Fundamentos de Ingeniería Estructural: Propiedades, Durabilidad y Detallado Sísmico

Propiedades Mecánicas Fundamentales de las Estructuras

A continuación, se definen los conceptos esenciales que rigen el comportamiento de los elementos estructurales:

• Resistencia: Máximas tensiones que puede soportar una estructura ante una condición de carga.
• Rigidez: Oposición de un elemento a ser deformado. Depende del módulo de elasticidad, la altura, la inercia y las condiciones de borde. (Un ciclo depende de la masa y la rigidez).
• Ductilidad: Capacidad que posee una estructura para incurrir en deformaciones alternantes en el dominio inelástico, sin pérdida apreciable de su capacidad resistente.
• Tenacidad: Capacidad de disipar energía manteniendo un comportamiento histerético (recuperación incompleta de deformaciones debido al consumo de energía) estable. Mientras más tenaz sea la estructura, menos susceptibles serán los efectos de la falla repentina de componentes no estructurales.
• Dúctil: Alta capacidad de disipar energía y de deformación inelástica. Presenta daño controlado y deformación remanente.
• Frágil: Baja capacidad de disipar energía y de deformación elástica. Conduce a una falla súbita.

Dinámica Estructural y Disipación de Energía

La comprensión de las fuerzas dinámicas es crucial en el diseño sísmico:

• La fuerza de inercia es proporcional a la masa y a la aceleración.
• La fuerza de resorte es proporcional a la rigidez (K) y al desplazamiento.

Las estructuras disipan energía porque entran en un rango no lineal que depende de la ductilidad. El detallado del acero y el buen amarre de las cabillas en los nodos colaboran directamente en la ductilidad.

Efecto del Recubrimiento en la Resistencia y Flexibilidad

Si se aumenta el recubrimiento sin aumentar las dimensiones de la sección, la resistencia se reduce en un 30% y la estructura se vuelve un 50% más flexible.

Durabilidad del Concreto y Corrosión del Acero

Recubrimientos Mínimos

El recubrimiento es fundamental para proteger el acero de refuerzo:

• En terreno: 7,5 cm.
• Exteriores (expuestos a lluvia): 5 cm.
• Mínimo general: 4 cm.

Carbonatación y Clases de Exposición

La Carbonatación ocurre cuando el dióxido de carbono (CO₂) del aire reacciona con la humedad dentro del concreto, disminuyendo su alcalinidad (pH). No hacen falta cloruros ni condiciones extremas para que ocurra corrosión. Las clases de exposición se relacionan con la probabilidad de que ocurra carbonatación. La carbonatación alcanza la cabilla y ocurre corrosión, ya sea por la relación agua/cemento (a/c) o por un recubrimiento mínimo insuficiente.

Motivos de Corrosión y Medidas de Prevención

Los principales motivos de corrosión son la carbonatación y la presencia de cloruros, además de los efectos del vaciado y la exposición al medio ambiente.

Medidas de Prevención de la Corrosión:

1. Diseño adecuado del concreto (relación a/c y recubrimiento mínimo).
2. Curado adecuado. (Un curado deficiente puede formar una red de poros, facilitando el ataque de agentes corrosivos al acero).
3. Uso de inhibidores de corrosión.
4. Acero de refuerzo resistente a la corrosión.

Nota: Cuando la relación a/c es baja, se deben añadir aditivos para que la mezcla sea manejable sin necesidad de agregar agua adicional.

Reglas de Detallado de Refuerzo y Comportamiento Estructural

Detallado de Cabillas (Barras de Refuerzo)

Las longitudes de desarrollo (D) recomendadas son:

• 6db para barras #3 a #8.
• 8db para barras #9 a #11.
• 10db para barras #14 a #18.

Restricciones de Empalmes:

• No se permiten empalmes en nodos.
• Solo se permite solape en el tercio central de las columnas.
• La separación (S) de estribos debe ser menor a d/4 o 10 cm.

El Fenómeno de la Columna Corta

La Columna Corta comienza a interactuar con las paredes adyacentes, llevando a la estructura a un mecanismo frágil al romperse la pared. El acero no desarrolla su mecanismo dúctil, sino que el concreto falla primero. Este fenómeno restringe el desplazamiento lateral del cuerpo de la columna, concentrando todo el esfuerzo en su parte libre.

Principios de Diseño Estructural Sísmico

Escalas de Dibujo Recomendadas

• Detalle: 1:20, 1:25.
• Plantas y Secciones: 1:50, 1:100.

Mandamientos del Diseño Sismorresistente

El diseño debe priorizar:

1. Estructura liviana.
2. Diseño simple, simétrico y regular.
3. Uniformidad y continuidad en masa, rigidez, resistencia y ductilidad.
4. Luces cortas y volados reducidos.
5. Detallado que permita el control y la jerarquía del comportamiento inelástico.

Nota sobre Rigidez: Donde hay mayor densidad de paredes y columnas más rígidas se concentra el centro de rigidez. La estructura pasa a tener tres grados de libertad y libera torsión si el centro de masa no coincide con el centro de rigidez.

Espectro Inelástico

En el diseño basado en el Espectro Inelástico, se reducen las fuerzas sísmicas, asumiendo que la estructura superará el rango elástico y disipará energía, por lo que deberá ser lo suficientemente dúctil.

Factores que Afectan el Modelo Estructural

• Configuración arquitectónica y estructural.
• Calidad constructiva.
• Nivel de diseño.
• Detallado estructural (ductilidad).

Diferencia conceptual: El Peso se relaciona con las acciones gravitacionales; la Masa se relaciona con las acciones sísmicas.

Detallado Específico del Acero de Refuerzo

Acero en Viga

• El diámetro (d) del estribo no debe ser menor a 3/8”.
• El primer estribo debe ubicarse a 5 cm de la cara del apoyo.
• En la cara de los apoyos, el acero inferior debe ser tal que la capacidad para resistir momentos positivos sea por lo menos la mitad de la capacidad para resistir momentos negativos (A_{s inf} = A_{s sup} / 2).

Acero en Columnas

• Fuera de la zona confinada, la separación (S) máxima será el menor valor entre 6 veces el diámetro de la barra longitudinal (6db) o 15 cm.

Ganchos y Ligaduras

Los ganchos de las ligaduras deben ser a 135° y su longitud debe ser el mayor valor entre 6 veces el diámetro de la barra (6db) o 7,5 cm.