Diseño Elementos No Estructurales

 

SEMINARIO VULNER VUL NERA ABIL ILIDA IDAD DS SÍS ÍSMIC MICA A DE CIUD CIUDA ADES DES ASOCIACIÓN DE INGENIEROS DEL VALLE Cali, 28 de noviembre – 1 de diciembre 2007

DISEÑO SISMO RE DIS RES SISTENTE DE ELEMEN ELEMENT TOS NO ES EST TRUC RUC TURA URALE LES S 

 J  Jos osef ef Far arb biarz arz F. Director Centro de Proyectos e Investigaciones Sísmicas

CPIS 

Facult Fa cult ad de Minas Universidad Nacional de Colom Colom bia Sede Medell Medell ín

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia 1.  Introducción Durante muchos años, ha sido la práctica común en la ingeniería colombiana que los elementos no estructurales se tengan en cuenta en el cálculo de las cargas permanentes, pero que se ignoren durante el resto del proceso de análisis y diseño, siendo entonces un albur su comportamiento y estabilidad y, por consiguiente, sus efectos sobre la estructura. Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98 (Ley 400 de 1997 y sus decretos reglamentarios), vigentes en todo el territorio nacional desde el 19 de febrero de 1998, requieren que todo elemento clasificado como no estructural, y sus conexiones y anclajes, sea diseñado para resistir las cargas que lo lleven a su respuesta crítica, incluyendo las cargas verticales debidas a su propio peso, las cargas inerciales durante sismos debidas a su  propia masa, las cargas de viento a que que se pueda ver sometida su propia superficie, entre otras. Estas memorias contienen una síntesis de la metodología para un adecuado diseño de elementos no estructurales, y sus conexiones y anclajes, que sirva como sirva como introducción al tema  para el profesional interesado en el diseño de estos elementos.

2.  ¿Qué es un elemento no estructural ? Cualquier obra arquitectónica requiere de elementos que se encarguen de transmitir las cargas impuestas por su peso has hasta ta la estructura de cim cimentación. entación. Sin embargo, no todos los elementos considerados en el diseño arquitectónico tienen esta responsabilidad de transferencia. Los elementos no estructurales son aquellos que no hacen parte del sistema estructural de transmisión de cargas hasta la cimentación del edificio, sino que deben responder únicamente  por su propio peso y por las cargas que se le aplican directamente. Si no se diseñan adecuadamente, los elementos no estructurales pueden modificar el comportamiento de la estructura.

3.  Tipos de elementos no estructurales. Las NSR-98 clasifica los elementos elementos no estructurales en el capítulo A.9, A.9, así: • 

Acabados, elementos arquitectónicos y decorativos.

• 

Instalaciones hidráulicas y sanitarias.

• 

Instalaciones eléctricas.

• 

Instalaciones de gas.

• 

Equipos mecánicos, e

• 

Instalaciones especiales. 3.1.  Acabados, elementos arquitectónicos y decorativos. Elementos arquitectónicos y decorativos como muros de fachada, muros interiores, cielos rasos, enchapes de fachada, áticos, parapetos, antepechos, vidrios, paneles prefabricados de fachada, calados y demás elementos decorativos de la edificación. Algunos de estos elementos tienen responsabilidades funcionales como la división de espacias y la protección de la intemperie mientras que otros son netamente ornamentales; sin embargo, todos deben diseñarse estructuralmente para evitar que causen daños al colapsar durante un sismo.

Cuando un elemento no estructural tiene la responsabilidad de proteger del ambiente exterior o aislar ambientes interiores, puede puede requerirse del uso sellos sellos en juntas. Los sellos aislantes deben  poseer diferentes características físicas y mecánicas. Las más importantes se listan a continuación: •  • 

Opaco a la luz Aislante acústico y térmico 1

 

  •  •  •  •  • 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 

Impermeable (donde se requiera) Flexible ante cargas estáticas y dinámicas transmitidas por la estructura. Resistente para cargas transmitidas por los acabados apoyados directamente sobre el sello.  No biodegradable Reemplazable y reparable

