La edición 2023 de la Norma Técnica Complementaria para el Diseño por Sismo ha sido elaborada con el fin de reducir las consecuencias de los sismos, al tiempo de conservar su compromiso con la seguridad estructural. Aunque en la mayoría de los casos el procedimiento de diseño es similar al de versiones anteriores de esta norma, la edición 2023 aporta criterios más claros en cuanto a su aplicación. Además, se han introducido nuevas alternativas estructurales para resolver proyectos innovadores, especiales, altos, complejos, esenciales, etc. Con tal fin, se han introducido requerimientos técnicos más flexibles para caracterizar al sistema estructural y buscar el desempeño requerido.
Amador Terán Gilmore Ingeniero civil con maestría y doctorado en Ingeniería. Profesor investigador en la Universidad Autónoma Metropolitana. Asesor estructural en proyectos de rehabilitación sísmica, el uso de sistemas de control y el diseño y revisión del proyecto estructural de edificios de gran altura.
Entre finales del siglo XIX y principios del XX empezó a usarse de manera generalizada una nueva generación de sistemas estructurales en países industrializados con baja sismicidad. La mayor aportación de los sistemas estructurados con base en marcos fue la apertura de grandes claros y espacios internos y la liberación de los pesados muros de mampostería en las fachadas de los edificios. Debido a las posibilidades estéticas y funcionales que ofrecían, estos sistemas empezaron a migrar a países y zonas de mediana y alta sismicidad, como los del Oriente lejano y próximo, el sur de Europa, América Latina y la costa oeste de Estados Unidos.
En ese proceso, se observó durante la primera mitad del siglo XX una cantidad importante de colapsos durante sismos intensos. Aunque la comunidad de ingeniería estructural tardó varias décadas en encontrar una solución satisfactoria a esta situación, a la larga entendió la necesidad de atender, en lo fundamental, la componente horizontal del sismo. En esta circunstancia, se encontró que la mejor opción para promover la supervivencia de los sistemas estructurales sismorresistentes era aportarles estabilidad global, entendida esta como la aptitud para mantener su capacidad resistente lateral ante grandes deformaciones laterales (figura 1). Para cuantificarla, se introdujo el concepto de ductilidad y se desarrollaron estrategias, como el uso de un detallado refinado y el enfoque de diseño basado en capacidad.
Aunque hoy en día la ductilidad y la estabilidad global son conceptos fundamentales para la supervivencia de los sistemas estructurales en zonas de alta sismicidad, se empieza a tener claridad en cuanto a las consecuencias de permitir a las estructuras desarrollar su capacidad dúctil durante los sismos intensos. En particular, esto da lugar a daños de todo tipo que resultan en consecuencias inaceptables en términos monetarios, sociales, humanos y ambientales. En respuesta a esto, a partir de las últimas dos décadas del siglo XX se propuso ajustar el enfoque con el fin de complementar la estabilidad global con control de la deformación lateral del sistema estructural (figura 1). Esto ha dado lugar al uso de sistemas estructurales que exhiben una capacidad cada vez mayor de controlar su respuesta lateral.
Norma Técnica Complementaria para el Diseño por Sismo
Las normas mexicanas de diseño por sismo han crecido en refinamiento y complejidad. Su evolución fue congruente con la de otras normas internacionales durante el siglo XX. Sin embargo, a principios del siglo XXI la NTC-Sismo exhibía un desfase importante con respecto a las investigaciones de punta y la práctica en el ámbito del diseño sísmico. Aunque la NTC-Sismo actualizó varias veces su formato a partir de 1985, conservó el de diseño basado en fuerzas y ductilidad. No fue hasta 2017 que se dio la posibilidad de usar dispositivos de control y se requirió del análisis no lineal para edificios de gran altura. Debido al rápido crecimiento de las capacidades técnicas de la ingeniería estructural mexicana, hoy en día se invierten esfuerzos en empatar el alcance de la NTC-Sismo con las posibilidades que se tienen en el ámbito del diseño sismorresistente en escalas nacional e internacional. Como consecuencia, en su edición 2023 la norma ofrece un formato más transparente y flexible que permite conectar mejor las decisiones de diseño con el desempeño esperado del sistema estructural, y es más enfática en cuanto a la necesidad de controlar la deformación lateral de ciertos sistemas estructurales y de demostrar explícitamente que los sistemas estructurales innovadores, especiales, altos, complejos y excesivamente irregulares exhiben una estabilidad global adecuada y son capaces de tener el desempeño requerido.
