AIS 702-24 REQUISITOS DE DISEÑO SISMICO PARA EDIFICACIONES CON DISIPADORES DE ENERGÍA

 

El documento AIS 702-24, emitido por la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS), establece los requisitos de diseño sísmico para edificaciones con disipadores de energía. Esta normativa de 2024 tiene como propósito ofrecer un marco técnico detallado para la incorporación de dispositivos que mejoran la respuesta de las estructuras ante la actividad sísmica. El texto abarca desde definiciones fundamentales y especificaciones de la estructura principal hasta rigurosos métodos de análisis para evaluar el desempeño sísmico, como el método dinámico cronológico inelástico. Además, el documento fija los criterios de aceptación esenciales para estos dispositivos, basándose en ensayos de laboratorio y pruebas de prototipos que garantizan su durabilidad y correcto funcionamiento.

A continuación una infografía de la metodología del Documento.

A continuación presento un resumen técnico y detallado del documento AIS 702-24: Requisitos de Diseño Sísmico para Edificaciones con Disipadores de Energía, estructurado por sus componentes normativos principales.

1. Alcance y Contexto (Prefacio y Capítulo 1) El documento establece la normativa colombiana para el diseño, análisis y pruebas de edificaciones equipadas con sistemas de disipación de energía (SDE). Fue desarrollado por el comité AIS 700 siguiendo lineamientos de la ASCE 7-16 y FEMA 450. Define dos niveles de amenaza sísmica cruciales para el diseño: el Sismo de Diseño (DE) y el Sismo de Máxima Capacidad (SMC), este último definido en el Capítulo A.2 de la Norma AIS 100-24.

2. Requisitos Generales de Diseño (Capítulo 2) Establece que la estructura principal y el SDE deben trabajar conjuntamente. Puntos clave incluyen:

• Comportamiento Elástico: Los disipadores y sus conexiones deben diseñarse para permanecer elásticos o no fallar bajo las cargas del SMC. Elementos controlados por fuerza requieren un incremento del 20% en las fuerzas de diseño respecto a la respuesta promedio del SMC.

• Variabilidad de Propiedades (λ): No se permite diseñar con un valor único. El ingeniero debe calcular factores de modificación (λ) para determinar propiedades máximas y mínimas de los disipadores, considerando efectos de envejecimiento, temperatura y variaciones de fabricación (Ec. 2-3a y 2-3b).

• Cortante Mínimo (V min): Se imponen límites al cortante basal de diseño, impidiendo reducciones excesivas por el uso de amortiguamiento.

3. Metodología de Análisis (Capítulo 3 y 7) La norma prioriza el análisis riguroso pero permite métodos simplificados bajo condiciones estrictas:

• Método Dinámico Cronológico Inelástico (Capítulo 3): Es el método estándar. Requiere modelación explícita de la histeresis de los disipadores utilizando al menos 7 pares de registros de movimiento del terreno (rotados si están cerca de fallas).

• Métodos Alternativos (Capítulo 7): El Análisis Dinámico Elástico Espectral y la Fuerza Horizontal Equivalente solo se permiten si:

    1. El amortiguamiento efectivo total (βmD) es ≤35%.

  2. Existe redundancia (mínimo 2 disipadores por piso en cada dirección configurados para resistir torsión).

4. Criterios de Aceptación (Capítulo 4) Para el método inelástico, se evalúa el desempeño bajo el SMC. Las derivas de piso máximas no deben exceder 1.5 veces los límites de la norma AIS 100-24, con un tope absoluto del 3%.

5. Validación Experimental (Capítulo 6) El diseño teórico debe validarse mediante ensayos físicos obligatorios:

• Ensayos de Prototipo: Deben someterse a secuencias de carga que incluyen ciclos de viento, 5 ciclos al desplazamiento de diseño (DE) y 3 ciclos al desplazamiento máximo (SMC).

• Criterio de Aceptación: Las propiedades efectivas (rigidez, área de histéresis) no deben variar más del 15% respecto a los valores nominales o promedios.

• Ensayos de Producción: Se requiere probar los dispositivos que serán instalados en la obra para asegurar control de calidad.

6. Definición de Parámetros (Anexo/Definiciones) Proporciona ecuaciones detalladas para calcular el amortiguamiento viscoso, histéresis, fuerzas modales y desplazamientos para los métodos simplificados, considerando la interacción entre la estructura principal y el sistema de disipación.

