Proceso de diseño sísmico de edificios según el EC8

Conozca las verificaciones obligatorias del Eurocódigo 8 y las herramientas CSI que puede utilizar

Como es ampliamente reconocido, los programas CSI, concretamente SAP2000 y ETABS, tienen características de análisis y post-procesamiento de resultados muy útiles para el análisis sísmico de estructuras.

Sin embargo, en el caso específico del diseño sísmico de edificios de hormigón armado según el Eurocódigo 8, existen múltiples comprobaciones de ductilidad que dependen de detalles específicos del armado de pilares, vigas y muros que no están definidos en los modelos SAP2000 o ETABS.

Teniendo en cuenta que normalmente el análisis y el detallado de las estructuras son fases distintas del proceso de diseño que requieren distintas interfaces y herramientas, la incorporación de todas estas funciones en un único software daría lugar a una mala experiencia de usuario y a una menor productividad.

La aplicación VIS fue concebida precisamente con la intención de ampliar las capacidades de dimensionamiento de hormigón armado, sin interferir negativamente en la experiencia de uso del programa de análisis. Tras la importación inicial del modelo SAP2000 o ETABS, VIS permite realizar el proceso de detallado de las armaduras de forma independiente en una interfaz dedicada, donde llevar a cabo todas las verificaciones de los Eurocódigos 2 y 8 relativas a los armados de pilares, vigas y muros.

Esta metodología de trabajo tiene también la ventaja de requerir menos licencias de SAP2000 y ETABS para un determinado equipo de proyectistas, ya que mientras un usuario trabaja con VIS, tras la importación inicial del modelo, no necesita ocupar la licencia del programa de análisis.

Con este artículo pretendemos ayudar al proyectista a elegir las herramientas de los programas CSI más productivas y adecuadas para cada una de las siguientes etapas del diseño sísmico de edificios de hormigón armado:

• Proceso iterativo de análisis y pre-dimensionamiento;
• Dimensionamiento detallado de armaduras y comprobaciones de ductilidad local.

 

Proceso iterativo de análisis y pre-dimensionamiento

Este proceso de diseño sísmico según el Eurocódigo 8 puede dividirse en 8 pasos:

1. Pre-dimensionamiento del Edificio para cargas gravitatorias y de viento
2. Estudio Sísmico Preliminar
3. Cálculo del coeficiente de comportamiento
4. Control de la contribución de los elementos secundarios a la rigidez lateral del edificio
5. Determinación de la acción sísmica
6. Pre-dimensionamiento de los elementos sismorresistentes primarios
7. Pre-dimensionamiento de los elementos sismorresistentes secundarios
8. Validación de la solución

Estos 8 pasos pueden llevarse a cabo íntegramente con el programa de análisis (SAP2000 o ETABS) y un algún post-procesamiento sencillo en hojas de cálculo.

 

1 - Pre-dimensionamiento del Edificio para cargas gravitatorias y de viento

• SAP2000
  • Pilares y Vigas – Concrete Frame Design
  • Losas – Shell Reinforcement Design
  • Muros – Section Cuts + post-procesamiento o Shell Reinforcement Design

 

• ETABS
  • Pilares y Vigas – Concrete Frame Design
  • Losas – Concrete Slab Design
  • Muros – Shear Wall Design

 

2 - Estudio Sísmico Preliminar

• SAP2000 e ETABS
  • Comprobar si es un péndulo invertido – Usar salida de masas ensambladas
  • Comprobar si es un sistema flexible a torsión – Consultar modos de vibración

 

3 - Cálculo del coeficiente de comportamiento (ver diagrama de flujo en anexo)

• SAP2000 e ETABS
  • Clasificar el sistema estructural en ambas direcciones – Usar Section Cuts para extraer la información relevante
  • Calcular el coeficiente kw para ambas direcciones en sistemas de muros – Cálculo basado únicamente en datos geométricos del modelo
  • Comprobar si es regular en planta, en altura y el coeficiente αu/α1 – Consultar rigidez y masa de cada planta y en algunos casos utilizar un análisis pushover para justificar un αu/α1 superior a 1.3

 

4 - Control de la contribución de los elementos secundarios a la rigidez lateral del edificio

• SAP2000
  • Comparar los desplomes obtenidos con el modelo global sísmico y con el modelo sísmico primario – Utilizar sub-modelos y Generalized Displacements

 

• ETABS
  • Comparar los desplomes obtenidos con el modelo global sísmico y con el modelo sísmico primario – Utilizar sub-modelos y salida de Drifts o Story Stiffness

 

5 - Determinación de la acción sísmica

• SAP2000
  • Análisis de fuerza lateral – Usar Seismic Load Pattern para introducción automática de las cargas con distribución en altura según el punto 4.3.3.2.3 (3) del EC8, incluyendo la excentricidad accidental de la masa calculada automáticamente en función de las dimensiones de los diafragmas
  • Análisis modal mediante espectros de respuesta – Usar Load Case del tipo Response Spectrum, aprovechando los espectros del EC8 disponibles, con combinación modal, direccional y excentricidad accidental de la masa según lo recomendado por el EC8. Existe también la posibilidad de incluir diferentes amortiguamientos para cada tipo de material del modelo, con corrección automática del espectro para cada modo.
  • Comprobar si es necesario tener en cuenta los efectos P-Delta – Usar Section Cuts y Generalized Displacements