3.1.1.  Muros de Fachada.

Los muros no estructurales de fachada y sus anclajes, deben diseñarse adecuadamente  para evitar su volcamiento, sin interferir con el comportamiento estructural de la edificación, pero cumpliendo su función pro protectora tectora de la intemperie. En fachadas que  contengan muros de grandes superficies, deben disponerse de juntas adecuadamente especificadas para proteger los acabados debido a los cambios volumétricos por cambios reológicos y por cambios e temperatura. 3.1.2.  Muros interiores Deben diseñarse para evitar su volcamiento sin interferir con el comportamiento estructural de la edificación. Aunque no tienen la función ddee proteger contra la intemperie, en la mayoría de los casos, deben servir para aislar del sonido y de la luz. 3.1.3.  Parapetos y antepechos. Por ser elementos en voladizo, los parapetos y los antepechos son particularmente vulnerables al vuelco, por lo que deben diseñarse adecuadamente empotrados en su base. 3.1.4.  Enchapes y ornamentos Los acabados sobre muros, interiores o exteriores, fabricados con enchapes adheridos a la superficie vertical, deben anclarse con elementos capaces de resistir tracción y cortante y que no sean susceptibles susceptibles de flujo plástico significativo. Así mism mismo, o, deben especificarse juntas adecuadamente espaciadas, par evitar la fisuración y el desgarre de los enchapes, verticales u horizontales, debido a movimientos por cambios volumétricos o por diferencias térmicas. Los ornamentos que se instalen en la edificación, como cornisas, pasamanos, lagrimales, calados, frisos, etc, deben diseñarse y anclarse adecuadamente para evitar que se desprendan de la estructura.

3.2.  Instalaciones hidráulicas y sanitarias Estos elementos constituyen el sistema de distribución de agua potable y la recolección y disposición de las aguas aguas de lluvia y de las aguas negras. Esencialmente, están constituidos por un sistema de tuberías embebidas en, o colgadas de, la estructura. A pesar de su vital importancia, estos elementos carecen de otra anclajes responsabilidad estructuralestructuralmente que la de su propio  peso. Sin embargo, sus elementos y sus deben diseñarse para disminuir la posibilidad que dejen de funcionar o fallen durante un sismo, pues el agua puede causar daños significativos sobre acabados y contenidos contenidos en el interior de los edificios. Además, al fallar, algunos componentes colgados de las losas pueden causar daños a otros elementos no estructurales.

3.3.  Instalaciones eléctricas El sistema eléctrico se compone de la red de tuberías para la distribución del cableado y de los equipos necesarios para la transformación o generación eléctrica dentro del edificio. Sus elementos, anclajes y conexiones deben diseñarse adecuadamente para garantizar que no fallen durante un sismo sismo por obvias razon razones. es. La falla del sistema eléctrico no solo dificulta la evacuación durante el sismo y la recuperación tras el sismo, sino que si al fallar por rotura de elementos se producen corto circuitos, se aumenta el riesgo de incendios.

2

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia 3.4.  Instalaciones de gas Con la generalización de las redes urbanas de gas natural en Colombia, se ha incrementado notablemente la instalación de estos ssistemas istemas en edificaciones. El potencial de incendio que implica la rotura de una red de tuberías de gas hace que su diseño estructural sea prioritario. Durante el sismo de Kobe en Japón en 1995, la mayor parte de los sismos fueron casuados por los incendios desatados a raíz de la falla del sistema de gas. 3.5.  Equipos mecánicos Los sistemas mecánicos de una edificación, como los ascensores de manejo y generación de aire acondicionado, las escaleras eléctricasy ysus susmotores, motores,loslosequipo motores eléctricos para puertas automáticas, etc. son generalmente, pesados y voluminosos. Muchas veces, los equipos se suspenden de las losas o se apoyan en estructuras elevadas. Si se desprenden pueden causar daños significativos en la estructura y amenazar la vida de sus usuarios. Generalmente, los fabricantes de los equipos se responsabilizan del diseño estructural de los marcos de los equipos, de los rieles rieles y cables de izaje de los ascensores, etc. El diseñador de los elementos no estructurales debe diseñar los anclajes de equipos e instalaciones mecánicas.

3.6.  Instalaciones especiales Toda instalación especial, como los quirófanos y las salas de radiación y electomagnetismo de los hospitales, o salas de máquinas en edificios industriales, o sistemas de luz y sonido en teatros y estadios, entre otros, requieren de diseño estructural apropiado que evite que sus conexiones o sus elementos portantes fallen durante un sismo. 3.7.  Procedimiento de diseño Para dimensionar el elemento estructural y sus anclajes, debe calcularse, en primera instancia, la solicitación que el sismo le demanda. A su vez el cálculo de esta fuerza se hace con base en la famosa y sencilla ecuación planteada por Newton: F  = ma  

donde: m: masa. a: aceleración.

