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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

AVANCES EN LA APLICACIÓN DE SISTEMAS ESTRUCTURALES A BASE DE ACERO

ROLADO EN FRÍO PARA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDAS EN ZONAS DE SUBSIDENCIA

José A. Ortiz Lozano1, Mario E. Zermeño de León

1, Francisco A. Alonso Farrera

2, Jesús

Pacheco Martínez1, Gerardo Araiza Garaygordóbil

1, Juan José Soto Bernal

3, Ma. Rosario

Moreno Virgen3, Miguel A. Soto Zamora

1 y Vicente González Gutiérrez

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RESUMEN

El objetivo de este proyecto de investigación es el de estudiar la aplicación de sistemas estructurales a base de

acero rolado en frío de lámina delgada a la construcción de viviendas en zonas de subsidencia, bajo los

siguientes alcances: definir los hundimientos característicos que se generan en una discontinuidad por

subsidencia, construir un dispositivo para simular en laboratorio estos hundimientos, simular y evaluar

numéricamente y en laboratorio a escala real el comportamiento estructural de una vivienda ante

hundimientos por subsidencia, en términos de los esfuerzos y deformaciones sufridas y su capacidad de

recuperación a su configuración no deformada.

ABSTRACT

The main objective of this research project is to study the application of structural systems based on light

gauge cold-formed steel framing to housing in subsidence zones, having the following scopes: characterize

the typical settlements in a discontinuity due to subsidence, to build a laboratory facility to simulate these

settlements, to simulate and to evaluate numerically and in laboratory in a full scale model the structural

performance of a house subjected to settlements due to subsidence, in terms of its stresses and strains and,

eventually, its capacity of retrieval to its non-deformed shape.

INTRODUCCIÓN

FENÓMENO DE SUBSIDENCIA

El fenómeno de subsidencia por extracción de agua del subsuelo se ha generalizado en el territorio mexicano

en las últimas décadas en los valles donde el acuífero está formado por materiales no consolidados tales como

depósitos aluviales, lacustres o volcano-sedimentarios geológicamente recientes (Figueroa-Vega, 1984),

(Lugo et al., 1999), (Aguirre-Díaz et al., 2000), (Garduño-Monrroy et al., 2001), (CENAPRED, 2001),

(Arroyo et al., 2003), (Arroyo et al., 2004), (Rojas et al., 2002), (Pacheco et al., 2006) y (Zermeño et al.,

2006). Cuando el lecho rocoso del acuífero es irregular, la subsidencia genera fallas y fracturas de los rellenos

granulares en la superficie dañando la infraestructura urbana existente (Jachens y Holzer, 1979), (Jachens y

Holzer, 1982), (Rojas et al., 2002), (Pacheco et al., 2006) y (Ávila-Olivera y Garduño-Monrroy, 2008).

El fracturamiento asociado a subsidencia ha sido ampliamente estudiado en diversos lugares en el mundo

(UNESCO, 1984), (Borchers, 1998), (USGS, 1995), (USGS, 2001) y (SISOL, 2005). En México el fenómeno

no es desconocido, en valles aluviales principalmente en zonas del altiplano mexicano tales como Celaya,

1 Profesor Investigador, Centro de Ciencias del Diseño y de la Construcción, Universidad Autónoma de

Aguascalientes, Av. Universidad 940, Cd. Universitaria, Aguascalientes, Ags. C.P. 20100;

aortiz@correo.uaa.mx 2 Profesor Investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Chiapas, Blvd. Belisario

Domínguez Km. 1081, Tuxtla Gutiérrez, Chis. C.P. 29000; alfa@unach.mx 3 Profesor Investigador, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Instituto Tecnológico de

Aguascalientes, Av. Adolfo López Mateos, 1801 Ote, Fracc. Bona Gens, Aguascalientes, Ags. C.P.

