Diseño Elementos No Estructurales

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES ASOCIACIÓN DE INGENIEROS DEL VALLE

Cali, 28 de noviembre – 1 de diciembre 2007

DISEÑO SISMO RESISTENTE DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES

Josef Farbiarz F. Director

Centro de Proyectos e Investigaciones Sísmicas CPIS

Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia

Sede Medellín

Diseño sismo resistente de elementos no estructurales Josef Farbiarz F.

Universidad Nacional de Colombia

1

1. Introducción Durante muchos años, ha sido la práctica común en la ingeniería colombiana que los elementos no estructurales se tengan en cuenta en el cálculo de las cargas permanentes, pero que se ignoren durante el resto del proceso de análisis y diseño, siendo entonces un albur su comportamiento y estabilidad y, por consiguiente, sus efectos sobre la estructura.

Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98 (Ley 400 de 1997 y sus decretos reglamentarios), vigentes en todo el territorio nacional desde el 19 de febrero de 1998, requieren que todo elemento clasificado como no estructural, y sus conexiones y anclajes, sea diseñado para resistir las cargas que lo lleven a su respuesta crítica, incluyendo las cargas verticales debidas a su propio peso, las cargas inerciales durante sismos debidas a su propia masa, las cargas de viento a que se pueda ver sometida su propia superficie, entre otras.

Estas memorias contienen una síntesis de la metodología para un adecuado diseño de elementos no estructurales, y sus conexiones y anclajes, que sirva como sirva como introducción al tema para el profesional interesado en el diseño de estos elementos.

2. ¿Qué es un elemento no estructural ? Cualquier obra arquitectónica requiere de elementos que se encarguen de transmitir las cargas impuestas por su peso hasta la estructura de cimentación. Sin embargo, no todos los elementos considerados en el diseño arquitectónico tienen esta responsabilidad de transferencia.

Los elementos no estructurales son aquellos que no hacen parte del sistema estructural de transmisión de cargas hasta la cimentación del edificio, sino que deben responder únicamente por su propio peso y por las cargas que se le aplican directamente. Si no se diseñan adecuadamente, los elementos no estructurales pueden modificar el comportamiento de la estructura.

3. Tipos de elementos no estructurales. Las NSR-98 clasifica los elementos no estructurales en el capítulo A.9, así:

• Acabados, elementos arquitectónicos y decorativos.

• Instalaciones hidráulicas y sanitarias.

• Instalaciones eléctricas.

• Instalaciones de gas.

• Equipos mecánicos, e

• Instalaciones especiales.

3.1. Acabados, elementos arquitectónicos y decorativos. Elementos arquitectónicos y decorativos como muros de fachada, muros interiores, cielos rasos, enchapes de fachada, áticos, parapetos, antepechos, vidrios, paneles prefabricados de fachada, calados y demás elementos decorativos de la edificación.

Algunos de estos elementos tienen responsabilidades funcionales como la división de espacias y la protección de la intemperie mientras que otros son netamente ornamentales; sin embargo, todos deben diseñarse estructuralmente para evitar que causen daños al colapsar durante un sismo.

Cuando un elemento no estructural tiene la responsabilidad de proteger del ambiente exterior o aislar ambientes interiores, puede requerirse del uso sellos en juntas. Los sellos aislantes deben poseer diferentes características físicas y mecánicas. Las más importantes se listan a continuación:

• Opaco a la luz • Aislante acústico y térmico

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2

• Impermeable (donde se requiera) • Flexible ante cargas estáticas y dinámicas transmitidas por la estructura. • Resistente para cargas transmitidas por los acabados apoyados

directamente sobre el sello. • No biodegradable • Reemplazable y reparable

3.1.1. Muros de Fachada. Los muros no estructurales de fachada y sus anclajes, deben diseñarse adecuadamente para evitar su volcamiento, sin interferir con el comportamiento estructural de la edificación, pero cumpliendo su función protectora de la intemperie. En fachadas que contengan muros de grandes superficies, deben disponerse de juntas adecuadamente especificadas para proteger los acabados debido a los cambios volumétricos por cambios reológicos y por cambios e temperatura. 3.1.2. Muros interiores Deben diseñarse para evitar su volcamiento sin interferir con el comportamiento estructural de la edificación. Aunque no tienen la función de proteger contra la intemperie, en la mayoría de los casos, deben servir para aislar del sonido y de la luz.