3.7.1.  Masa del elemento El cálculo de la masa del elemento es inmediato y evidente, reduciéndose al cálculo del volúmenes y densidades. densidades. Es conveniente expr expresar esar la masa en megag megagramos, ramos, Mg, para que al multiplicarla por la aceleración, expresada en m/s², se obtenga la fuerza directamente en kilonewtons, kN. 3.7.2.  Aceleración de piso En cuanto a la aceleración, de acuerdo con las normas, se toma como la aceleración impartida al  piso sobre el cual se apoya, o en el cual se ancla, el elemento no estructural bajo estudio. La aceleración en cada piso puede calcularse con base en la fuerza inercial que se le atribuye a la edificación como un todo, es decir, con base en la fuerza basal de cortante sísmico, V s  distribuida en cada piso con base en la proporción Cvx, expresada como: C vx =

m x h xk   n

∑ (m h x

k x

)

 

x =1

donde: Cvx = Relación entre la fuerza inercial en cada piso y el cortante sísmico en la base, en kN. mx = Masa del piso x. n = Número de pisos del edificio.

3

 

 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007  hx = Altura del piso x, con respecto a la base del edificio. Si T ≤ 0.5, k = 1. Si 0.5 < T ≤ 2.5, k = 0.75 + 0.5 T. Si T > 2.5, k = 2. 

A su vez, Vs es el producto entre la masa total del edificio, M, y la aceleración espectral que le corresponde a la edificación, de acuerdo con su período natural de vibración. El cálculo de la masa de de la edificación, es relativamente sencillo de realizar. Sin embargo, debe hacerse de manera rigurosa, incluyendo todas las fuentes de peso propio y peso permanente debidas a la estructura y todos sus acabados. Por otra parte, la aceleración de la edificación, como un todo, está especificada en las NSR-98, de manera simplificada, como la respuesta espectral de la edificación, Sa, en función de su  período fundamental de vibración, T, con base en el gráfico que se muestra muestra en la Figura 1.

Figura 1: Espectro elástico de diseño (NSR-98-A.2.6) Por último, la aceleración en cada piso, cuyo valor no debe exceder dos veces la aceleración espectral, será el resultado de dividir la fuerza en cada piso, por la masa de cada piso, así: C V a = mvx gs ≤ 2Sa  (Art. A-9.4.2.1) x x

donde: ax = Relación entre la aceleración en el  piso x y la aceleración de la gravedad. Vs = Cortante sísmico en la bas base, e, en kN. mx = masa del nivel x donde esta ubicado el elemento no estructural, en Mg. g = aceleración debida a la gravedad (9.8 m/s2). Sa = Coeficiente de aceleración espectral. Debe anotarse, que de acuerdo con esta expresión, la aceleración para el diseño de los elementos no estructurales que se encuentren en el nivel del terreno se calcula con base en la proporción Cv1, que depende de la altura del nivel en cuestión, que en est estee caso sería 0. Esta inconsistencia

4

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia obedece a que no está explícito en la norma que debe usarse aceleraciones absolutas, de manera que es necesario sumarle a la aceleración calculada, la aceleración en el nivel del terreno. 3.7.3.  Fuerza sísmica de diseño Para calcular la fuerza inercial a la que se somete un elemento no estructural, basta multiplicar su masa por la aceleración del piso en el que se encuentran sus apoyos o anclajes. Sin embargo, dependiendo de sus características, la fuerza resultante puede reducirse con base en capacidad de disipación de energía del elemento y sus conexiones, o aumentarse con base en la amplificación de la respuesta dinámica. De acuerdo con su naturaleza y configuración, la respuesta dinámica de un elemento no estructural puede amplificar las aceleraciones que se presentan en su punto de soporte debido a efectos de resonancia. resonancia. Para evaluarla, se requieren análisis dinámicos detallados o ensayos dinámicos experimentales. Sin embargo, las NSR-98 permiten estimarlos aproximadamente con base en un factor aP, cuyos valores se extractan en las tablas 1 y 2. Similarmente, de acuerdo con su naturaleza y configuración, el elemento y su anclaje tendrán una capacidad determinada de disipación de energía. Si esta capacidad es baja, el elemento o sus anclajes tienen un comportamiento frágil, mientras que si es alta, tendrán un comportamiento dúctil, ingresando al intervalo inelástico del comportamiento de sus materiales,  para niveles de carga inferiores a la fuerza elástica calculada. De tal manera, la fuerza puede reducirse de acuerdo con el coeficiente R P, cuyos valores aparecen en las Tablas 1 y 2. Tipo de anclajes o amarres para determinar Elemento

elenergía, coeficiente de capacidad de disipación Rp, mínimo requerido en A.9.4.9de

ap

no estructural

Grado de desempeño Superior

Bueno

Bajo

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

1.0

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

•  lámina en yeso, con costillas de 1.0 acero

No dúctiles

 No dúctiles

No dúctiles

•  mampostería reforzada, separada 1.0 lateralmente de la estructura, apoyadas arriba y abajo