20256; j2sb@cio.mx

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Silao, Querétaro, San Luís Potosí, Morelia, Ciudad de México etc., se han reportado problemas por

hundimientos y fracturas asociados a la sobreexplotación del acuífero granular (Figueroa-Vega, 1984), (Lugo

et al., 1999), (Aguirre-Díaz et al., 2000), (Garduño-Monrroy et al., 2001), (CENAPRED, 2001), (Arroyo et

al., 2003), (Arroyo et al., 2004), (Rojas et al., 2004), (Pacheco et al., 2006) y (Ávila-Olivera et al, 2008).

Las fracturas y fallas superficiales en Aguascalientes se reportaron por primera vez hace cerca de 25 años

(Aranda y Aranda, 1985) y (Aranda-Gómez, 1989). Estos autores reportaron que las grietas comenzaron a ser

notadas en 1981 por los daños que causaron en las construcciones, además documentaron la existencia de

grietas que tenían movimiento vertical, las cuales formaban un escarpe de varias decenas de centímetros,

encontrándose también grietas “jóvenes” apenas perceptibles. En sus conclusiones apuntaron como la causa

inmediata de la generación de grietas al abatimiento del nivel piezométrico, aunque hacen notar que la

geología estructural juega un papel pasivo, al sugerir que la orientación de las fracturas estudiadas podrían

coincidir con las irregularidades del basamento rocoso del relleno aluvial, concluyen también que conociendo

el basamento hidrológico, la forma del relleno aluvial y su propiedades mecánicas es posible modelar el

proceso de subsidencia para simular el agrietamiento y estimar los hundimientos máximos esperados.

(Castañeda-Molina et al., 1995) formulan un mecanismo de la generación de agrietamientos en términos de un

acuífero libre sobreexplotado, la sobreposición de conos de abatimiento y un lecho rocoso con

heterogeneidades. Estiman que por cada metro de abatimiento del nivel freático se origina un incremento en

los esfuerzos efectivos en el relleno por debajo del nivel freático de 0.8 Ton/m2, lo cual favorece una

deformación vertical del acuífero, que en conjunción con el lecho rocoso irregular, se puede traducir en

hundimientos diferenciales. Reconocen que el parámetro más importante en la magnitud de los hundimientos

esperados es el espesor de los rellenos granulares.

(Arroyo et al., 2003) y (UAQ-UNAM, 2006) retoman el modelo del mecanismo de generación de grietas,

basado en hundimientos diferenciales causados por un la conjunción de un lecho rocoso de topografía

irregular y un descenso en el nivel del agua subterránea (Jachens y Holzer, 1979), (Jachens y Holzer, 1982) y

(Pampeyan et al., 1988) para zonas de fracturamiento en los Estados Unidos, y propuesto por (Aranda y

Aranda, 1985), (UNAM-SOP, 1984) y (Castañeda-Molina et al., 1995) para explicar el agrietamiento en el

valle de Aguascalientes. En este trabajo, Arroyo y colegas realizan simulaciones del proceso de subsidencia

utilizando la teoría de la pérdida volumétrica planteada originalmente por (Sagaseta, 1987) y utilizada por

(Rojas et al., 2002) para modelar el proceso de subsidencia en valles aluviales. De la modelización realizada

concluyeron que si el nivel de agua subterránea sigue descendiendo y se tiene un espesor de sedimentos

suficiente, se pueden formar fracturas paralelas a una ya formada hacia el lado más profundo del graben

siempre y cuando la profundidad del lecho rocoso se haga más grande. A partir de mediciones de gravimetría

concluyen que la anomalía gravimétrica se asocia directamente con la estructura regional del graben de

Aguascalientes, por lo que puede ser empleada para definir la superficie del lecho rocoso con una precisión

aceptable para fines de modelización.

Por su parte (Zermeño et al., 2004) estimó un hundimiento regional total de 1.31 m en un lapso de 18 metros

medido en la ciudad de Aguascalientes, y reporta una velocidad de hundimiento de 11.18 cm por año para un

punto ubicado en las instalaciones del INEGI en la ciudad de Aguascalientes, el cual es monitorizado con

GPS.

