Optimización del Diseño de ENE: Eficiencia y Seguridad en la Práctica 5/5
- Ing. Javier Bobadilla
- 12 jun
- 5 Min. de lectura
Actualizado: 16 jun
Sección : Elementos no estructurales 5/5
Hemos recorrido la importancia de los Elementos No Estructurales (ENE), sus grados de desempeño y la mecánica de las fuerzas sísmicas. Ahora, es el momento de integrar estos conocimientos en la práctica de la ingeniería, centrándonos en la metodología de diseño y, crucialmente, en la optimización de costos sin comprometer la seguridad.
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En la práctica profesional, a menudo se cae en la ineficiencia de usar un mismo diseño para todos los ENE de un proyecto, sin considerar que las fuerzas sísmicas varían significativamente a lo largo de la altura de un edificio. La ingeniería moderna busca maximizar la eficiencia y la seguridad.
¿Por qué es tan importante establecer optimizar el diseño de ENE?
¿Por qué es tan importante optimizar el diseño de elementos no estructurales ?
el diseño de elementos no estructurales es de vital importancia porque busca un equilibrio crucial entre la seguridad, la funcionalidad y la economía de un proyecto. Un diseño optimizado no solo garantiza que estos elementos resistan las fuerzas sísmicas sin colapsar, protegiendo así vidas y evitando daños materiales costosos, sino que también lo hace de la manera más eficiente posible. Esto implica seleccionar los materiales adecuados, las conexiones apropiadas y los sistemas de anclaje que ofrezcan el mejor rendimiento ante las deformaciones y aceleraciones sísmicas, sin recurrir a soluciones excesivamente robustas o costosas que no aportan un beneficio adicional significativo en términos de seguridad. La optimización permite cumplir con los códigos y normativas de diseño sísmico de forma inteligente, evitando el sobredimensionamiento innecesario que puede incrementar drásticamente los costos de construcción.
Además, optimizar el diseño de elementos no estructurales tiene un impacto directo en la resiliencia operativa de las edificaciones y la sostenibilidad a largo plazo. Un enfoque optimizado considera cómo estos elementos contribuyen a la funcionalidad del edificio, asegurando que sistemas críticos como las instalaciones eléctricas, mecánicas y de comunicaciones permanezcan operativos después de un sismo. Esto es esencial para la recuperación rápida de las actividades y servicios, minimizando los tiempos de inactividad. La optimización también implica el uso eficiente de recursos y la reducción de residuos, ya que se busca la solución más efectiva con la menor cantidad de material. En resumen, un diseño optimizado no solo protege la vida y la inversión, sino que también contribuye a la creación de infraestructuras más duraderas, eficientes y preparadas para el futuro.
Análisis en Profundidad
El procedimiento de diseño de los ENE, según la NSR-10, es un proceso sistemático que incluye:
Definición de parámetros de entrada (localización, suelo, amenaza sísmica, grupo de uso, coeficiente de importancia I).
Análisis sísmico de la estructura (revisión de periodo fundamental y derivas, obtención de Sa).
Definición del grado de desempeño (Superior, Bueno, o Bajo).
Especificación del criterio de diseño (separado de la estructura o que admita deformaciones).
Definición del tipo de anclaje, que determina el coeficiente de capacidad de disipación de energía Rp.
Cálculo de As y Aa.
Establecimiento del coeficiente de amplificación dinámica ap.
Definición del método de refuerzo (dovelas o columnetas).
Cálculo de la aceleración horizontal ax para cada nivel.
Cálculo de la masa del ENE (Mp).
Cálculo de la fuerza sísmica horizontal (Fp) para cada nivel.
Cálculo del momento último actuante (Mu) (como voladizo para antepechos o simplemente apoyada para muros divisorios/fachadas).
Cálculo de la cuantía y el acero requerido (As_req).
Verificación del acero suministrado (As_sum / As_req > 1).
Establecer la configuración final del acero de refuerzo.
Caso de Estudio y Optimización de Costos: Un ejemplo práctico de diseño para un edificio de 6 pisos en Bogotá (Grupo de Uso IV, que exige desempeño Superior y criterio "separados de la estructura") ilustra la importancia de la optimización. Se analizaron antepechos y muros divisorios utilizando dovelas (anclajes en celdas de bloques) y columnetas (elementos de concreto confinados).
Para los antepechos, se observó que la aceleración horizontal (ax) es mayor en los pisos superiores. Utilizando dovelas, una barra #3 (área 0.71 cm²) fue más que suficiente en todos los niveles (requerido hasta 0.10 cm²). La clave de la optimización radica en ajustar la distancia entre anclajes: en la cimentación, anclajes cada 2.72 m son suficientes, mientras que en la cubierta se necesitan cada 0.85 m. Esto evita el sobredimensionamiento innecesario. Con columnetas, una barra #3 también fue suficiente en todos los niveles, manteniendo una relación As_sum/As_req adecuada (1.59 en cimentación y 1.41 en cubierta).
Para los muros divisorios, que se comportan como vigas simplemente apoyadas, el ap es 1.0 y el Rp (para anclaje no dúctil) es 1.5. Con dovelas, una barra #4 (1.29 cm²) fue suficiente, pero la distancia entre anclajes debía reducirse en la cubierta (a 0.17 m) debido a las mayores fuerzas sísmicas, mientras que en niveles inferiores se podían usar distancias mayores (ej. 0.85 m en cimentación). Con columnetas, dependiendo del nivel, se necesitaron una, dos o tres barras #4 por columneta.
El análisis de costo reveló que la práctica común de usar un diseño uniforme para todos los ENE es ineficiente. Al variar el refuerzo según la altura (ya que la fuerza sísmica aumenta con ella), se logran ahorros significativos:
La conclusión es contundente: utilizar barras #3, optimizando las distancias entre anclajes por nivel, puede reducir el costo total casi a la mitad en comparación con el uso de barras #5 para el mismo tipo de muro. Este es un claro ejemplo del valor inmenso que un diseño detallado y optimizado puede aportar.
Recomendaciones y Consideraciones Prácticas
Para Diseñadores: La adopción de software de diseño específico para ENE puede automatizar cálculos complejos y facilitar la optimización, permitiendo explorar diversas configuraciones para encontrar la más económica y segura. No subestime el impacto económico de un diseño no optimizado.
Para Constructoras: Un adecuado seguimiento y control de calidad son vitales para garantizar que los procesos constructivos se ejecuten según el diseño optimizado. Un mal proceso puede llevar al deterioro y comprometer la seguridad.
Retos Futuros: A pesar de los avances, un riesgo latente persiste en muchas estructuras existentes en Bogotá construidas antes de 1998, ya que la mejora estructural no siempre se tradujo en una mejora en el comportamiento de los ENE. Es crucial realizar estudios de patologías en estas edificaciones. Además, la ingeniería debe seguir innovando con nuevos materiales, como el Drywall, que representan alternativas más ligeras y rápidas para elementos divisorios. La investigación continua y la aplicación rigurosa de los reglamentos son la clave para construir edificaciones más seguras y resilientes para el futuro.
Espero que este contenido sea de gran valor para el blog "INGENIERÍA ESENCIAL", brindando a la audiencia una comprensión profunda y práctica sobre la relevancia crítica de los Elementos No Estructurales en la seguridad sísmica.
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