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

•  mampostería reforzada, separada 2.5 lateralmente de la estructura ,apoyadas solo abajo

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

•  mampostería no reforzada, separada 1.0 lateralmente de la estructura, apoyadas arriba y abajo

No se permite este tipo de elemento no estructural

 No dúctiles(1)

•  mampostería no reforzada, separada 2.5 lateralmente de la estructura ,apoyadas solo abajo

No se permite este tipo de elemento no estructural

 No dúctiles(1)

•  mampostería no reforzada, confinada 1.0

No se permite este tipo

 No dúctiles(2)

Fachadas

•   paneles prefabricados arriba y abajo

apoyados 1.0

•  en vidrio apoyadas arriba y abajo

 por la estructura

deestructural elemento no

5

 

 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 

Tipo de anclajes o amarres para determinar el coeficiente de capacidad de disipación de energía, Rp, mínimo requerido en A.9.4.9

Elemento no estructural

ap

Muros que encierran puntos fijos y 1.0 ductos de escaleras, ascensores, y otros

Grado de desempeño Superior

Bueno

Bajo

Dúctiles

No dúctiles

Húmedos(1)

Muros divisorios y particiones

•  corredores en áreas públicas

1.0

Dúctiles

No dúctiles

Húmedos(1)

•  muros divisorios de altura total

1.0

No dúctiles

 No dúctiles

Húmedos(1)

•  muros divisorios de altura parcial

2.5

No dúctiles

 No dúctiles

Húmedos(1)

•  áticos, parapetos y chimeneas

2.5

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

Anclaje de enchapes de fachada

1.0

Dúctiles

No dúctiles

Húmedos

Altillos

1.5

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

Cielos rasos

1.0

No dúctiles

 No dúctiles

No requerido(3)

•  Diseñadas de acuerdo al Título F

2.5

Especiales

Dúctiles

No requerido(3)

•  Otras

2.5

Dúctiles

No dúctiles

No requerido(3)

Tejas

1.0

No dúctiles

 No dúctiles

No requerido(3)

Elementos en voladizo vertical

Anaqueles, estanterías y bibliotecas de más de 2.50 m de altura, incluyendo el contenido

Notas: 1.  Debe verificarse que el muro no pierde su integridad al ser sometido a 2.  3. 

las derivas máximas calculadas para la estructura. Además de (1) debe verificarse que no interactúa adversamente con la estructura. El elemento no estructural no requiere diseño y verificación sísmica.

Tabla 1: Coeficientes Ap y Rp para elementos arquitectónicos y acabados, tomado de la Tabla A.9-2 de las NSR-98. Tipo de anclajes o amarres para determinar el coeficiente de capacidad de disipación de energía, Rp, mínimo requerido en A.9.4.9

Elemento no estructural

Sistemas de protección contra el fuego 6

Grado de desempeño

  ap b  

2.5

Superior

Bueno

Bajo

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia Tipo de anclajes o amarres para determinar el coeficiente de capacidad de disipación de Elemento energía, Rp, mínimo requerido en A.9.4.9 no estructural

Plantas eléctricas de emergencia Maquinaria de ascensores, guías y rieles del ascensor y el contrapeso

  ap b  

1.0

Grado de desempeño Superior

Bueno

Bajo

No dúctiles

No dúctiles

No requeridog  requeridog No requeridog 

1.0

Dúctiles

No dúctiles

1.0

Dúctiles

No dúctiles

No requeridog 

1.0

Dúctiles

No dúctiles

Húmedos

Tuberías de gases y combustibles

2.5

Dúctiles

No dúctiles

No dúctiles

• 

Tuberías del sistema contra incendio •  Otros sistemas de tuberíasd 

2.5 2.5

Dúctiles No dúctiles

No dúctiles No requeridog 

No dúctiles  No requeridog 

Sistemas de aire acondicionado, calefacción y ventilación, y sus ductose 

1.0

Dúctiles

No dúctiles

No requeridog 

No dúctiles

No dúctiles

No requeridog 

No dúctiles

No dúctiles

No requeridog 

Equipo en general • 

Calderas, hornos, incineradores, calentadores de agua y otros equipos que utilicen combustibles, y sus chimeneas y escapes.