Finalmente (Zermeño et al., 2005) presenta dos mapas uno de hundimientos medidos en la ciudad de

Aguascalientes y otro de abatimiento del nivel piezométrico, los mapas muestran una clara correspondencia

entre las zonas de hundimiento y los conos de abatimiento regionales con lo que comprueban que para el valle

de Aguascalientes los hundimientos y agrietamientos se asocian al abatimiento. Estos autores hacen mención

además de que los epicentro de los sismos locales registrados (Lermo et al., 1996) se encuentran a

profundidades que corresponde a la de los rellenos granulares, lo que implica que se trata de sismicidad

probablemente asociada al proceso de subsidencia por extracción de agua subterránea y no a tectonismo.

Por su parte el municipio de Aguascalientes a través de su dirección de Obras Públicas y más recientemente la

secretaría de Obras Públicas de Gobierno del Estad, se han dedicado a la cartografía de grietas (SIDIFAG,

1991-2001), (SIDIFAG, 2002), (SIDIFAG, 2006), (SIDDIS, 2007) y (SIFAGG, 2009) y a hacerlas del

conocimiento del público mediante la difusión de sistemas de información geográfica. Los sistemas

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geográficos en cuestión muestran la traza de las grietas cartografiadas principalmente por los daños que

causan en las estructuras o por la zona de ruptura observada en zonas despobladas.

EFECTOS DE SUBSIDENCIA SOBRE LAS CONSTRUCCIONES

Las zonas de fracturamiento activas asociadas a subsidencia, inducen deformaciones en las construcciones en

forma de asentamientos diferenciales, provocando daños estructurales en los sistemas estructurales de

vivienda, los cuales en México son construidos en su mayoría con mampostería, la cual se diseña únicamente

para realizar la transferencia de cargas de los sistemas de piso, mediante muros, hacia una cimentación

corrida. Las modalidades más utilizadas son las de muro confinado con cadenas y castillos de concreto

armado y muro con refuerzo interior, los cuales cumplen en su mayor parte con los requisitos para estructuras

de mampostería ubicadas en zonas sísmicas. Sin embargo, el problema de subsidencia induce deformaciones

estructurales de índole diferente a las provocadas por problemas dinámicos de cargas laterales.

VIVIENDAS DAÑADAS EN AGUASCALIENTES POR SUBSIDENCIA

En Aguascalientes existen muchos casos de viviendas dañadas por el efecto de la subsidencia. En el sistema

(SIDIFAG, 2006)-(Sistema Digital de Discontinuidades en el Subsuelo de la Ciudad de Aguascalientes 2006)

aparecen documentadas 841 fichas técnicas para igual número de inmuebles dañados, de 1,200 que están en

proceso de documentarse. En el sistema (SIDDIS, 2007)-(Sistema Digital de Discontinuidad en el Subsuelo

de la Ciudad de Aguascalientes 2007) en cambio, aparecen ya documentadas 1342 fichas técnicas del mismo

número de inmuebles dañados, con cientos aún en proceso. Asimismo, día con día se reportan nuevos daños

en fincas existentes en la ciudad de Aguascalientes, así como en los municipios del interior del Estado, cuyo

origen se asigna a la actividad de discontinuidades previamente detectadas y a otras de reciente afloramiento.

Es posible que actualmente no se conozca con precisión el número de inmuebles dañados (las autoridades

manejan cifras cercanas a las 3,000 viviendas), aunque se estima que existe una representatividad adecuada,

tanto en el sistema (SIDDIS, 2007), que abarca la zona urbana del municipio de Aguascalientes, como en el

sistema (SIFAGG,2009)-(Sistema de Información de Fallas Geológicas y Grietas), que es la contraparte

estatal del SIDDIS, que se encuentra en proceso y que abarcará toda la extensión del Estado de

Aguascalientes.

