Antes que todo, podemos iniciar indicandote que es un artículo sencillo donde conversaremos un poco de lo más común sobre el tema, a su vez podemos empezar recordando que el término “sismorresistente” en el mundo se vuelve conocido o popular a partir del año 1985 con diferentes estudios realizados en los daños producto de sismos muy conocidos hoy en día como el de México 1985, Japón 1998 y otros hasta el año 2000, donde se crean los primeros códigos en los cuales se utiliza el término sismorresistencia.
¿Qué es la sismorresistencia?
Podemos empezar diciendo que un edificio sismorresistente es un edificio con las capacidades y características necesarias que le permitirá tener la ductilidad suficiente para poder disipar energía.
En América al menos en la parte con alta sismicidad, el sistema de diseño general para estructuras es un sistema aporticado resistente a momentos, básicamente compuesto de tres elementos principales: columnas(1), vigas(2) y nudos(3) como se ve en la figura continua, siendo este último por obligación el más fuerte también denominado nudo fuerte.
Dicho sistema se ha ido perfeccionando a medida que ha ido avanzando el estudio de los elementos ante la incidencia sísmica analizadas como cargas laterales para los modelos matemáticos. El código que nos da las bases y lineamiento para el diseño y chequeo de los elementos es el ACI 318 en su capítulo sobre la sismorresistencia, en el caso de ACI 318 – 19 hablamos del capítulo 18.
¿Cuál es el objetivo de la sismorresistencia?
El objetivo de la sismorresistencia es el diseño dúctil de los elementos mencionados anteriormente enfocándonos de la siguiente forma: nudo fuerte, principalmente mucho más que la columna y posterior a esto cumplir el criterio de columna fuerte – viga débil; esto se debe a que en un movimiento sísmico (comúnmente también llamado terremoto) no podemos permitir que el nudo ni la columna falle, de tal forma que las rotulas plásticas con las que se diseña la estructura solo se presenten en las vigas, garantizando así la seguridad de la estructura para salvaguardar la vida del mayor número de personas.
¿Por qué colapsa una estructura?
Recordemos que una estructura no se analiza como un conjunto de elementos independientes y tampoco trabaja de esa manera, trabaja todo en conjunto. Una estructura puede fallar por muchos factores, pero el principal en lo que corresponde a las cargas laterales es porque un nudo ha fallado o una columna ha colapsado y esto en muchas ocasiones se deben a malos diseños o armados en los nudos y/o columnas.
Sepamos que los fallos más conocidos en estos elementos son dos: por flexión y por corte, siendo este último el más crítico, mismo que, el profesional de la ingeniería debe estar preparado para afrontar y nunca permitir dicho fallo.
¿Qué es un elemento dúctil?
No cualquier elemento diseñado por un ingeniero es dúctil precisamente, también pueden ser elementos frágiles si no se los diseña con el conocimiento suficiente para darle esta característica al material.
Podemos decir que un material, elemento o estructura es dúctil cuando este tiene la capacidad de deformarse de manera inelástica y aun así conserva la rigidez y una resistencia óptima, los términos “elástico” “inelástico” hacer mucha referencia a la ley de Hooke; se dice que un elemento que se deforma en el rango elástico, al dejar de aplicar la fuerza que lo deforma este vuelve a su estado inicial, en cambio en el rango inelástico, una vez retirada la fuerza que lo deforma no tendrá la capacidad de volver a su estado inicial al 100% es decir, quedará con una deformación.
El concreto es un elemento muy dúctil si trabaja a compresión, pero existe un problema con este elemento, es muy malo trabajando a tracción, por lo tanto, se puede decir que es frágil para estas fuerzas, cosa que no sucede con el acero que es dúctil tanto a compresión como a tracción.
Ductilidad en columnas
Los elementos como columnas para considerarse dúctil si trabajamos con hormigón armado que es lo más común, debe estar en una relación ya establecida por el código ACI – 318, de forma general se indica que la cuantía de acero dentro de una columna puede estar entre el 1% y el 8% del área de la columna, considerando en el último valor, el área de la sección de la columna con un 100% de traslapes a pesar de no ser permitida esta práctica, para simplificar recomienda que la cuantía límite para el uso en columnas es del 4%.
Para zonas sísmicas el ACI 318 recomienda una disminución en el límite superior, dándonos así la recomendación del 1% al 6% del área de la sección de la columna, siendo la condición de este último valor la misma que la anterior, es decir, el límite máximo en un área sin traslapes sería el 3% de la sección de hormigón, recomendación que también nos dan algunas normas entre ellas la norma ecuatoriana, chilena, peruana, entre otras; incluso te indican que si posees más del 3% es obligación mostrar los planos detallados de la estructura.
Ductilidad en vigas
Para las vigas en cambio varían los porcentajes pues aquí si estamos hablando de una cuantía mínima que depende de: el área de la sección, la resistencia del hormigón (recomendado 210 Kg/cm2) y la resistencia de las varillas de acero (comercialmente de 4200kg/cm2).
La recomendación es que constructivamente las vigas deben tener dos aceros en la parte superior y dos aceros en la parte inferior, el código nos indica que el máximo porcentaje a usar de refuerzo a tracción para varillas de 4200kg/cm2 o 420MPa es 2.5% de la sección de la viga, sin embargo como indiqué al inicio, lo mejor que podemos hacer es calcular nuestros límites tanto en columnas como en vigas y posterior la solicitación de acero, así conoceremos si es necesario modificar la sección de hormigón o quedarnos con nuestro predimensionamiento.
Sismo 16-A en Ecuador
Cuando ocurrió el sismo del 16 de abril de 2016 yo era un estudiante de la Universidad de Manta, mis conocimientos en el tema eran limitados y conocía muy poco, ahora comprendo mucho mejor el tema que en aquellas fechas.
Las áreas de mayor afectación en su mayoría coincidían con las zonas centrales de las ciudades afectadas, sinónimo de estructuras muy antiguas, por lo tanto la mayoría era construídas antes de 1985, es decir con conocimientos de sismorresistencia nulos, a pesar que lo haya diseñado el mismo Alejandro Segovia (un docente de la ESPE muy reconocido y respetado mientras ejerció y actualmente por sus aportes y conocimientos en temas estructurales en el país), esto quiere decir que tal vez las estructuras eran muy frágiles y poco dúctiles.
Esos elementos frágiles (en su mayoría nudos mal armados o columnas mal diseñadas) fueron los que produjeron el colapso de muchas estructuras en aquella fecha citada, ¡claro!, esto consigo también trajo otros criterios de los maestros y personas que no creen necesaria la contratación de un ingeniero o arquitecto para sus obras indicando que:
“Ahora nosotros construimos obras sismorresitentes, porque le ponemos un saco más de cemento a la mezcla y le aumentamos las varillas a las secciones”
Esto escuché en varios lugares y los dueños de las obras les creyeron porque no conocían este concepto de ductilidad que yo conozco y ahora tú como lector conoces.