• 

Sistemas de comunicación

• 

Ductos eléctricos, cárcamos y bandejas de cablesc 

• 

Equipo eléctrico, transformadores, subestaciones, motores, etc.

• 

Bombas hidráulicas

• 

Tanques, condensadores, intercambiadores de calor, equipos de  presión

• 

Empates con las redes de servicios  públicos

Maquinaria de producción industrial Sistemas de tuberías • 

Paneles de control y gabinetes eléctricos Luminarias y sistemas de iluminaciónf  

1.0

Notas: a. Véase las exenciones en A.9.1.3.  b. Los valores de ap dados son para la componente horizontal. Para la componente vertical deben incrementarse en un 33%. 7

 

 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 

c. No hay necesidad de disponer soportes sísmicos para las bandejas de cables eléctricos en las siguientes situaciones: (1) Ductos y bandejas de cables colgados de soportes individuales que tienen 300 mm o menos de longitud. (2) En espacios para equipos mecánicos y calderas, donde el ducto tiene menos de 30 mm de diámetro interior. (3) Cualquier ducto eléctrico de menos de 65 mm de diámetro interior, localizado en otros espacios. d. No hay necesidad de disponer soportes sísmicos para las tuberías en las siguientes (1)o menos Tuberías colgadas(2)de soportes individuales que situaciones: tienen 300 mm de longitud. En espacios  para equipos mecánicos y calderas, donde la tubería tiene menos de 30 mm de diámetro interior. (3) Cualquier tubería de menos de 65 mm de diámetro interior, localizado en otros espacios. e. No hay necesidad de disponer soportes sísmicos para los ductos de calefacción, ventilación y aire acondicionado en las siguientes situaciones: (1) Ductos colgados de soportes individuales que tienen 300 mm o menos de longitud. (2) Ductos que tienen una sección con un área menor de 0.60 m². f. Las luminarias dispuestas como péndulos deben diseñarse utilizando un valor de ap igual a 1.5. El soporte vertical debe diseñarse con un factor de seguridad igual a 4.0. g. El elemento no estructural no requiere diseño y verificación sísmica. Tabla 2: Coeficientes Ap y Rp para elementos hidráulicos, mecánicos y eléctricos, tomado de la Tabla A.9-2 de las NSR-98. Como se aprecia en las tablas anteriores, los valores de reducción de la fuerza sísmica dependen del grado de desempeño especificado especificado en las NSR-98, artículo A-2.5, A-2.5, de la NSR-98, así: "Superior: Es aquel en el cual el daño que se presenta en los elementos no estructurales es mínimo y no interfiere con la operación de la edificación debido a la ocurrencia del sismo de diseño. Bueno: Es aquel en le cual el daño que ssee presenta en los elementos no estructurales es totalmente reparable y puede haber alguna interferencia con la operación de la edificación con posterioridad a la ocurrencia del sismo de diseño. Bajo: Es aquel en cual se pres presentan entan daños graves en los elementos no estructurales, inclusive no reparables, pero sin desprendimiento o colapso, debido a la ocurrencia del sismo de diseño." Además, las NSR-98 especifican que el grado de desempeño mínimo para el que debe diseñarse un elemento estructural depende del grupo de uso uso de la edificación, como se ilustra en la Tabla 3. Es el propietario de la edificación qquien uien decide para cuál grado de desempeño, desempeño, por encima del mínimo requerido, debe diseñarse el elemento no estructural. Gr Gru upo de uso Grado Grado de des desemp empeñ eño o IV III III I

Sup erio r Bue no Bue no Ba jo

  Tabla 3: Grados de desempeño según grupos de uso, tomado de la Tabla A.9-1, de las NSR-98. Por otra parte, el coeficiente de reducción de la fuerza depende de la forma de anclaje o amarre que, a su vez está limitado por el grado de des desempeño empeño permitido. Las NSR-98 clasifican clasifican los anclajes en cuatro categorías: "Especiales (Rp=6). 8