CONSTRUCCIÓN CON ACERO ROLADO EN FRÍO (LIGHT GAUGE STEEL FRAMING)

En la construcción con elementos de acero se emplean básicamente dos tipos de perfiles: los laminados en

caliente y los rolados o conformados en frío. Con los que más frecuentemente se tiene contacto son los

primeros y existe un mayor conocimiento sobre ellos. Sin embargo, actualmente se estima que, por ejemplo

en los Estados Unidos, del total de acero estructural empleado en la edificación, el acero rolado en frío

participa en más del 40% y esta tendencia tiende a aumentar en el sector de construcción de vivienda, así

como en la de naves industriales de tamaño medio. Lo anterior, se debe principalmente a la disminución en el

uso de la madera, por razones de índole ambiental, y por el incremento en su costo, que es el material con el

que se le puede comparar por razones de facilidad de construcción (Steel Framing Alliance, 2007), (Ortiz,

2006) y (Wei-Wen, 2000).

El acero rolado en frío es un tipo de acero con espesores de su sección transversal del orden de unos cuantos

milímetros. Algunas de las secciones más usuales que se manejan comercialmente se presentan en la Figura 1.

Sin embargo, la ventaja de este tipo de material es que se pueden elaborar secciones no estandarizadas y con

geometrías poco comunes, las cuales, siendo muy ligeras, son capaces de desempeñar prestaciones

estructurales muy adecuadas para muchas aplicaciones, entre ellas las de la construcción de vivienda.

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Figura 1 Ejemplos típicos de secciones estructurales de perfiles de acero rolado en frío

Uno de los procesos de fabricación consiste en suministrar el acero en rollos de hojas, las cuales se van

cortando al ancho deseado y a la longitud requerida, posteriormente se pasa la hoja de acero, sin la aplicación

de calor, por unas máquinas denominadas roladoras, para dar la forma final de diseño de la sección

transversal. Un ejemplo de elaboración de un perfil se presenta en la Figura 2, donde se muestran en este caso

veinte etapas para obtener la forma indicada en la parte superior.

Las ventajas de la construcción con acero rolado en frío radican en los siguientes aspectos: al ser un método

de construcción industrializado, se reducen significativamente los tiempos de ejecución y por lo tanto los

costos de construcción. Asimismo, las propiedades de aislamiento termo-acústico de este sistema reducen los

costos de climatización de los usuarios de la vivienda, lo que ciertamente es una ventaja añadida. Los costos

de rehabilitación, reparación y/o refuerzo estructural de estas viviendas una vez dañadas por subsidencia del

suelo, serán mucho menores que aquellos correspondientes a los sistemas de construcción tradicional de

vivienda.

Por otro lado, al ser un método de construcción "en seco", se eliminan totalmente los desperdicios de

materiales, lo cual tiene un impacto positivo desde los puntos de vista ambiental y económico. Asimismo, las

láminas de acero galvanizado utilizado para construir estas estructuras son 100% recicladas y reciclables, lo

que también representa una gran ventaja desde el punto de vista ambiental.

JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVO GENERAL

Hasta el día de hoy las autoridades encargadas de delimitar las zonas de crecimiento urbano, han tomado

como política ante el fenómeno de subsidencia, la prohibición de edificar viviendas sobre zonas de

fracturamientos e inclusive en zonas aledañas a estas, desaprovechándose una gran superficie de terreno que

podría desarrollarse. Asimismo existe la práctica de demoler las construcciones ubicadas en estas zonas, sin el

reemplazo de las mismas, causando un daño irreparable en el patrimonio de las familias. Por lo anterior, se

hace necesaria la realización de estudios técnicos que den elementos para la toma de decisiones y que

permitan la implementación de nuevos sistemas estructurales para la vivienda, además de la adecuación de los

códigos y reglamentos de construcción y desarrollo urbano para permitir el aprovechamiento de las zonas en

donde existan fracturamientos.