3.1.3. Parapetos y antepechos. Por ser elementos en voladizo, los parapetos y los antepechos son particularmente vulnerables al vuelco, por lo que deben diseñarse adecuadamente empotrados en su base.

3.1.4. Enchapes y ornamentos Los acabados sobre muros, interiores o exteriores, fabricados con enchapes adheridos a la superficie vertical, deben anclarse con elementos capaces de resistir tracción y cortante y que no sean susceptibles de flujo plástico significativo. Así mismo, deben especificarse juntas adecuadamente espaciadas, par evitar la fisuración y el desgarre de los enchapes, verticales u horizontales, debido a movimientos por cambios volumétricos o por diferencias térmicas.

Los ornamentos que se instalen en la edificación, como cornisas, pasamanos, lagrimales, calados, frisos, etc, deben diseñarse y anclarse adecuadamente para evitar que se desprendan de la estructura.

3.2. Instalaciones hidráulicas y sanitarias Estos elementos constituyen el sistema de distribución de agua potable y la recolección y disposición de las aguas de lluvia y de las aguas negras. Esencialmente, están constituidos por un sistema de tuberías embebidas en, o colgadas de, la estructura. A pesar de su vital importancia, estos elementos carecen de otra responsabilidad estructural que la de su propio peso. Sin embargo, sus elementos y sus anclajes deben diseñarse estructuralmente para disminuir la posibilidad que dejen de funcionar o fallen durante un sismo, pues el agua puede causar daños significativos sobre acabados y contenidos en el interior de los edificios. Además, al fallar, algunos componentes colgados de las losas pueden causar daños a otros elementos no estructurales.

3.3. Instalaciones eléctricas El sistema eléctrico se compone de la red de tuberías para la distribución del cableado y de los equipos necesarios para la transformación o generación eléctrica dentro del edificio.

Sus elementos, anclajes y conexiones deben diseñarse adecuadamente para garantizar que no fallen durante un sismo por obvias razones. La falla del sistema eléctrico no solo dificulta la evacuación durante el sismo y la recuperación tras el sismo, sino que si al fallar por rotura de elementos se producen corto circuitos, se aumenta el riesgo de incendios.


Universidad Nacional de Colombia 3.4. Instalaciones de gas Con la generalización de las redes urbanas de gas natural en Colombia, se ha incrementado notablemente la instalación de estos sistemas en edificaciones. El potencial de incendio que implica la rotura de una red de tuberías de gas hace que su diseño estructural sea prioritario. Durante el sismo de Kobe en Japón en 1995, la mayor parte de los sismos fueron casuados por los incendios desatados a raíz de la falla del sistema de gas.

3.5. Equipos mecánicos Los sistemas mecánicos de una edificación, como los ascensores y sus motores, los equipo de manejo y generación de aire acondicionado, las escaleras eléctricas y sus motores, los motores eléctricos para puertas automáticas, etc. son generalmente, pesados y voluminosos. Muchas veces, los equipos se suspenden de las losas o se apoyan en estructuras elevadas. Si se desprenden pueden causar daños significativos en la estructura y amenazar la vida de sus usuarios.

Generalmente, los fabricantes de los equipos se responsabilizan del diseño estructural de los marcos de los equipos, de los rieles y cables de izaje de los ascensores, etc. El diseñador de los elementos no estructurales debe diseñar los anclajes de equipos e instalaciones mecánicas.

3.6. Instalaciones especiales Toda instalación especial, como los quirófanos y las salas de radiación y electomagnetismo de los hospitales, o salas de máquinas en edificios industriales, o sistemas de luz y sonido en teatros y estadios, entre otros, requieren de diseño estructural apropiado que evite que sus conexiones o sus elementos portantes fallen durante un sismo.

3.7. Procedimiento de diseño Para dimensionar el elemento estructural y sus anclajes, debe calcularse, en primera instancia, la solicitación que el sismo le demanda. A su vez el cálculo de esta fuerza se hace con base en la famosa y sencilla ecuación planteada por Newton:

maF = donde: m: masa. a: aceleración.

3.7.1. Masa del elemento El cálculo de la masa del elemento es inmediato y evidente, reduciéndose al cálculo del volúmenes y densidades. Es conveniente expresar la masa en megagramos, Mg, para que al multiplicarla por la aceleración, expresada en m/s², se obtenga la fuerza directamente en kilonewtons, kN.