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia Se trata de anclajes diseñados siguiendo los requisitos del título F para estructuras en acero estructural con capacidad de disipación de energía especial (DES). Deben cumplirse todos los requisitos dados allí para permitir este valor dado de Rp.” 1 "Dúctiles (Rp=3). Cuando el anclaje se realiza por medio de anclajes profundos que emplean químicos (epóxicos), anclajes profundos vaciados en el sitio, o anclajes vaciados en el sitio que cumplen los requisitos requisitos del capitulo C.21. No se permiten los pernos de expansión anclajes colocados mediosentre explosivos (tiros). Anclajes  profundos son ni aquellos en los cuales lapor relación la porción embebida y el diámetro del perno es mayor de 8. Este tipo de anclajes debe emplearse cuando el elemento no estructural es dúctil.” 1 "No dúctiles (Rp=1.5). Cuando el anclaje se realiza por medio de pernos de expansión , anclajes superficiales que emplean químicos (epóxicos), anclajes superficiales vaciados en el sitio, o anclajes colocados por medios explosivos (tiros). Anclajes superficiales son aquellos en los cuales la relación entre la porción embebida al diámetro del  perno es menor de 8. Dentro de este tipo de anclajes se encuentran las barras de acero de refuerzo con ganchos en los extremos que se embeben dentro del mortero de pega de la mampostería. Este tipo de anclajes se permiten cuando el elemtno no estructural no es dúctil. Si se utilizan en elementos no estructurales dúctiles, éstos deben diseñarse para el mismo valor de R  p =1.5.”  1 "Húmedos (Rp=0.5). Cuando se utiliza mortero, o adhesivos que pegan directamente al mortero o al concreto, sin ningún tipo de anclaje mecánico resistente a tracción.” 1 Así, calculada la masa, MP, del elemento no estructural, la aceleración en cada  piso, ax, y evaluados los coeficientes de amplificación aP y de reducción, R P, puede determinarse la fuerza sísmica, así:

F  p

=

 A x A p  R p

gM     p

≥

 Aa I 

2

gM  p  

donde: FP = Fuerza sísmica en el elemento no es estructural, tructural, en kN. Ax = y Relación entre la aceleración horizontal en cada  piso g. a p = Coeficiente de amplificación dinámica. R  p = Coeficiente ddee capacidad de disipa disipación ción de energía. g = Aceleración debida a la gravedad (9.8 m/s2). M p = Masa del elemento elemento no estru estructural, ctural, en Mg Mg.. Aa = Relación entre la aceleración pico efectiva en la roca y g. I = Coeficiente de importancia.

3.7.4.  Fuerza dominante de diseño Un elemento no estructural puede verse sometido a otras fuerzas, además de las fuerzas sísmicas. De hecho, debe ser capaz de resistir su propio peso, peso, el peso de los acabados que se le apliquen, la carga viva que pueda aplicársele directamente, las fuerzas de viento ejercidas directamente sobre su superficie, etc.

9

 

 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 

Las cargas sísmicas y las cargas de viento, calculadas independientemente, deben compararse  para determinar cuál de las dos es dominante. Además, debe considerarse las fuerzas de segundo orden que resulten de los movimientos relativos entre sus apoyos.

Carga de viento Si la carga de viento sobre el elemento no estructural, sea de presión o de succión, es mayor que el 70 % de la carga sísmica, debe diseñarse para la carga de viento, amplificada por un factor de 1.4. De lo contrario se diseña para la carga sísmica.

Desplazamientos en los apoyos Si un elemento no estructural tiene apoyos en varios niveles, cuando el edificio experimenta su deriva máxima, el elemento sufre un desplazamiento relativo entre sus apoyos que debe tenerse en cuenta al diseñarlo, para constatar la caacidad de resistir los esfuerzos adicionales inducidos  por este movimiento. 3.7.5.  Fuerzas internas y dimensionamiento Luego de hallar la fuerza sísmica de diseño se procede a evaluar las fuerzas internas de momento (M), cortante (V) y fuerza axial (N). En algunas ocasiones, el diseño del elemento no estructural propiamente dicho está fuera del alcance del trabajo del diseñador los elementos no estructurales de la edificación. Por ejemplo, aparatos de aire acondicionado, ascensores, ventanas, entre otros, los diseña el fabricante. En tales casos, el ddiseñador iseñador se limita a es estudiar tudiar las conexiones y los anclajes de dichos equipos a la estructura. El modelo de análisis de los elementos no estructurales, debe incluir las condiciones de apoyo, y éstas deben plasmarse los planossede demodela maneracon adecuada que se repliquen en la los obra. Por ejemplo, si un muro noenestructural apoyos para articulados arriba y abajo, planos de construcción deben reflejar esta condición. Aunque la distribución de la carga sísmica depende de la distribución de la masa y de la rigidez del elemento, la imprecisión que resulta de considerarla aplicada en el centro de la gravedad  pocas veces es significativa, y, de hecho, las NSR-98 lo permiten. En las Figuras 2 a 4 se  presenta el análisis de un muro no estructural estructural para diferentes condiciones de apoyo. Muro no estruc estr uc tura tura l

