Fuerzas Sísmicas en Elementos no estructurales 3/5
- Ing. Javier Bobadilla
- 12 jun
- 5 Min. de lectura
Actualizado: 16 jun
Sección : Elementos no estructurales 3/5
Una vez que entendemos la importancia de los Elementos No Estructurales (ENE) y el comportamiento deseado (grado de desempeño), el siguiente paso crucial es cuantificar las fuerzas a las que estarán sometidos durante un sismo.
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Los sismos inducen vibraciones y aceleraciones en toda la edificación. Es fundamental entender que la aceleración que afecta a un ENE no es necesariamente la misma que se utiliza para el análisis sísmico de la estructura principal. De hecho, los ENE pueden experimentar amplificaciones significativas de la aceleración del piso en el que se encuentran.
¿Por qué es tan importante determinar las fuerzas sismicas ?
La importancia de determinar las fuerzas sísmicas en elementos no estructurales es tan crucial como su consideración en la estructura principal, aunque a menudo es un aspecto subestimado. Aunque estos elementos (como fachadas, cielorrasos, particiones, equipos mecánicos y eléctricos, y mobiliario fijo) no contribuyen directamente a la estabilidad global del edificio, su falla durante un sismo puede generar daños económicos significativos y, lo que es más grave, representar un alto riesgo para la vida de los ocupantes. Un terremoto no solo produce movimientos de la estructura, sino también aceleraciones y vibraciones que pueden desprenden o fracturar estos elementos, convirtiéndolos en proyectiles peligrosos o bloqueando rutas de evacuación. La integridad de sistemas vitales como los de extinción de incendios, energía eléctrica o comunicaciones también depende de su correcta sujeción sísmica.
Además de la seguridad, la adecuada consideración de las fuerzas sísmicas en elementos no estructurales impacta directamente en la funcionalidad y la resiliencia post-sismo de una edificación. Un hospital, por ejemplo, podría tener su estructura principal intacta, pero si sus equipos médicos se desprenden o sus sistemas de tuberías se rompen, el edificio queda inoperable. De manera similar, un edificio de oficinas o un centro de datos podrían sufrir pérdidas económicas considerables por el daño a equipos y mobiliario, incluso sin daño estructural mayor. Por lo tanto, el diseño sísmico de elementos no estructurales no solo busca proteger vidas, sino también asegurar la continuidad operacional y minimizar las pérdidas económicas tras un evento sísmico, un aspecto fundamental en la recuperación de las comunidades
Análisis en Profundidad
La metodología para calcular las fuerzas sísmicas horizontales de diseño (Fp) que actúan sobre los ENE se basa en la segunda ley de Newton (F=m*a) y considera varios factores clave, como se establece en el Reglamento NSR-10:
Aceleración sobre el Elemento No Estructural (ax): Esta es la aceleración horizontal que ocurre en el punto de apoyo o anclaje del ENE al sistema estructural. Su cálculo depende de la aceleración espectral de diseño (Sa), la aceleración máxima en la superficie del suelo (As), la altura del apoyo del ENE (hx), y la altura equivalente de la edificación (heq, aproximadamente el 75% de la altura total hn). Las ecuaciones varían si el ENE está por debajo o por encima de la altura equivalente. Por ejemplo, en un antepecho en un quinto piso de un edificio de seis, la ax se calcula con precisión considerando la ubicación del ENE.
Coeficiente de Amplificación Dinámica (ap): La fuerza que actúa sobre el ENE debe ser corregida por este "efecto dinámico". El ap refleja cómo las aceleraciones se amplifican o atenúan en el ENE con respecto a su punto de apoyo. Elementos rígidos o con masa cercana al apoyo experimentan una menor amplificación, mientras que elementos flexibles o con masa lejos del apoyo pueden ver sus aceleraciones aumentar significativamente. Los valores de ap se pueden obtener experimentalmente o de tablas en la NSR-10. Por ejemplo, para fachadas de mampostería reforzada apoyadas solo en la base, ap es 2.5; para muros divisorios de altura total, ap es 1.0; y para muros divisorios de altura parcial (como antepechos), ap es 2.5.
Coeficiente de Capacidad de Disipación de Energía (Rp): Este factor crucial indica la capacidad del elemento para disipar energía en el rango inelástico, es decir, su fragilidad o ductilidad. Un Rp bajo (cercano a 1.0) denota fragilidad y poca capacidad de disipación, mientras que un Rp mayor indica un comportamiento más dúctil del conjunto ENE-soporte. Al igual que ap, los valores de Rp se pueden determinar experimentalmente o tomarse de las tablas del reglamento, que varían según el tipo de ENE, el tipo de anclaje y el grado de desempeño requerido. Los tipos de anclaje incluyen:
Especiales (Rp=6): Para estructuras de acero con disipación especial de energía.
Dúctiles (Rp=6): Conexiones con anclajes profundos que usan químicos (epóxicos) o vaciados en sitio.
No Dúctiles (Rp=1.5): Conexiones con pernos de expansión, anclajes superficiales con químicos o vaciados en sitio, o anclajes por explosivos.
Húmedos (Rp=0.5): Cuando se usa mortero o adhesivos directos, sin anclaje mecánico resistente a tracción.
La Fuerza Sísmica Horizontal de Diseño (Fp) se calcula con la ecuación Fp = (ax ap / Rp) g * Mp, donde Mp es la masa del ENE. Es crucial que el valor de Fp no sea inferior a un valor mínimo, que considera el coeficiente de aceleración horizontal pico efectiva (Aa) y el coeficiente de importancia (I) de la estructura.
Finalmente, el Momento de Diseño (Mu) se determina en función del comportamiento del ENE: para antepechos (elementos en voladizo), el momento máximo se produce en la base; para muros divisorios o de fachada (elementos simplemente apoyados), el momento se calcula de manera diferente. Adicionalmente, elementos como los antepechos deben diseñarse para resistir fuerzas horizontales de empuje humano (1.00 kN/m) según el numeral B.4.2.2 de la NSR-10, y esta fuerza a menudo controla el diseño sobre las fuerzas sísmicas.
Recomendaciones y Consideraciones Prácticas
La determinación precisa de ax, ap, Rp y Fp es el pilar para un diseño seguro de los ENE. Este proceso es detallado y exige precisión y conocimiento normativo.
Para Diseñadores: La correcta interpretación de las tablas de la NSR-10 para ap y Rp es vital, especialmente cuando existen múltiples valores o criterios (como para anclajes dúctiles/no dúctiles). La masa del elemento (Mp), que se calcula en función de su altura, espesor y longitud aferente, es un dato fundamental. No subestime las cargas adicionales como el empuje humano en elementos como antepechos.
Para Constructoras y Supervisores: La exactitud en las dimensiones de los ENE y la calidad de los anclajes y materiales son directamente proporcionales a la validez de los cálculos del diseñador. Cualquier desviación puede comprometer la seguridad. Asegure la calidad del mortero y los adhesivos si se utilizan anclajes húmedos.
Para Estudiantes: Entender la interacción dinámica entre la estructura principal y los ENE es clave. La simplificación de las fuerzas a una "carga sísmica" no refleja la complejidad real; los coeficientes ap y Rp son el resultado de la investigación y la experiencia, y su correcta aplicación es un diferenciador profesional.
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