En conclusión, la AIS 702-24 transforma el uso de disipadores de una "adición opcional" a un sistema rigurosamente regulado que exige considerar la incertidumbre de los materiales (factores λ) y la supervivencia del sistema ante sismos extremos (SMC) mediante ensayos de laboratorio y modelación avanzada.

TENSEGRIDAD. ESTRUCTURAS TENSEGRÍTICAS

La “tensegridad” combina elementos rígidos (barras y vigas) y flexibles (cables) para crear estructuras que se sostienen mediante un equilibrio entre tensión y compresión. Este principio permite diseños ligeros, desafiando las formas tradicionales de construcción y distribución de cargas.

Las estructuras tensegríticas destacan por su ligereza y capacidad para absorber vibraciones. Su estabilidad se debe al equilibrio interno de fuerzas, lo que las hace ideales para aplicaciones arquitectónicas, artísticas y científicas.

No las confundan con las “Tenso-Estructuras”. A diferencia de las tenso-estructuras, que dependen de cables tensados para soportar cargas externas, las estructuras de tensegridad son sistemas cerrados donde la tensión y compresión están en equilibrio interno, sin necesidad de anclajes externos.

Ejemplos destacados de estas estructuras incluyen los mostrados en el video (incluyendo la mesa de Paco 😅) pero como todo en ingeniería, también se observa en la naturaleza, como en los modelos celulares y tejidos biológicos.

Las estructuras tensegríticas fueron creadas por Kenneth Snelson (escultor) en la década de 1940, quien construyó las primeras obras basadas en el equilibrio de tensión y compresión. Sin embargo, el término "tensegridad" fue acuñado y popularizado por el arquitecto Buckminster Fuller, quien desarrolló la teoría detrás del concepto. Aunque hubo controversias, Snelson es reconocido como el inventor físico y Fuller como el teórico del sistema.

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ANCLAJES ESTRUCTURALES DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES

 

Los anclajes para elementos no estructurales son fundamentales para garantizar la seguridad y estabilidad de cielos rasos, ductos, muebles y otros elementos. Estos anclajes deben ser diseñados y instalados de acuerdo con las normativas y estándares locales e internacionales.

Los anclajes químicos, expansivos y de pólvora son los más comunes para elementos no estructurales. Los anclajes químicos utilizan adhesivos especiales. Los anclajes de expansión utilizan un mecanismo de expansión para fijar el elemento una vez está dentro del material a fijarse. Los anclajes de pólvora son básicamente clavos que usan el impacto de la pólvora para clavarse en el material. En el video vemos los expansivos y de pólvora, los químico los veremos en otra ocasión.

Estos anclajes deben ser capaces de resistir las cargas y fuerzas que actúan sobre el elemento no estructural, incluyendo las cargas sísmicas. Durante un sismo puede no colapsar la estructura pero un elemento no estructura puede causar muertes igualmente.

La normativa ASCE 7, ACI 318 y el Código Internacional de Edificios (IBC) establecen los requisitos para el diseño y la instalación de anclajes para elementos no estructurales, aunque siempre debes cosultar la normativa local.

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IZADO DE ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN - ESTRUCTURAS METÁLICAS

El izado de materiales y elementos, especialmente de estructura metálica es crucial en la construcción de edificios y estructuras, involucrando levantar, mover y posicionar componentes pesados en el sitio de construcción. Este proceso requiere una planificación meticulosa, incluyendo la evaluación del sitio, selección de la maquinaria adecuada (grúas), la capacitación del personal y el uso de elementos de protección personal (entre ellos arneses).

La preparación de materiales implica asegurar correctamente las cargas y garantizar la distribución uniforme del peso para evitar movimientos inesperados durante el izado. La ejecución de izado debe realizarse de manera controlada, manteniendo comunicación entre los miembros del equipo y supervisando continuamente el proceso. Una vez levantados, los elementos deben posicionarse con precisión y fijarse temporalmente antes de realizar las conexiones definitivas.

La AISC proporciona estándares y especificaciones cruciales para la seguridad y eficiencia en el izado de estructuras metálicas. Documentos como el AISC 360 "Specification for Structural Steel Buildings" y el AISC 303 "Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges" ofrecen directrices sobre el procedimiento de izado.