Diagrama de c argas argas

Diag Diag rama d e momentos M

Diagrama Diagrama de C ortante ortante V

V   =

F  p

 

F p

+

 M max  

=

F  p

2

F  p h p

h p

4

V   =

F  p

2

 M URO SIM PLEM EN TE A PO YA D O

10

 

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia Figura 2: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural simplemente apoyado. Figura 35: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural en Diagrama de c argas argas

Muro no Muro e str truc uc tura tura l

F  p

hv

Di Diag agrrama d e momentos M

Di Dia a gra gra ma de Cortante V

V   = F  p

F  p −

   M max

=

hv

F  p hv

2

2  M URO EN V O LA D IZO

voladizo.

Muro no Muro e struc truc tura tura l

Diagrama de c ar argas gas

Diag Diagrrama de momentos M

Diag Diagrrama de Cortante V

V   =

F  p

 

F p

5F    p 16

5F  p h p   = 32

+ max  M 

−

−  M max  

=

3F  p h p 16

h p

V   =

11F    p 16

EMPO TRAD O - ARTIC EMPO ARTIC ULA DO

Figura 3: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural empotrado-articulado  

11

 

 

 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007  Diagrama de c ar argas gas

Muro no Muro estrruc tura est tura l

Diag Diagrrama de momentos M

Diag Diagrrama de Cortante V

Δ

V  =

F  p

 

F p

−  M max h p

h p −

−  M max

  3 EI Δ = 2 h p

 M URO D ESPL ESPLA A ZA D O PO R D ERIV A D E PISO S

  Figura 4: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural desplazado por deriva de pisos. Adicionalmente, debe tenerse en cuenta los efectos por deplazamientos de los apoyos, como por ejemplo la deriva entre pisos cuando un muro no estructural está anclado en cada nivel, como se ve en la Figura 5. Δ

 

Δ 0.5 PP sen α

α PP sen α

PP cos α

P P

0.5 PP sen α

  Figura 5: Estado de cargas en muro inclinado debido al movimiento relativo entre los apoyos. El dimensionamiento de los elementos no estructurales obedece al diseño estructural del sistema y los materiales que se consideren en cada caso. Por ejemplo, un muro no estructural construido construido con ladrillos de arcilla, debe diseñarse de acuerdo con los requerimientos y los preceptos del diseño con mampostería, cuya reglamentación se contempla en el Título D de las NSR-98, mientras que los anclajes para suspender un aparato mecánico de una losa, deben diseñarse de acuerdo con los requerimientos del Título F. Los muros no estructurales de mampostería deben anclarse adecuadamente de manera que se evite su vuelco. SIn embargo, el título D permite el uso de mampostería nnoo reforzada no confinada para elementos que no formen parte del sistema de resistencia sísmica, siempre y cuando se diseñen apropiadamente de acuerdo con el procedimiento de las tensiones admisibles incluido apéndice de D.1.especificar D.1. De tal manera, sería posible anclar un a la estructuraensinelnecesidad que el refuerzo sea continuo a lomuro largonodeestructural toda la altura, 12

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia si su diseño demuestra que la mampostería sin refuerzo puede atender todas las solicitaciones impuestas. Sin embargo, debe enfatizarse que los requerimientos de las NSR-98 forman un conjunto de mínimos obligatorios y que la buena práctica de la ingeniería y el criterio experimentado del diseñador pueden resultar en especificaciones adicionales a las mínimas estipuladas por la normativa. Un muro no reforzado no confinad confinadoo carece de segunda línea de defensa en caso caso de solicitaciones imprevistas. imprevistas. Aún más más,, un muro no reforzado no confinado pued puedee fallar frágilmente bajo cargas perpendiculares a su plano.