La NTC-Sismo 2023 conserva el formato tradicional basado en fuerzas, que en lo fundamental implica, primero, el uso de un espectro correspondiente a sismos de alta intensidad, reducido por ductilidad y sobrerresistencia, para estimar fuerzas internas en los elementos estructurales y distorsiones de entrepiso con fines de diseño y revisión del sistema estructural; segundo, contempla la revisión de distorsiones para sismos de baja intensidad con fines de control del daño no estructural. Sin embargo, a diferencia de ediciones anteriores, la de 2023 incluye la matriz de objetivos de diseño presentada en la tabla 1. En particular –y en congruencia con ediciones anteriores–, para edificaciones con estructuraciones convencionales que pertenezcan al grupo B se deben satisfacer los niveles de desempeño de “limitación de daño no estructural” y “seguridad de vida”, respectivamente, para las intensidades sísmicas “frecuente” y “base de diseño”. Como una opción enfocada en atender las necesidades de algunos clientes y desarrolladores, la NTC-Sismo 2023 brinda la opción de revisar que el sistema estructural satisfaga el nivel de desempeño de “prevención de colapso” para la intensidad sísmica infrecuente. En cuanto al diseño de edificaciones con estructuraciones convencionales que pertenezcan al grupo A, se usa un enfoque de diseño más estricto que el contemplado en versiones anteriores, lo que implica la satisfacción de los niveles de desempeño de “ocupación inmediata” y “seguridad de vida”, respectivamente, para las intensidades sísmicas “base de diseño” e “infrecuente”. Los requerimientos de análisis y diseño resumidos en la tabla 1 para sistemas estructurales con disipadores de energía y aislamiento sísmico contemplan el desempeño de “ocupación inmediata”, respectivamente, para las intensidades sísmicas “base de diseño” e “infrecuente”.
Es importante mencionar que la NTC-Sismo 2023 deja abierta la posibilidad de que el director responsable de obra utilice un sistema estructural innovador, dispositivos de control, metodologías basadas en el control de desplazamientos y niveles de desempeño e intensidades sísmicas más conservadoras, con el fin de reducir las consecuencias de los sismos en la estructura, en cuyo caso deberá sustentar la solución propuesta con una evaluación basada en desempeño ante el Instituto para la Seguridad de las Construcciones de la Ciudad de México.
En aras de la transparencia, la NTC-Sismo 2023 explica con detalle los niveles de desempeño. Al respecto, deja claro que “limitación de daño” es un nivel de desempeño no estructural enfocado en controlar estrictamente las distorsiones máximas de entrepiso (0.002-0.004) con el fin de controlar el daño no estructural. Además, contempla tres niveles de desempeño estructurales. “Ocupación inmediata” es un nivel en el que se esperan daños mínimos en los elementos estructurales, de tal manera que la estructura pueda ocuparse con seguridad inmediatamente después de la ocurrencia del sismo (es posible que el daño no estructural requiera reparación antes de que el edificio pueda operar). Para “seguridad de vida” se espera que, aunque haya daño estructural severo, el sistema estructural mantenga un margen de seguridad significativo en relación con el inicio de un colapso, y que su reparación estructural sea viable desde los puntos de vista técnico y monetario (a pesar de que se presente daño no estructural significativo). “Prevención de colapso” implica que el sistema estructural exhiba daño estructural grave que, sin poner en riesgo su capacidad para resistir las cargas gravitacionales, comprometa su capacidad para resistir posibles réplicas y la viabilidad de su reparación. En la figura 2 se muestran los niveles de deformación lateral asociados a cada uno de los tres niveles de desempeño. De conformidad con lo mostrado, para lograr “ocupación inmediata” la deformación lateral del sistema estructural debe ser controlada de tal manera que no rebase significativamente el límite de su comportamiento elástico lineal. Para “seguridad de vida”, la deformación lateral no debe exceder aquella para la que el sistema estructural alcanza su resistencia máxima.
En lo que sigue se describen cinco rubros en los que la NTC-Sismo 2023 exhibe cambios importantes en relación con versiones anteriores.
Control de la deformación lateral
Se hace mayor énfasis en el control de la deformación lateral en sistemas estructurales de interés para la comunidad mexicana de ingeniería estructural. En particular, para sistemas estructurales irregulares se reducen las distorsiones límite como alternativa al incremento de las fuerzas laterales de diseño. Algo similar ocurre para las estructuras del grupo A, cuya condición crítica de diseño ahora implica usar límites de distorsión máxima de entrepiso significativamente menores (asociados al nivel de desempeño de “ocupación inmediata”), sin un incremento en las fuerzas laterales resultado de la consideración de un factor de importancia. Para el caso de sistemas estructurales con disipadores de energía y aisladores sísmicos, el sistema estructural debe satisfacer, como se indica en la tabla 1, el nivel de desempeño de “ocupación inmediata”, lo que implica un control tan estricto de su desplazamiento lateral como el que se contempla para las estructuras del grupo A. Finalmente, es de llamar la atención el capítulo 11, enfocado en un diseño basado en control de desplazamientos, con el fin de hacer posible un diseño sísmico basado en resiliencia y un diseño más racional de estructuras con sistemas de control.