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Figura 2 Etapas del proceso de fabricación de un perfil de acero rolado en frío de lámina delgada [Schuler GmbH, 1998]

Los estudios para conseguir este fin deben ser multidisciplinarios y deben estar sustentados en conocimientos

y desarrollos tecnológicos de vanguardia. Deben además de materializarse en productos útiles para la toma de

decisiones, tales como especificaciones y recomendaciones para la práctica de la construcción sobre zonas de

fracturamiento. Los sistemas constructivos con base en acero rolado en frío, por sus características modulares,

pueden ser apropiados para condiciones de suelo inestables, tales como las que se presentan en las zonas de

fracturamiento asociados a subsidencia.

Por otro lado, este sistema tiene un comportamiento mecánico muy favorable desde el punto de vista de

ductilidad, lo que lo hace idóneo para absorber deformaciones importantes sin sufrir daños significativos.

Asimismo, la versatilidad y practicidad de este método de construcción, permiten reparar de una manera muy

sencilla y rápida cualquier elemento estructural de la vivienda afectada. Lo anterior, sería una gran ventaja

para las autoridades regionales y locales, en el sentido de dar respuesta adecuada a las necesidades de la

población. Con este proyecto se pretende verificar la viabilidad de la utilización de sistemas estructurales con

base en acero rolado en frío para la construcción de vivienda en zonas de fracturamiento asociado a

subsidencia.

El objetivo general de este proyecto es el de analizar la viabilidad técnica de aplicar los sistemas constructivo-

estructurales a base de acero rolado en frío (light gauge steel framing - LGSF) para la construcción de

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viviendas en zonas afectadas por agrietamientos asociados al fenómeno de subsidencia. Lo anterior mediante

el cumplimiento de los siguientes objetivos específicos:

Definir las deformaciones y hundimientos característicos que se generan en los bordes de una grieta

en el suelo debida a subsidencia.

Construir e implementar un dispositivo capaz de simular en laboratorio estas deformaciones y

hundimientos.

Simular numéricamente mediante software de análisis estructural avanzado el comportamiento

estructural de una vivienda tipo LGSF ante hundimientos diferenciales del suelo ocasionados por

subsidencia.

Simular en laboratorio el comportamiento a escala natural (1:1) de una estructura de vivienda tipo,

ante hundimientos diferenciales del suelo ocasionados por subsidencia.

Evaluar el comportamiento estructural en términos de la magnitud de los esfuerzos y deformaciones

sufridas y su capacidad de recuperación a su configuración no deformada.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL DE INVESTIGACIÓN

MATERIALES ESTRUCTURALES UTILIZADOS

El acero utilizado para la fabricación de los perfiles consiste en lámina de acero rolada en caliente de calidad

comercial con un límite de fluencia de 33 ksi (ASTM A 653).

La metodología a seguir en este proyecto de investigación consta básicamente de cuatro etapas

experimentales. Cabe mencionar que el proyecto se encuentra en proceso, específicamente se está trabajando

en la Etapa 2.

ETAPA 1. FABRICACIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LGSF

Diseñar y detallar el proceso de fabricación de cada elemento estructural de LGSF, para que estos

puedan ser reproducidos las veces que sea necesario sin que existan variaciones en sus dimensiones.

Fabricar los elementos estructurales asegurando que los esfuerzos a los que se someten durante el

proceso de fabricación, sean menores que los máximos permisibles impuestos en el proceso de

diseño estructural, con el objeto de que no afecten el comportamiento posterior de todo el conjunto.

ETAPA 2. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA VIVIENDA TIPO

Diseñar y proponer los elementos estructurales más adecuados de acero rolado en frío (LGSF), para

una vivienda tipo que solamente resista las acciones más comunes (gravitacionales y accidentales-

cargas laterales), sin considerar aún el efecto de los hundimientos diferenciales que se presentan en

las zonas de fracturamiento asociados a subsidencia.

Detallar las conexiones entre los elementos estructurales de LGSF del modelo estructural de la

vivienda y revisar que los esfuerzos estén en el rango permisible.