3.7.2. Aceleración de piso En cuanto a la aceleración, de acuerdo con las normas, se toma como la aceleración impartida al piso sobre el cual se apoya, o en el cual se ancla, el elemento no estructural bajo estudio. La aceleración en cada piso puede calcularse con base en la fuerza inercial que se le atribuye a la edificación como un todo, es decir, con base en la fuerza basal de cortante sísmico, Vs distribuida en cada piso con base en la proporción Cvx, expresada como:

∑=

= n

x

kxx

kxx

vx

hm

hmC

1

)(

donde: Cvx = Relación entre la fuerza inercial en cada piso y el

cortante sísmico en la base, en kN. mx = Masa del piso x. n = Número de pisos del edificio.

3


hx = Altura del piso x, con respecto a la base del edificio. Si T ≤ 0.5, k = 1. Si 0.5 < T ≤ 2.5, k = 0.75 + 0.5 T. Si T > 2.5, k = 2.

A su vez, Vs es el producto entre la masa total del edificio, M, y la aceleración espectral que le corresponde a la edificación, de acuerdo con su período natural de vibración.

El cálculo de la masa de la edificación, es relativamente sencillo de realizar. Sin embargo, debe hacerse de manera rigurosa, incluyendo todas las fuentes de peso propio y peso permanente debidas a la estructura y todos sus acabados.

Por otra parte, la aceleración de la edificación, como un todo, está especificada en las NSR-98, de manera simplificada, como la respuesta espectral de la edificación, Sa, en función de su período fundamental de vibración, T, con base en el gráfico que se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Espectro elástico de diseño (NSR-98-A.2.6)

Por último, la aceleración en cada piso, cuyo valor no debe exceder dos veces la aceleración espectral, será el resultado de dividir la fuerza en cada piso, por la masa de cada piso, así:

ax

svxx S

gmVCa 2≤= (Art. A-9.4.2.1)

donde:

ax = Relación entre la aceleración en el piso x y la aceleración de la gravedad.

Vs = Cortante sísmico en la base, en kN. mx = masa del nivel x donde esta ubicado

el elemento no estructural, en Mg. g = aceleración debida a la gravedad (9.8

m/s2). Sa = Coeficiente de aceleración espectral.

Debe anotarse, que de acuerdo con esta expresión, la aceleración para el diseño de los elementos no estructurales que se encuentren en el nivel del terreno se calcula con base en la proporción Cv1, que depende de la altura del nivel en cuestión, que en este caso sería 0. Esta inconsistencia

4



5

obedece a que no está explícito en la norma que debe usarse aceleraciones absolutas, de manera que es necesario sumarle a la aceleración calculada, la aceleración en el nivel del terreno.

3.7.3. Fuerza sísmica de diseño Para calcular la fuerza inercial a la que se somete un elemento no estructural, basta multiplicar su masa por la aceleración del piso en el que se encuentran sus apoyos o anclajes.

Sin embargo, dependiendo de sus características, la fuerza resultante puede reducirse con base en capacidad de disipación de energía del elemento y sus conexiones, o aumentarse con base en la amplificación de la respuesta dinámica.

De acuerdo con su naturaleza y configuración, la respuesta dinámica de un elemento no estructural puede amplificar las aceleraciones que se presentan en su punto de soporte debido a efectos de resonancia. Para evaluarla, se requieren análisis dinámicos detallados o ensayos dinámicos experimentales. Sin embargo, las NSR-98 permiten estimarlos aproximadamente con base en un factor aP, cuyos valores se extractan en las tablas 1 y 2.

Similarmente, de acuerdo con su naturaleza y configuración, el elemento y su anclaje tendrán una capacidad determinada de disipación de energía. Si esta capacidad es baja, el elemento o sus anclajes tienen un comportamiento frágil, mientras que si es alta, tendrán un comportamiento dúctil, ingresando al intervalo inelástico del comportamiento de sus materiales, para niveles de carga inferiores a la fuerza elástica calculada. De tal manera, la fuerza puede reducirse de acuerdo con el coeficiente RP, cuyos valores aparecen en las Tablas 1 y 2.