 

• ETABS
  • Análisis de fuerza lateral – Usar Seismic Load Pattern para introducción automática de las cargas con distribución en altura según el punto 4.3.3.2.3 (3) del EC8, incluyendo la excentricidad accidental de la masa calculada automáticamente en función de las dimensiones de los diafragmas
  • Análisis modal mediante espectros de respuesta – Usar Load Case del tipo Response Spectrum, aprovechando los espectros del EC8 disponibles, con combinación modal, direccional y excentricidad accidental de la masa según lo recomendado por el EC8. Existe también la posibilidad de incluir diferentes amortiguamientos para cada tipo de material del modelo, con corrección automática del espectro para cada modo.
  • Comprobar si es necesario tener en cuenta los efectos P-Delta – Usar salida de Story Forces y Drifts para una comprobación casi inmediata

 

6 - Pre-dimensionamiento de los elementos sismorresistentes primarios

• SAP2000
  • Pilares y Vigas – Concrete Frame Design
    • Asignar Framing Type = DCM o DCH a todos os los elementos primarios
    • Usar End-Length Offsets para un cálculo correcto de las longitudes libres de pilares y vigas
    • Introducir la armadura real en los pilares (Reinforcement to be Checked) y en los extremos de las vigas (Overwrites for Ductile Beams)
  • Muros – Section Cuts + post-procesamiento

 

• ETABS
  • Pilares y Vigas – Concrete Frame Design
    • Asignar Framing Type = DCM o DCH a todos os los elementos primarios
    • Usar End-Length Offsets para un cálculo correcto de las longitudes libres de pilares y vigas
    • Introducir la armadura real en los pilares (Reinforcement to be Checked) y en los extremos de las vigas (Overwrites for Ductile Beams)
  • Muros– Shear Wall Design
    • Introducir el coeficiente de ductilidad en curvaturas para el cálculo de la longitud de los elementos de contorno confinados
    • Introducción del coeficiente de mayoración del esfuerzo cortante

 

7 - Pre-dimensionamiento de los elementos sismorresistentes secundarios

• SAP2000
  • Pilares y Vigas – Concrete Frame Design
    • Asignar Framing Type = Secondary
    • Incluir Combinaciones Sísmicas específicas para el dimensionamiento de los elementos secundarios en las Design Load Combinations (utilización de sub-modelos)

 

• ETABS
  • Pilares y Vigas – Concrete Frame Design
    • Asignar Framing Type = Secondary
    • Incluir Combinaciones Sísmicas específicas para el dimensionamiento de los elementos secundarios en las Design Load Combinations (utilización de sub-modelos)
  • Losas – Concrete Slab Design
    • Incluir Combinaciones Sísmicas específicas para el dimensionamiento de los elementos secundarios en las Design Load Combinations (utilización de sub-modelos)
    • Comprobar Punzonamiento Excéntrico

 

8 – Validación de la solución

En esta etapa, será importante entender si los eventuales cambios en las secciones transversales de los elementos estructurales introducidos en los pasos 6 y 7 tendrán un impacto en la clasificación sísmica. En caso afirmativo, o si hay dudas, se repiten los pasos 2 a 4, continuando hasta el paso 8 si se confirma el cambio en la clasificación sísmica del edificio.

Además, puede ser necesario verificar el requisito de limitación de daños para los elementos no estructurales:

• SAP2000
  • Usar Generalized Displacements
• ETABS
  • Usar salida de Drifts o de Drifts máximos por planta

 

Dimensionamento detalhado de armaduras e verificações de ductilidade local

En esta etapa, logramos una importante ganancia de productividad al exportar el modelo a VIS, ya que evitamos la necesidad de verificar manualmente los múltiples requisitos de ductilidad impuestos por el Eurocódigo 8.

Cabe señalar que el pre-dimensionamiento sísmico realizado en la etapa anterior con SAP2000 o ETABS fue suficiente para estabilizar las dimensiones de todos los elementos estructurales, ya que incluye las siguientes comprobaciones fundamentales:

Elementos sismorresistentes primarios

• Comprobaciones de ductilidad global
  • Evitar la formación de un mecanismo plástico de piso blando
• Comprobaciones de ductilidad local
  • Cálculo del esfuerzo cortante por capacidad en pilares y vigas
  • Limitación de las cuantías de armadura en vigas y pilares
  • Limitación del esfuerzo axil reducido en pilares
  • Limitación del esfuerzo axil reducido en muros (sólo con ETABS)
  • Cálculo de la longitud de los elementos de contorno confinados de muros (sólo con ETABS)
  • Cálculo de la armadura diagonal a disponer en vigas de acoplamiento (sólo con ETABS)

Elementos sismorresistentes secundarios

• Cálculo de los esfuerzos en los elementos secundarios
• Comprobación VRD y MRD de elementos secundarios
• Comprobación de punzonamiento (sólo con ETABS)

 

Como puede ver en la tabla siguiente, con el VIS será posible realizar muchas más comprobaciones relacionadas con las armaduras. Al permitir la definición detallada y completa de los armados de pilares, vigas y muros, el VIS reúne suficiente información para realizar todas las comprobaciones de ductilidad necesarias para un diseño sísmico completo según el Eurocódigo 8:

 

 

Nota - hay más reglas específicas que deben ser comprobadas y que no están incluidas en esta tabla, ya que están fuera del alcance de este artículo.