RC-CDMX hace énfasis son los procedimientos que deben seguirse para revisar las estructuras dañadas por sismo y los cuidados en las modificaciones tanto de uso como de forma de las construcciones.
Por otra parte, el nuevo reglamento incluye disposiciones relativas al proyecto arquitectónico que inciden en la seguridad estructural de las edificaciones, otras que se relacionan con la organización del proceso de diseño y ejecución de las obras, algunas más que definen quiénes deben ser responsables de los aspectos de la seguridad estructural que aparecen en las distintas etapas, así como disposiciones relativas a la verificación de la calidad de los materiales, a la ejecución y a la documentación del proceso.
Por esta razón ahora se exige de manera estricta que en las edificaciones, independientemente de su importancia, intervenga una persona con suficientes conocimientos de las distintas etapas, para garantizar que en cada una de ellas se hayan tomado en cuenta correctamente los aspectos de seguridad estructural, y que los requisitos reglamentarios se hayan interpretado con adecuación.
En este contexto, con frecuencia el ingeniero estructural participa en la evaluación estructural preliminar de edificios de acero, en la evaluación detallada o en dictámenes de seguridad y estabilidad estructural para verificar que las edificaciones se encuentren en condiciones de seguridad estructural adecuada.
En revisiones estructurales preliminares para varios edificios en las que hemos participado, constatamos que los problemas fundamentales de seguridad estructural se deben a la elección de un sistema estructural incorrecto. No obstante, el problema de la seguridad en duda se atribuye y asocia a que las conexiones de acero entre los diversos elementos estructurales (uniones rígidas trabe-columna, diagonales de contraventeo, sistema de anclaje columna-placa base, etc.) son deficientes estructuralmente en su conceptualización, modelado, análisis, diseño, detallado y fabricación.
A continuación, se presentan tres casos de estudio que resumen problemas estructurales comunes en el desarrollo de la práctica profesional.
Edificio 1. Nave industrial
Las naves industriales frecuentemente son edificios de un solo nivel con muy pocas o ninguna división intermedia, de modo que la estructura se localiza en las paredes perimetrales y en la cubierta, que por lo general salva claros de magnitud importante.
La función de la cubierta es techar la superficie de la nave. Es evidente que la carga más importante que actúa en una cubierta es su peso propio, y por lo tanto conviene que los materiales que la integran sean lo más ligeros posible. Se suelen usar láminas de acero ligeras, apoyadas sobre los largueros CF. Esta solución proporciona esa característica de ligereza directamente ligada a la economía de la construcción.
En este caso se trata de un edificio en el estado de Michoacán de dimensiones generales en planta de 60 × 36 m, de un solo nivel, con techo dentado en forma de sierra, con una superficie total de construcción de 2,500 m2. La altura de la nave es de aproximadamente 11.6 metros.
La cubierta de la nave industrial se ha modulado en elementos cuadrados de 6 × 6 m, delimitados por armaduras de cuerdas paralelas tipo Pratt y vigas principales.
La nave industrial debe considerar una estructuración eficiente para resistir las acciones que puedan afectarla, con especial atención a los efectos del viento y sismo. El proyecto debe partir de una estructuración regular que cumpla con los requisitos del capítulo II de las características generales de las edificaciones, reglamento de Construcciones para el Distrito Federal 2017.
Como se indicó, la estructura propuesta para el techo de la nave industrial es a base de diente de sierra, alternativa hoy en día obsoleta pero que fue muy común en la década de 1970. Su fabricación resulta cara, en vista de que se requiere mayor área de cubierta y necesita muchos canalones para evacuar el agua pluvial. En todo caso, habría sido preferible una estructura a base de marcos rígidos de sección variable, constituidos por columnas y cabezales.
Los elementos estructurales (columnas, armaduras, largueros) forman un conjunto estable para soportar las fuerzas verticales que actuarán sobre la nave, cargas muertas (peso propio de todos los elementos estructurales que gravitan sobre ella) y cargas vivas (nieve, lluvia o granizo, etc.). Sin embargo, ante la acción de las fuerzas horizontales (sismo o viento), el sistema no resulta estable.
Si las columnas y armaduras principales se conectan rígidamente, la estructura se hace resistente en el sentido transversal ante fuerzas en esa dirección. No obstante, el sistema estructural no tiene todavía capacidad apreciable ante fuerzas laterales perpendiculares a su propio plano, es decir, en el sentido longitudinal de la nave. Cabría entonces la posibilidad de formar marcos rígidos también en esa dirección, pero resulta en general más eficiente proporcionar en las paredes laterales un sistema de contraventeo vertical que transmita a la cimentación las cargas horizontales a través de fuerzas axiales en armaduras formadas por el contraventeo, columnas y puntales longitudinales.