Elemento

Tipo de anclajes o amarres para determinar el coeficiente de capacidad de disipación de energía, Rp, mínimo requerido en A.9.4.9

no estructural ap Grado de desempeño

Superior Bueno Bajo

Fachadas

• paneles prefabricados apoyados arriba y abajo

1.0 Dúctiles No dúctiles No dúctiles

• en vidrio apoyadas arriba y abajo 1.0 Dúctiles No dúctiles No dúctiles

• lámina en yeso, con costillas de acero

1.0 No dúctiles

No dúctiles No dúctiles

• mampostería reforzada, separada lateralmente de la estructura, apoyadas arriba y abajo


• mampostería reforzada, separada lateralmente de la estructura ,apoyadas solo abajo


• mampostería no reforzada, separada lateralmente de la estructura, apoyadas arriba y abajo

1.0 No se permite este tipo de elemento no

estructural

No dúctiles(1)

• mampostería no reforzada, separada lateralmente de la estructura ,apoyadas solo abajo


estructural

No dúctiles(1)

• mampostería no reforzada, confinada por la estructura


estructural

No dúctiles(2)


6

Elemento


no estructural ap Grado de desempeño

Superior Bueno Bajo

Muros que encierran puntos fijos y ductos de escaleras, ascensores, y otros

1.0 Dúctiles No dúctiles Húmedos(1)

Muros divisorios y particiones

• corredores en áreas públicas 1.0 Dúctiles No dúctiles Húmedos(1)

• muros divisorios de altura total 1.0 No dúctiles

No dúctiles Húmedos(1)

• muros divisorios de altura parcial 2.5 No dúctiles

No dúctiles Húmedos(1)

Elementos en voladizo vertical

• áticos, parapetos y chimeneas 2.5 Dúctiles No dúctiles No dúctiles

Anclaje de enchapes de fachada 1.0 Dúctiles No dúctiles Húmedos

Altillos 1.5 Dúctiles No dúctiles No dúctiles

Cielos rasos 1.0 No dúctiles

No dúctiles No requerido(3)

Anaqueles, estanterías y bibliotecas de más de 2.50 m de altura, incluyendo el contenido

• Diseñadas de acuerdo al Título F 2.5 Especiales Dúctiles No requerido(3)

• Otras 2.5 Dúctiles No dúctiles No requerido(3)

Tejas 1.0 No dúctiles

No dúctiles No requerido(3)

Notas: 1. Debe verificarse que el muro no pierde su integridad al ser sometido a

las derivas máximas calculadas para la estructura. 2. Además de (1) debe verificarse que no interactúa adversamente con la

estructura. 3. El elemento no estructural no requiere diseño y verificación sísmica.

Tabla 1: Coeficientes Ap y Rp para elementos arquitectónicos y acabados, tomado de la Tabla A.9-2 de las NSR-98.

Elemento


no estructural ap b Grado de desempeño

Superior Bueno Bajo

Sistemas de protección contra el fuego 2.5 Dúctiles No dúctiles No dúctiles



7

Elemento


no estructural ap b Grado de desempeño

Superior Bueno Bajo

Plantas eléctricas de emergencia 1.0 No dúctiles No dúctiles No requeridog

Maquinaria de ascensores, guías y rieles del ascensor y el contrapeso

1.0 Dúctiles No dúctiles No requeridog

Equipo en general

• Calderas, hornos, incineradores, calentadores de agua y otros equipos que utilicen combustibles, y sus chimeneas y escapes.

• Sistemas de comunicación

• Ductos eléctricos, cárcamos y bandejas de cablesc


• Equipo eléctrico, transformadores, subestaciones, motores, etc.

• Bombas hidráulicas

• Tanques, condensadores, intercambiadores de calor, equipos de presión

• Empates con las redes de servicios públicos

Maquinaria de producción industrial 1.0 Dúctiles No dúctiles Húmedos

Sistemas de tuberías

• Tuberías de gases y combustibles 2.5 Dúctiles No dúctiles No dúctiles

• Tuberías del sistema contra incendio 2.5 Dúctiles No dúctiles No dúctiles

• Otros sistemas de tuberíasd 2.5 No dúctiles No requeridog

No requeridog

Sistemas de aire acondicionado, calefacción y ventilación, y sus ductose


Paneles de control y gabinetes eléctricos No dúctiles No dúctiles No requeridog

Luminarias y sistemas de iluminaciónf 1.0 No dúctiles No dúctiles No requeridog

Notas:

a. Véase las exenciones en A.9.1.3. b. Los valores de ap dados son para la componente horizontal. Para la

componente vertical deben incrementarse en un 33%.