La seguridad es una prioridad durante el izado, pero como vemos en el video, el primo de Paco no se toma en serio su vida, haciéndolo de una manera absurdamente peligrosa yéndose sobre el elemento izado. Los trabajadores deben usar el equipo de protección personal adecuado y no generar acciones inseguras, para minimizar riesgos y asegurar la integridad del proceso.

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CUANDO LAS ESTRUCTURAS CAEN: REGISTRADO EN VIDEO COLAPSO DE NAVE INDUSTRIAL EN TEXAS

En abril de 2015 en la Escuela Superior Argyle en Texas se registró el colapso de una nave industrial de grandes luces, la cual estaría realmente destinada para el uso deportivo del instituto.

Colapsó en el proceso de construcción, a las 07:30am ante unas ráfagas de viento de bajas velocidades. El hecho produjo un (1) muerto y tres (3) heridos. 

La estructura, enteramente en perfiles metálicos, era parte de un paquete de bonos de $ 45 millones para mejorar las instalaciones deportivas de la Escuela. La construcción  fue hecha por Northstar Group Constructores y había estado en marcha durante unos tres meses. 

A continuación se muestra el video del colapso donde se puede notar cómo pórtico tras pórtico se va desmoronando.

¿Qué causó el colapso?

¿Fue error de diseño? NO. El colapso fue debido a que torpemente el constructor no había colocado ninguno de los arriostramientos ni en los laterales ni el techo, haciendo terriblemente inestable la estructura ante el viento. Un error que cualquier estudiante de ingeniería hubiese detectado.

Otro elemento estructural que ayudó al colapso fue el hecho de que las columnas no eran prismáticas, trayendo como consecuencia que los momentos flectores en las bases de las columnas fueran muy pequeños en ambas direcciones, no extrañando que las platinas de anclaje se hayan diseñado a sólo carga axial sin considerar nada de momento (práctica común en éste tipo de estructuras).  Esa hipótesis trabaja bien siempre los pórticos tengan sus arriostramientos y contravientos colocados.

Como podemos destacar, se cumple aquella máxima que cita: "Las estructuras no se comportan como se modelan, sino como se construyen".

¿Qué aprendimos con éste hecho?

Que es importante que al constructor sepa los principios de un correcto montaje de estructura metálica, el no colocar los arriostramientos sino al final de la construcción fue un error garrafal. Siempre se deben arriostrar las estructuras metálicas, sino harán de las suyas nuestras amigas las cargas de viento. Otro caso parecido sucedió con "LA ESCOLLERA" un edificio en Cartagena de Indias, el cual además de tener errores en las conexiones, no estuvo arriostrado. Por supuesto colapsó. Pero esa, es otra historia. Hasta el próximo artículo mensual.

CUANDO LAS ESTRUCTURAS "NO QUIEREN" CAER: CASO DEL PUENTE BROADWAY (OCTUBRE 2016)

Figura 1. Vista de la detonación controlada.

   Por lo general se plantean en éste Blog casos de estructuras que caen antes que el estimado de su vida útil haya llegado.  Sin embargo, el día de hoy se plantea un caso un tanto opuesto, pues se trata de una estructura que se trató de demoler y se resistió al proceso de implosión al cual fue sometida.

   El caso en específico ocurrió ésta semana y se trata del puente Broadway en Arkansas, USA.  Las autoridades del estado intentaron demoler el puente de 93 años de edad, el cual une el sur y el centro de la capital del estado, Little Rock, con una carga de explosivos.

   El puente era de estructura metálica (acero) con uniones empernadas, específicamente un puente de arco con tablero intermedio. De más está comentar la alta resistencia que presentan las estructuras bien diseñadas en arco.

   Bien, resulta que el estallido sólo debilitó los miembros del puente y luego los obreros debieron pedir la ayuda de una grúa la cual finalmente logró hacer caer la construcción.

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Video 1. Implosión del puente

   Tomó casi cinco horas, pero el puente finalmente cayó en la tarde  del martes 11-10-2016. Los ingenieros encargados manifestaron que se hizo el procedimiento correcto, pero que simplemente la estructura no cayó.

Video 2. Caída efectiva del puente.

   Da para reflexionar el que algunas estructuras de muchos años se resistan a caer y otras más recientes, simplemente caen. Demostración que los principios estructurales originarios y de sentido común siguen vigentes actualmente. Hasta una próxima publicación.