Como conclusión de este primer caso, la falta de contraventeo en los marcos longitudinales, y más aun la forma y características del tipo de estructura propuesto
en la nave industrial, con techo dentado en forma de sierra, no son deseables para lograr un diseño seguro y una fabricación y montaje económicos.
Edificio 2. Salón de usos múltiples
El segundo es un salón de usos múltiples con una cubierta ligera cuyo propósito es generar grandes espacios abiertos y áreas libres, con columnas tipo árbol fabricadas con placas soldadas de sección transversal hexagonal y vigas IR de 203 mm (8’’)
de peralte que salvan claros de aproximadamente 22 m. Es evidente que los perfiles IR utilizados como vigas tienen limitaciones estructurales al aumentar los claros que se desea salvar, y por ello se recurre con mucha frecuencia al empleo de armaduras de cuerdas paralelas tipo Pratt o Warren cuando los claros exceden de 15 m. Las armaduras con menos material y mayor rigidez que las vigas de alma llena IR permiten el paso de los ductos o instalaciones a través de los tableros que contienen las diagonales y reducen las deflexiones producidas por las cargas de servicio.
Después de realizar una evaluación estructural preliminar del edificio existente, la solución propuesta en esta estructura consistió en aprovechar las vigas IR existentes como cuerdas superiores de armaduras tipo Pratt y adicionar otra viga del mismo peralte como cuerda inferior más diagonales a base de tubos cuadrados 0R de 76.0 mm (3’’) de lado.
Con esta alternativa estructural, el edificio tendrá la seguridad estructural requerida implícita en los reglamentos de construcción y normas de diseño de estructuras de acero.
Edificio 3. Centro comercial
Uno de los objetivos más importantes de la evaluación estructural preliminar efectuada con énfasis en la seguridad y estabilidad estructural del centro comercial indicado es calificar su nivel de seguridad bajo las acciones (cargas verticales o gravitacionales y accidentales de viento o sismo) que la afectarán durante su vida útil.
Los contraventeos horizontales proporcionan soporte lateral a los arcos, resisten el empuje del viento y lo transmiten a las armaduras verticales: éstas últimas transmiten el viento a la cimentación y dan soporte lateral a las columnas de los marcos rígidos. Los tirantes de largueros de cubierta ayudan a alinearlos durante el montaje, proporcionan soporte lateral a éstos y resisten la componente de la carga vertical paralela a la cubierta.
El sistema estructural descrito es correcto para el uso del edificio. No obstante, las conexiones de acero estructural entre columnas y arcos no se conceptualizaron, analizaron, diseñaron, detallaron y construyeron correctamente de acuerdo con su rigidez lateral propia (marcos rígidos o estructuras continuas).
Las estructuras comúnmente designadas como marcos rígidos o estructuras continuas se caracterizan por que los miembros que las componen están unidos entre sí por medio de conexiones rígidas capaces de reducir a un mínimo las rotaciones relativas entre los extremos de las barras que concurren en cada nudo, de manera que el análisis puede basarse en la suposición de que los ángulos originales entre esos extremos se conservan sin cambio al deformarse la estructura.
Según esta definición, las cuerdas superiores de los arcos no se unieron directamente a la columna como debió considerarse en el diseño de la conexión rígida por medio de una placa extrema extendida soldada en el extremo de los arcos, sino que la unión se realizó a través de las caras laterales de las columnas HSS con un ángulo de lados iguales de escasa longitud y con soldaduras de filete de dudosa calidad y resistencia.
En este sentido, la conexión arco-columnas HSS presenta seguridad estructural dudosa, ya que incumple con el requisito de rigidez y resistencia lateral propia de las uniones a momento (conexiones rígidas).
Los marcos rígidos deben ser estables bajo cargas verticales de diseño y bajo la combinación de éstas y las fuerzas horizontales de diseño. Por lo tanto, debe asegurarse la estabilidad de la estructura en conjunto y la de cada uno de sus elementos.
Conclusión
Las estructuras que se diseñen y construyan en los próximos años en México han de ser más seguras, eficientes y al mismo tiempo más económicas que las del pasado inmediato. Las ingenierías mexicanas estructural, sísmica y de cimentaciones han tenido avances importantes en los años recientes, derivados de la actualización del Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México, edición 2017, para cumplir y garantizar lo anteriormente dicho. Hace falta, sin embargo, una cuidadosa vigilancia por parte de las autoridades competentes de gobiernos estatales, así como la actuación de los involucrados y responsables en las diversas etapas de proyecto y construcción de edificaciones.
Hace falta mucho por hacer, sobre todo en poblaciones ubicadas en zonas de alta sismicidad, donde de manera recurrente los sismos repiten los mismos patrones de daño que se han discutido constantemente en foros nacionales e internacionales de ingeniería estructural y sísmica
Todas las fotografías fueron proporcionadas por el autor.