c. No hay necesidad de disponer soportes sísmicos para las bandejas de cables eléctricos en las siguientes situaciones: (1) Ductos y bandejas de cables colgados de soportes individuales que tienen 300 mm o menos de longitud. (2) En espacios para equipos mecánicos y calderas, donde el ducto tiene menos de 30 mm de diámetro interior. (3) Cualquier ducto eléctrico de menos de 65 mm de diámetro interior, localizado en otros espacios.

d. No hay necesidad de disponer soportes sísmicos para las tuberías en las siguientes situaciones: (1) Tuberías colgadas de soportes individuales que tienen 300 mm o menos de longitud. (2) En espacios para equipos mecánicos y calderas, donde la tubería tiene menos de 30 mm de diámetro interior. (3) Cualquier tubería de menos de 65 mm de diámetro interior, localizado en otros espacios.

e. No hay necesidad de disponer soportes sísmicos para los ductos de calefacción, ventilación y aire acondicionado en las siguientes situaciones: (1) Ductos colgados de soportes individuales que tienen 300 mm o menos de longitud. (2) Ductos que tienen una sección con un área menor de 0.60 m².

f. Las luminarias dispuestas como péndulos deben diseñarse utilizando un valor de ap igual a 1.5. El soporte vertical debe diseñarse con un factor de seguridad igual a 4.0.

g. El elemento no estructural no requiere diseño y verificación sísmica.

Tabla 2: Coeficientes Ap y Rp para elementos hidráulicos, mecánicos y eléctricos, tomado de la Tabla A.9-2 de las NSR-98.

Como se aprecia en las tablas anteriores, los valores de reducción de la fuerza sísmica dependen del grado de desempeño especificado en las NSR-98, artículo A-2.5, de la NSR-98, así:

"Superior: Es aquel en el cual el daño que se presenta en los elementos no estructurales es mínimo y no interfiere con la operación de la edificación debido a la ocurrencia del sismo de diseño.

Bueno: Es aquel en le cual el daño que se presenta en los elementos no estructurales es totalmente reparable y puede haber alguna interferencia con la operación de la edificación con posterioridad a la ocurrencia del sismo de diseño.

Bajo: Es aquel en cual se presentan daños graves en los elementos no estructurales, inclusive no reparables, pero sin desprendimiento o colapso, debido a la ocurrencia del sismo de diseño."

Además, las NSR-98 especifican que el grado de desempeño mínimo para el que debe diseñarse un elemento estructural depende del grupo de uso de la edificación, como se ilustra en la Tabla 3. Es el propietario de la edificación quien decide para cuál grado de desempeño, por encima del mínimo requerido, debe diseñarse el elemento no estructural.

Grupo de uso Grado de desempeñoIV SuperiorIII BuenoIII BuenoI Bajo

Tabla 3: Grados de desempeño según grupos de uso, tomado de la Tabla A.9-1, de las NSR-98.

Por otra parte, el coeficiente de reducción de la fuerza depende de la forma de anclaje o amarre que, a su vez está limitado por el grado de desempeño permitido. Las NSR-98 clasifican los anclajes en cuatro categorías:

"Especiales (Rp=6).

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Universidad Nacional de Colombia Se trata de anclajes diseñados siguiendo los requisitos del título F para estructuras en acero estructural con capacidad de disipación de energía especial (DES). Deben cumplirse todos los requisitos dados allí para permitir este valor dado de Rp.” 1

"Dúctiles (Rp=3).

Cuando el anclaje se realiza por medio de anclajes profundos que emplean químicos (epóxicos), anclajes profundos vaciados en el sitio, o anclajes vaciados en el sitio que cumplen los requisitos del capitulo C.21. No se permiten los pernos de expansión ni anclajes colocados por medios explosivos (tiros). Anclajes profundos son aquellos en los cuales la relación entre la porción embebida y el diámetro del perno es mayor de 8. Este tipo de anclajes debe emplearse cuando el elemento no estructural es dúctil.” 1

"No dúctiles (Rp=1.5).