3.8.  Resumen. En síntesis, el diseño de un elemento no estructural se realiza con el siguiente procedimiento 1.  Especificación del criterio de diseño. 2.  Cuantificación de la masa de la edificación, M, 3.  Cálculo del período fundamental de la edificación, T. 4.  Determinación de la zona de amenaza sísmica y del coeficiente de aceleración, Aa. 5.  Determinación del coeficiente de importancia, importancia, I, de acuerdo con el Grupo de Uso de la estructura. 6.  Determinación del coeficiente de sitio, S, de acuerdo con el tipo de perfil del suelo. 5.  Cálculo de la aceleración espectral Sa, con base en el espectro elástico de diseño. 6.  Cálculo de la cortante sísmica en la base, Vs, de acuerdo con el Capítulo A.4 de las  NSR-98. 7.  Cálculo del coeficiente de distribución Cvx. 8.  Cálculo de ax, en cada nivel. 11.  Cuantificación de la masa del elemento no estructural. 12.  Determinación del grado de desempeño del elemento no estructural, en función del Grupo de Uso de la estructura. 9.  Determinación del coeficientes de amplificación sísmica, a p, de acuerdo con las Tablas A.9-2 y A.9-3. 10.  Determinación del coeficiente de reducción, R  p, de acuerdo con las Tablas A.9-2 y A.93. 11.  Cálculo de la fuerza sísmica de diseño, FP, sobre el elemento no estructural. 12.  Cálculo de la fuerza de viento, FV, sobre el elemento no estructural. 13.  Si ⏐FV⏐> 0.7 FP, se diseña para 1.4 FV. Si ⏐FV⏐≤ 0.7 FP, se diseña para FP. 18.  Cálculo de fuerzas internas. 19.  Dimensionamiento del elemento no estructural. 20.  Dimensionamiento de las conexiones. 21.  Dimensionamiento de los anclajes.

13

 

 

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 

14.  Detalles constructivos de anclaje y soporte. A continuación se presentan algunas alternativas de solución para separación entre elementos no estructurales y la estructura principal. 14.1.  Aislantes Cuando se desea separar el elemento no estructural de la estructura principal, debe sellarse la separación de forma que se protejan los ambientes interiores de la intemperie y que en ambientes interiores no se transmita ruido y luz de un recinto a otro. Para ello deben utilizarse materiales lo suficientemente flexibles como para que el aislamiento estructural no se pierda.  No debe utilizarse poliestireno expandido (conocido comercialmente como Icopor o Porón). Pueden utilizarse sellos flexibles diseñados específicamente para juntas, pero deben colocarse de manera que su profundidad sea la mitad de su anchura, es decir, que la separación entre el elemento no estructural y la estructura debe ser siempre el doble que la profundidad del sello. Sello son diseñaos específicamente para juntas deben ensayarse en laboratorio antes de usarse. Es conveniente utilizar materiales resistentes al fuego, como lana mineral, en los vacíos de las  juntas, entre los sellos flexibles.

14.2.  Muros de mampostería De acuerdo con el diseño arquitectónico, los muros pueden adoptar numerosas configuraciones en planta, formando esquinas esquinas y topándose los unos con los otros. de tal manera, dos muros  pueden formar, en planta, cruces con formas en T, en L, o en cruz (+). Esta circunstancia puede aprovecharse en la construcción para obtener mayores rigideces obligando a los muros a trabajar en conjunto. En el caso de muros no estructurales que deben separarse de la estructura  principal, la l a co combinación mbinación del trabajo de los diferentes muros podría ser beneficiosa, siempre y cuando se conserve simetría para no causar torsiones y aleteos indeseables. De todas maneras, si se quiere el trabajo conjunto, los muros deben trabarse e las esquinas, reforzándolos cuando sea necesario. Así mism mismo, o, si se modelan los muros trabajando independientemente debe asegurarse que los muros no se traban ni conectan entre sí. Los muros no estructurales se separan de la estructura para que no interfieran con su comportamiento ante cargas sísmicas, pero deben proveerse con anclajes para que no se vuelquen fuera de su propio plano. Esto implica que los anclajes deben ser diseñados de manera tal que resistan las fuerzas de corte impuestas al elemento no estructural, sin transmitirle a la estructura fuerzas importantes que impidan su libre movimiento con relación al elemento no estructural. Las figuras 6 y 7 presentan dos alternativas adecuadas para lograr este cometido.

Las dos últimas hiladas no llevan mortero

Figura 6: Anclaje utilizando barra de refuerzo de sección circular.

14

 

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F. Universidad Nacional de Colombia

VIGA

PLETINA ULTIMA HILADA SIN RELLENO CELDA RELLENA

BARRA DE REFUERZO

  Figura 7: Anclaje utilizando pletinas

15.  Referencias. 1. NORMAS COLOMBIANAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONST CONSTRUCCIÓN RUCCIÓN SISMO RESISTENTE. Asociación de ingeniería sísmica AIS, Bogotá, Colombia. 2. GUIA PARA DISEÑO DE ELEMENTOS N NO O ESTRUCTURALES. ESTRUCTURALES. Asoc Asociación iación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS, 2002.

15