Análisis no lineal
Se introdujeron requerimientos para un análisis estático no lineal con objeto de estimar parámetros globales de diseño (como los factores Q y R) para sistemas estructurales convencionales atípicos y sistemas estructurales no convencionales. Al respecto, se considera como convencional cualquiera de los sistemas estructurales contenidos en las tablas del capítulo 4 de la norma; “atípico” se refiere a un sistema estructural que, aunque convencional, exhibe propiedades, como la altura de entrepiso o el largo de las crujías, que no son habituales para las edificaciones mexicanas. Además, se estableció una variedad de casos en que el sistema estructural debe ser revisado con una evaluación basada en desempeño. La evaluación se hace con base en los resultados de una serie de análisis dinámicos no lineales, y es obligatoria en casos como el de sistemas estructurales no convencionales, de edificios altos, con periodo largo, con irregularidad excesiva, que usen dispositivos de control o que hayan sido diseñados con una metodología de control de desplazamientos.
Personalización
Se introdujo un nuevo inciso de modelado para tomar en cuenta las particularidades del sistema estructural durante el análisis estructural, así como un capítulo mejorado de interacción suelo-estructura que obliga –con la excepción de sistemas estructurales de baja altura– a tomar en cuenta las particularidades del sistema suelo-cimentación. Además, se introdujeron nuevos capítulos (12, 13 y 14) que contienen requerimientos para llevar a cabo, por un lado, el análisis y diseño de sistemas estructurales con dispositivos de control (disipadores de energía y aislamiento sísmico) y, por el otro, una evaluación basada en desempeño. Esta evaluación se hace obligatoria para los casos mencionados en el apartado anterior.
Ocupación inmediata
La NTC-Sismo 2023 hace énfasis en el nivel de desempeño de “ocupación inmediata”, pensado en reducir las consecuencias de los sismos intensos. En particular, es posible notar en la tabla que hay más situaciones en que se requiere diseñar para “ocupación inmediata” que aquellas en que se diseña para “seguridad de vida”. De particular interés es mencionar que, para las estructuras del grupo A, el objetivo de diseño 4 regirá el diseño en la mayoría de los casos, de tal suerte que será la “ocupación inmediata” la que defina las propiedades del sistema estructural. Así, aunque el nivel de desempeño de “seguridad de vida” sigue rigiendo el diseño de los sistemas estructurales convencionales de edificaciones del grupo B, existe una clara tendencia a que cada vez sean más los casos en que el diseño quede regido por la necesidad de “ocupación inmediata” para sismos de alta intensidad.
Contenidos, instalaciones y elementos no estructurales
Debido a la importancia que tiene el control de daño en los elementos no estructurales, contenidos e instalaciones, se introdujo un nuevo capítulo para su revisión y diseño. Por lo general, esto requiere el cálculo de la aceleración de entrepiso y, con base en ella, las fuerzas actuantes en ellos.
Sistema de acciones sísmicas de diseño
Finalmente, se llama la atención sobre la innovación conceptual involucrada en la nueva versión del Sistema de Acciones Sísmicas de Diseño (SASID). En este contexto, el SASID 2023 considera: a) un modelo de peligro sísmico basado completamente en espectros de Fourier y teoría de vibraciones aleatorias (modelos de atenuación del espectro de Fourier y cocientes empíricos entre los sitios del valle y la estación de referencia ubicada en Ciudad Universitaria, UNAM; b) la actualización de los valores del periodo dominante del terreno; c) un modelo flexible que permite calcular el peligro sísmico para diferentes niveles de amortiguamiento con un solo modelo de atenuación; d) mallas precalculadas de alta resolución para diferentes amortiguamientos y épocas futuras, lo que facilita la actualización y auditoría de SASID; e) nuevo esquema de interpolación para obtener los espectros de diseño en puntos intermedios entre los que definen las mallas; y, finalmente, f) espectros normativos para las intensidades sísmicas “base de diseño” e “infrecuente”.
Conclusión
En un contexto general en que los requerimientos de diseño se han hecho más estrictos con el objetivo de reducir las consecuencias de los sismos para los habitantes de la Ciudad de México, han surgido varios retos y oportunidades que se deben superar y aprovechar por todos aquellos profesionales que desarrollan su actividad en el ámbito de la industria de la construcción mexicana.