Cuando el anclaje se realiza por medio de pernos de expansión , anclajes superficiales que emplean químicos (epóxicos), anclajes superficiales vaciados en el sitio, o anclajes colocados por medios explosivos (tiros). Anclajes superficiales son aquellos en los cuales la relación entre la porción embebida al diámetro del perno es menor de 8. Dentro de este tipo de anclajes se encuentran las barras de acero de refuerzo con ganchos en los extremos que se embeben dentro del mortero de pega de la mampostería. Este tipo de anclajes se permiten cuando el elemtno no estructural no es dúctil. Si se utilizan en elementos no estructurales dúctiles, éstos deben diseñarse para el mismo valor de Rp =1.5.” 1

"Húmedos (Rp=0.5).

Cuando se utiliza mortero, o adhesivos que pegan directamente al mortero o al concreto, sin ningún tipo de anclaje mecánico resistente a tracción.” 1

Así, calculada la masa, MP, del elemento no estructural, la aceleración en cada piso, ax, y evaluados los coeficientes de amplificación aP y de reducción, RP, puede determinarse la fuerza sísmica, así:

pa

pp

pxp gM

IAgM

RAA

F2

≥=

donde:

FP = Fuerza sísmica en el elemento no estructural, en kN. Ax = Relación entre la aceleración horizontal en cada piso y g. ap = Coeficiente de amplificación dinámica. Rp = Coeficiente de capacidad de disipación de energía. g = Aceleración debida a la gravedad (9.8 m/s2). Mp = Masa del elemento no estructural, en Mg. Aa = Relación entre la aceleración pico efectiva en la roca y g. I = Coeficiente de importancia.

3.7.4. Fuerza dominante de diseño Un elemento no estructural puede verse sometido a otras fuerzas, además de las fuerzas sísmicas. De hecho, debe ser capaz de resistir su propio peso, el peso de los acabados que se le apliquen, la carga viva que pueda aplicársele directamente, las fuerzas de viento ejercidas directamente sobre su superficie, etc.

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SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 Las cargas sísmicas y las cargas de viento, calculadas independientemente, deben compararse para determinar cuál de las dos es dominante. Además, debe considerarse las fuerzas de segundo orden que resulten de los movimientos relativos entre sus apoyos.

Carga de viento

Si la carga de viento sobre el elemento no estructural, sea de presión o de succión, es mayor que el 70 % de la carga sísmica, debe diseñarse para la carga de viento, amplificada por un factor de 1.4. De lo contrario se diseña para la carga sísmica.

Desplazamientos en los apoyos

Si un elemento no estructural tiene apoyos en varios niveles, cuando el edificio experimenta su deriva máxima, el elemento sufre un desplazamiento relativo entre sus apoyos que debe tenerse en cuenta al diseñarlo, para constatar la caacidad de resistir los esfuerzos adicionales inducidos por este movimiento.

3.7.5. Fuerzas internas y dimensionamiento Luego de hallar la fuerza sísmica de diseño se procede a evaluar las fuerzas internas de momento (M), cortante (V) y fuerza axial (N). En algunas ocasiones, el diseño del elemento no estructural propiamente dicho está fuera del alcance del trabajo del diseñador los elementos no estructurales de la edificación. Por ejemplo, aparatos de aire acondicionado, ascensores, ventanas, entre otros, los diseña el fabricante. En tales casos, el diseñador se limita a estudiar las conexiones y los anclajes de dichos equipos a la estructura.

El modelo de análisis de los elementos no estructurales, debe incluir las condiciones de apoyo, y éstas deben plasmarse en los planos de manera adecuada para que se repliquen en la obra. Por ejemplo, si un muro no estructural se modela con apoyos articulados arriba y abajo, los planos de construcción deben reflejar esta condición.

Aunque la distribución de la carga sísmica depende de la distribución de la masa y de la rigidez del elemento, la imprecisión que resulta de considerarla aplicada en el centro de la gravedad pocas veces es significativa, y, de hecho, las NSR-98 lo permiten. En las Figuras 2 a 4 se presenta el análisis de un muro no estructural para diferentes condiciones de apoyo.

pF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas

Diagrama de momentos M

Diagrama de Cortante V

MURO SIMPLEMENTE APOYADO

4maxpphF

M =+

2pF

V =

2pF

V =

phpF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas




4maxpphF

M =+

2pF

V =

2pF

V =

phpF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas




4maxpphF

M =+

2pF

V =

2pF

V =

phph

10


Universidad Nacional de Colombia Figura 2: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural simplemente apoyado.

