Se analizó el desempeño de los muros de concreto reforzado, uno de los más usados en el país, para zonas de amenaza sísmica intermedia.

Por: Juan Francisco Correal, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de los Andes

El Centro de Investigación en Materiales y Obras Civiles (CIMOC) de la Universidad de los Andes y Estrenar Vivienda desarrollaron por primera vez en Colombia un estudio con el propósito de evaluar el comportamiento sísmico de edificaciones con el sistema de muros estructurales de concreto DMO; con esto buscan establecer si los requisitos del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10)¹ son adecuados.

Cabe recordar que Colombia es posiblemente el único país en el mundo que tiene en su NSR-10 requisitos para el diseño sísmico del sistema DMO con capacidad moderada de disipación de energía, que han estado desde la versión del reglamento de 1998. Estos se establecieron con el fin de tener un diseño sismorresistente adecuado para zonas de amenaza sísmica intermedia, en donde está cerca del 47 % de la población de Colombia (Bogotá, Medellín, Ibagué, Montería, entre otras cuidades).

El sistema es uno de los más usados en el país, ya que aproximadamente el 50 % de las edificaciones de uso residencial de más de seis pisos se han construido con muros de concreto reforzado².

Debido a sismos recientes en el mundo (Chile, en el 2010, y Nueva Zelanda, en el 2011) se evidenciaron algunas deficiencias en el diseño en edificaciones con este tipo de sistema³. Por eso, precisamente, y teniendo en cuenta que a la fecha no se han presentado sismos de magnitudes considerables en zonas de amenaza sísmica intermedia en Colombia, el CIMOC y Estrenar Vivienda desarrollaron la investigación, que, de hecho, es inédita en el país.

Metodología de la investigación

Para ello se tomó la decisión de usar la metodología establecida por la Agencia Federal de Gestión de Emergencias de Estados Unidos (FEMA P695)⁴, considerada como el estado del arte en la materia, y que está compuesta por seis pasos:

1) Estudio detallado del estado del arte en el diseño sísmico de muros estructurales de concreto de acuerdo con NSR-10, incluyendo los requisitos de diseño usados en Estados Unidos del ACI 318-19⁵.

2) Recopilación de una base de datos de 39 edificaciones reales para así identificar las características más representativas del sistema estructural.

3) Selección de 12 edificaciones arquetipo con alturas entre 5 a 18 pisos representativas del sistema, que se diseñaron a partir de los requisitos de la NSR-10 incorporando algunos cambios presentes en el reglamento ACI 318-19, para los niveles mínimo y máximo de intensidad de la amenaza sísmica intermedia de Colombia, conformando, así, cuatro grupos de desempeño (tres arquetipos en cada grupo).

A partir de los arquetipos desarrollados se definieron cinco muestras de muros, que fueron ensayados en el laboratorio de modelos estructurales Alberto Sarria Molina de la Universidad de los Andes. Estos ensayos se hicieron en muestras de muros a escala real o natural, a través de un montaje especial único en su tipo en el país desarrollado por el CIMOC, que permite simular el efecto de las cargas sísmicas en la base de un muro de hasta 18 pisos de altura y caracterizar el comportamiento de estos muros hasta la falla. 

4) Desarrollo y validación de modelos tridimensionales de los 12 arquetipos de edificaciones, que permitan simular los efectos de los sismos. Para esto se utilizó el programa OpenSees⁶, el cual se validó con los ensayos a escala real de los muros, con el fin de representar adecuadamente el mecanismo de colapso de las edificaciones.

5) Análisis computacionales avanzados de las edificaciones arquetipo, que permitieron modelar el efecto de 44 sísmicos reales, con el fin de determinar la intensidad necesaria para que se genere el colapso de la edificación. Cada análisis tomó alrededor de 800 horas en computadores del alto desempeño.  

6) Evaluación del desempeño sísmico del sistema de muros DMO para Colombia. Usando los resultados anteriores se determinó el margen de colapso de las edificaciones para comparar con los valores límite establecidos en la metodología del FEMA P695.

Las conclusiones

Tras la investigación se concluyó que el sistema de muros de concreto reforzado DMO, diseñado con los lineamientos de la Norma Sismo Resistente (NSR-10), y con algunas recomendaciones adicionales del reglamento ACI 318-19, cumple con los requisitos de la metodología del FEMA P695, siempre que se usen refuerzos de barras corrugadas dúctiles (NTC 2289)⁷. Esto, porque se encontró que los muros diseñados con refuerzo de malla electrosoldada no cumplían con los márgenes de seguridad del FEMA P695 por la poca capacidad de deformación del material.

Esta investigación, que tomó cerca de tres años y en la que participaron once estudiantes de pregrado y posgrado de Ingeniería Civil de la Universidad de los Andes, es un excelente ejemplo de colaboración entre la academia y el sector productivo del país.

Fue un desarrollo de primer nivel en un tema propio de Colombia y de alto impacto para la sociedad. Se espera que estos resultados puedan ser tenidos en cuenta en la próxima actualización de la NSR-10 e incluso, que sirvan de referencia para otros países de la región. 

Referencias

[1]       NSR-10, Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente. Colombia: Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS, 2010.

[2]       DANE, Censo de edificaciones (CEED), 2023, Recuperado de: https://www.dane.gov.co/index.php/estadisticas-por-tema/construccion/censo-de-edificaciones/ceed-historicos

[3]       J. Wallace and J. Moehle, “Behavior and design of structural walls – lessons from recent laboratory tests & earthquakes,” in International Symposium on Engineering Lessons Learned from the 2011 Great East Japan Earthquake, Tokyo, Japan, 2012, p. 14.

[4]       FEMA P695, “Quantification of Building Seismic Performance Factors,” Fema P695, no. June, p. 421, 2009.

[5]       ACI 318-19, Building code requirements for structural concrete and commentary. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute, 2019, p. 628. doi: 10.14359/51716937.

[6]       F. McKenna, G. L. Fenves, M. H. Scott, and B. Jeremic, “Open system for earthquake engineering simulation (OpenSees).” Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, CA, 2000. [Online]. Available: https://opensees.berkeley.edu/

[7]       ICONTEC, Barras corrugadas y lisas de acero de baja aleación, para refuerzo de concreto, NTC 2289., no. 12. 2007.