Realizar estudios experimentales de algunos de los elementos estructurales, y de las conexiones para

verificar la respuesta real de los elementos, obteniendo curvas carga-desplazamiento.

Elaborar una memoria de cálculo que contenga la respuesta del prototipo de vivienda ante acciones

gravitacionales y de carga lateral, así como los factores de seguridad involucrados en el diseño

estructural de sus elementos.

ETAPA 3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO PARA SIMULAR HUNDIMIENTOS

Diseñar y construir una plataforma o dispositivo que permita la simulación en laboratorio de

hundimientos diferenciales tal como se observan en la realidad por el fenómeno de subsidencia.

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ETAPA 4. CONSTRUCCIÓN DE LA VIVIENDA TIPO Y EXPERIMENTACIÓN ESTRUCTURAL

Erigir y montar el modelo de vivienda tipo, con el objeto de tener mayor información sobre la

singularidades asociadas a la realidad en obra.

Caracterizar las deformaciones verticales del terreno en las zonas de fracturamiento por subsidencia

del valle de Aguascalientes.

Someter el prototipo de vivienda a condiciones de esfuerzos y deformaciones producidas por

hundimientos diferenciales similares a los observados en la superficie del terreno agrietado (bordes

de las grietas).

Instrumentación del prototipo con el objeto de registrar los desplazamientos presentados en los

puntos críticos.

Evaluar la magnitud de los daños en los elementos estructurales y determinar si estos son

permanentes o no.

Análisis y comparación de los resultados obtenidos experimentalmente con los esperados

numéricamente (Etapa 2), en términos de esfuerzos y deformaciones.

Formular las conclusiones generales y particulares de cada etapa del proyecto de investigación.

RESULTADOS OBTENIDOS

Como se mencionó anteriormente, el presente proyecto de investigación aún se encuentra en proceso, por lo

que los resultados presentados son parciales.

ETAPA 1. FABRICACIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LGSF

El proceso de fabricación que se seleccionó es el consistente en pasar la hoja de acero por una máquina

“roladora”, el número y diseño de los rodillos se realiza exclusivamente de acuerdo con el perfil que se desea

fabricar. Durante el proceso de fabricación la hoja de acero es sometida a diferentes procesos de doblado y

extensión de su superficie, es por lo que se podrá ver afectada por esfuerzos que podrían debilitar algunas

partes de su sección transversal.

Es responsabilidad del fabricante limitar al mínimo los esfuerzos que se generen al interior del perfil, para que

la respuesta estructural pueda ser aprovechada al máximo. Es por lo anterior, que para obtener un buen

resultado en la fabricación de los perfiles es muy conveniente contar con algún modelo de simulación

matemático de elemento finito de las deformaciones a las que está siendo sometida la hoja de acero, con el fin

de limitar las deformaciones máximas que se imponen en el material. En éste trabajo se empleó el programa

denominado COPRA®, el cual es un software capaz de dar la respuesta paso por paso de las máximas

deformaciones a las que está siendo sometida la hoja de acero en la obtención del perfil final. De las Figuras 3

a la 6 se presentan algunos resultados obtenidos con este programa de cómputo para la fabricación del perfil.

Figura 3 Sección transversal del ángulo Figura 4 Diseño de la 'flor' que determina el número de dobleces para obtener el perfil final

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En el proceso de dimensionamiento de los rodillos se tiene que presentar fase por fase los pasos descritos en

la “flor”, y para cada fase diseñar el rodillo, es decir proporcionar diámetro y ancho de rodillo, que provoque

las deformaciones necesarias para la obtención de la forma requerida.

En las Figuras 7 a la 12 se muestra la simulación numérica para obtener diámetros y anchos requeridos de los

rodillos que definen al perfil de sección transversal tipo ángulo.