Figura 35: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural en

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voladizo.

EMPOTRADO - ARTICULADO

pF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



163

maxpphF

M =−

165 pF

V =

325

maxpphF

M =+

1611 pF

V =

ph

EMPOTRADO - ARTICULADO

pF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



163

maxpphF

M =−

165 pF

V =

325

maxpphF

M =+

1611 pF

V =

phpF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



163

maxpphF

M =−

165 pF

V =

325

maxpphF

M =+

1611 pF

V =

phph

Figura 3: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural empotrado-articulado

MURO EN VOLADIZO

pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



pF

2maxvphF

M =− 2vh

vhpFV =

MURO EN VOLADIZO

pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



pF

2maxvphF

M =− 2vh

vhpFV =

pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



pF

2maxvphF

M =− 2vh

vhpFV =


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MURO DESPLAZADO POR DERIVA DE PISOS

pF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



phMV

−

= max

2max3

phEIM Δ

=−

Δ

ph

MURO DESPLAZADO POR DERIVA DE PISOS

pF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



phMV

−

= max

2max3

phEIM Δ

=−

Δ

phpF pF

Muro no estructural

Diagrama de cargas



phMV

−

= max

2max3

phEIM Δ

=−

ΔΔ

phph

Figura 4: Diagrama de cortante y de momentos de un muro no estructural desplazado por deriva de pisos.

Adicionalmente, debe tenerse en cuenta los efectos por deplazamientos de los apoyos, como por ejemplo la deriva entre pisos cuando un muro no estructural está anclado en cada nivel, como se ve en la Figura 5.

Δ Δ

PP

α

PP sen αPP cos α

0.5 PP sen α

0.5 PP sen α

Δ Δ

PP

α

PP sen αPP cos α

0.5 PP sen α

0.5 PP sen α

Figura 5: Estado de cargas en muro inclinado debido al movimiento relativo entre los apoyos.

El dimensionamiento de los elementos no estructurales obedece al diseño estructural del sistema y los materiales que se consideren en cada caso. Por ejemplo, un muro no estructural construido con ladrillos de arcilla, debe diseñarse de acuerdo con los requerimientos y los preceptos del diseño con mampostería, cuya reglamentación se contempla en el Título D de las NSR-98, mientras que los anclajes para suspender un aparato mecánico de una losa, deben diseñarse de acuerdo con los requerimientos del Título F.

Los muros no estructurales de mampostería deben anclarse adecuadamente de manera que se evite su vuelco. SIn embargo, el título D permite el uso de mampostería no reforzada no confinada para elementos que no formen parte del sistema de resistencia sísmica, siempre y cuando se diseñen apropiadamente de acuerdo con el procedimiento de las tensiones admisibles incluido en el apéndice D.1. De tal manera, sería posible anclar un muro no estructural a la estructura sin necesidad de especificar que el refuerzo sea continuo a lo largo de toda la altura,



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si su diseño demuestra que la mampostería sin refuerzo puede atender todas las solicitaciones impuestas.

Sin embargo, debe enfatizarse que los requerimientos de las NSR-98 forman un conjunto de mínimos obligatorios y que la buena práctica de la ingeniería y el criterio experimentado del diseñador pueden resultar en especificaciones adicionales a las mínimas estipuladas por la normativa. Un muro no reforzado no confinado carece de segunda línea de defensa en caso de solicitaciones imprevistas. Aún más, un muro no reforzado no confinado puede fallar frágilmente bajo cargas perpendiculares a su plano.

3.8. Resumen. En síntesis, el diseño de un elemento no estructural se realiza con el siguiente procedimiento

1. Especificación del criterio de diseño.

2. Cuantificación de la masa de la edificación, M,

3. Cálculo del período fundamental de la edificación, T.

4. Determinación de la zona de amenaza sísmica y del coeficiente de aceleración, Aa.

5. Determinación del coeficiente de importancia, I, de acuerdo con el Grupo de Uso de la estructura.

6. Determinación del coeficiente de sitio, S, de acuerdo con el tipo de perfil del suelo.

5. Cálculo de la aceleración espectral Sa, con base en el espectro elástico de diseño.

6. Cálculo de la cortante sísmica en la base, Vs, de acuerdo con el Capítulo A.4 de las NSR-98.

7. Cálculo del coeficiente de distribución Cvx.

8. Cálculo de ax, en cada nivel.

11. Cuantificación de la masa del elemento no estructural.

12. Determinación del grado de desempeño del elemento no estructural, en función del Grupo de Uso de la estructura.

9. Determinación del coeficientes de amplificación sísmica, ap, de acuerdo con las Tablas A.9-2 y A.9-3.

10. Determinación del coeficiente de reducción, Rp, de acuerdo con las Tablas A.9-2 y A.9-3.

11. Cálculo de la fuerza sísmica de diseño, FP, sobre el elemento no estructural.

12. Cálculo de la fuerza de viento, FV, sobre el elemento no estructural.

13. Si ⏐FV⏐> 0.7 FP, se diseña para 1.4 FV.

Si ⏐FV⏐≤ 0.7 FP, se diseña para FP.

18. Cálculo de fuerzas internas.

19. Dimensionamiento del elemento no estructural.

20. Dimensionamiento de las conexiones.

21. Dimensionamiento de los anclajes.

SEMINARIO VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CIUDADES CALI, 28 de noviembre – 1 de diciembre de 2007 14. Detalles constructivos de anclaje y soporte. A continuación se presentan algunas alternativas de solución para separación entre elementos no estructurales y la estructura principal.

14.1. Aislantes Cuando se desea separar el elemento no estructural de la estructura principal, debe sellarse la separación de forma que se protejan los ambientes interiores de la intemperie y que en ambientes interiores no se transmita ruido y luz de un recinto a otro. Para ello deben utilizarse materiales lo suficientemente flexibles como para que el aislamiento estructural no se pierda. No debe utilizarse poliestireno expandido (conocido comercialmente como Icopor o Porón). Pueden utilizarse sellos flexibles diseñados específicamente para juntas, pero deben colocarse de manera que su profundidad sea la mitad de su anchura, es decir, que la separación entre el elemento no estructural y la estructura debe ser siempre el doble que la profundidad del sello. Sello son diseñaos específicamente para juntas deben ensayarse en laboratorio antes de usarse.

Es conveniente utilizar materiales resistentes al fuego, como lana mineral, en los vacíos de las juntas, entre los sellos flexibles.

14.2. Muros de mampostería De acuerdo con el diseño arquitectónico, los muros pueden adoptar numerosas configuraciones en planta, formando esquinas y topándose los unos con los otros. de tal manera, dos muros pueden formar, en planta, cruces con formas en T, en L, o en cruz (+). Esta circunstancia puede aprovecharse en la construcción para obtener mayores rigideces obligando a los muros a trabajar en conjunto. En el caso de muros no estructurales que deben separarse de la estructura principal, la combinación del trabajo de los diferentes muros podría ser beneficiosa, siempre y cuando se conserve simetría para no causar torsiones y aleteos indeseables.

De todas maneras, si se quiere el trabajo conjunto, los muros deben trabarse e las esquinas, reforzándolos cuando sea necesario. Así mismo, si se modelan los muros trabajando independientemente debe asegurarse que los muros no se traban ni conectan entre sí.

Los muros no estructurales se separan de la estructura para que no interfieran con su comportamiento ante cargas sísmicas, pero deben proveerse con anclajes para que no se vuelquen fuera de su propio plano. Esto implica que los anclajes deben ser diseñados de manera tal que resistan las fuerzas de corte impuestas al elemento no estructural, sin transmitirle a la estructura fuerzas importantes que impidan su libre movimiento con relación al elemento no estructural.

Las figuras 6 y 7 presentan dos alternativas adecuadas para lograr este cometido.

no llevan morteroLas dos últimas hiladas

Figura 6: Anclaje utilizando barra de refuerzo de sección circular.

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VIGA

PLETINA

CELDA RELLENA

BARRA DEREFUERZO

ULTIMA HILADASIN RELLENO

Figura 7: Anclaje utilizando pletinas

15. Referencias. 1. NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. Asociación de ingeniería sísmica AIS, Bogotá, Colombia.

2. GUIA PARA DISEÑO DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS, 2002.

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