ETAPA 2. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA VIVIENDA TIPO

Para fines de diseñar estructuralmente y ensayar en laboratorio un prototipo a escala 1:1, se eligió una

vivienda en un nivel correspondiente a un prototipo del Instituto de Vivienda del Estado de Aguascalientes

(IVEA), que normalmente ejecutaban con mampostería reforzada interiormente de blocks de concreto y

sistema de losa de azotea a base de viguetas y bovedillas. En la Figura 13 se muestra la planta arquitectónica

de dicha vivienda.

Figura 5 Diseño de la 'flor' con los valores

de deformaciones máximas por etapa

Figura 6 Valores de deformaciones máximas

que aparecen en los extremos del perfil

Figura 7 Fase 1, la lámina inicia el proceso de deformación

Figura 8 Fase 2, se da inicio al

proceso de doblado de lámina Figura 9 Fase 3, el extremo se

deforma 90°

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Análisis estructural

En el proceso de estructuración de la vivienda se consideraron los criterios y las técnicas constructivas

correspondientes a este tipo de sistema constructivo-estructural (LGSF)-(Dannemann, 2005) y (Sarmanho y

Moraes, 2007). Para llevar a cabo el análisis estructural de dicha vivienda, se han utilizado herramientas

informáticas comerciales, en las cuales se realizó un análisis en tres dimensiones lineal de primer orden, es

decir admitiendo proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones, el principio de superposición de

acciones, y un comportamiento lineal y geométrico de los materiales y la estructura, considerando

combinaciones de cargas gravitacionales (permanentes y variables) y accidentales (viento y sismo).

Mediante dichos análisis se obtuvieron los elementos mecánicos de los miembros estructurales, los cuales se

comparan con las capacidades máximas permisibles de cada perfil en función del tipo de demanda al que

estén sujetos (compresión, tensión, flexión, flexocompresión, cortante, torsión y/o una combinación de todas).

En la Figura 14 se muestra una imagen correspondiente a la modelación y/o estructuración en 3D de la

vivienda bajo análisis en un software comercial de análisis estructural.

Diseño estructural

El proceso de diseño estructural del prototipo de vivienda bajo estudio consiste en el dimensionamiento de los

elementos metálicos de acero rolado en frío de acuerdo a la especificación 1997 del AISI (American Iron and

Steel Institute)-(AISI, 1997), determinándose los esfuerzos y deformaciones, así como la estabilidad, de

acuerdo a los principios de la mecánica racional y la resistencia de materiales, mediante un cálculo lineal de

primer orden. La estructura se supone sometida a las acciones exteriores, ponderándose para la obtención de

los esfuerzos y comprobación de secciones, y sin mayorar para las comprobaciones de deformaciones, de

acuerdo con los límites de agotamiento de esfuerzos y límites de flecha establecidos.

Figura 10 Fase 4, se inicia el proceso de doblado de la región

central

Figura 11 Fase 5, continúa el proceso de doblado de la

región central

Figura 12 Fase 6, se obtiene la forma final del perfil

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Figura 13 Planta arquitectónica de la vivienda bajo análisis

REC 01

SALA/COMEDOR

COCINABAÑO

COCHERA

PATIO

CLOSET

METROS

N.P.T. +0.00

N.P.T. +0.00

N.P.T. +0.00

N.P.T. +0.00

N.P.T. -0.10

N.P.T. -0.05

N.P.T. -0.10CTO. SERVICIO

a'

a

REC 03

REC 02

CLOSET

CLOSET

A

BC

DE

FG

H

IJ

15,00

0,68

3,00

1,40

0,60

3,00

0,68

2,80

0,58

2,28

3,68

5,00

4,05

2,85

1,651,351,351,65

31 2 4 56,00

3,00 3,00

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Figura 14 Modelo 3D de la estructura de la vivienda

Asimismo, es de significativa importancia en el diseño de estos elementos, la consideración del pandeo local,

distorsional y lateral-torsional. En este sentido, se utilizaron los siguientes recursos con el objeto de diseñar

los perfiles y/o revisar las capacidades estructurales de los mismos, una vez obtenidos los elementos

mecánicos del análisis estructural:

Método prescriptivo

Se utilizaron dos métodos prescriptivos llamados "Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel

Framing". Uno de ellos publicado por el "U.S. Department of Housing and Urban Development Office of

Policy Development and Research Washington, DC" co-financiado por "The American Iron and Steel

Institute Washington, DC and The National Association of Home Builders Washington, DC by NAHB

Research Center, Inc." con fecha de publicación de Agosto de 1997, (Prescriptive Method, 1997). El otro fue

publicado por la "NASFA - North American Steel Framing Alliance", con fecha de publicación de Octubre de

2000.

El objeto de utilizar métodos prescriptivos radicó en seguir los criterios y lineamientos básicos de tipo

estructural y poder tener un "pre-diseño" de la estructura, con el objeto de optimizarla posteriormente en

función de análisis más complejos y detallados.

Hojas de cálculo de elaboración propia

Se elaboraron hojas de cálculo en las cuales mediante métodos directos o iterativos se obtienen las

capacidades estructurales permisibles de cada sección bajo los criterios ASD y LRFD según el reglamento de

la AISI. A manera de ejemplo se muestra en la Figura 15 una hoja de cálculo para determinar los momentos

permisibles de diseño de un perfil tipo canal con ceja de acero rolado en frío.

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Figura 15 Hoja de cálculo para determinar los momentos permisibles de canal con ceja

Software comercial de distribución gratuita

También se utilizó software de distribución gratuita con fines académicos o de investigación y comerciales,

con el objeto de comparar los resultados obtenidos con los métodos prescriptivos y con las hojas de cálculo

elaboradas. Estos programas son los siguientes: CUFSM 3.12 (Schafer y Ádány, 2006), AISIWIN v8.04 y

CFS Versión 6.0.2.

En este trabajo no se presentará ningún resultado relativo a análisis y diseño estructural de la vivienda, ya que

en general los resultados todavía no son concluyentes ni definitivos.

ETAPA 3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO PARA SIMULAR HUNDIMIENTOS

En paralelo a la Etapa 2, se está comenzando a trabaja en la Etapa 3, la cual consiste en diseñar y construir

una plataforma o dispositivo que permita la simulación en laboratorio de hundimientos diferenciales tal como

se observan en la realidad por el fenómeno de subsidencia. En este sentido, se tiene ya un avance en el diseño

conceptual de dicha plataforma, el cual se muestra en la Figura 16.

Básicamente la plataforma consiste en 18 sub-plataformas que podrán tener un desplazamiento vertical

independientemente de las otras, de tal forma que sea posible simular los hundimientos característicos de una

discontinuidad por subsidencia, pudiendo representar varias configuraciones de fallamientos.

CONCLUSIONES

El acero rolado en frío es una alternativa muy interesante para la construcción de vivienda, ya que presenta

varias ventajas sobre otros materiales de construcción tradicionales, sin embargo, es necesario considerar

muchos factores adicionales en el proceso de análisis y diseño estructural, ya que al ser un material rolado de

lámina delgada es más susceptible de verse afectado por efectos de pandeo en su sección. Asimismo, el

proceso de fabricación de acero rolado en frío es un factor crítico para el comportamiento estructural, debido

a que durante el proceso de doblado y conformado de la sección, se pueden inducir deformaciones y esfuerzos

que pueden reducir la resistencia o capacidad de la sección.

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Figura 16 Diagrama conceptual de funcionamiento de plataforma para subsidencia

PLATAFORMA DE FALLA 12.0 x 6.0m

(PLANTA)

PLATAFORMA DE FALLA

(PERFIL)

CUARTO DE

MAQUINAS

CUARTO DE

MAQUINAS

18 PLATAFORMAS DE TIRO, CADA UNA CON UNA FUERZA DE

15 TONELADAS CON GATOS DE DOBLE CARRERA

PLATAFORMA DE FALLA

(MONTAJE DE VIVIENDA)

CUARTO DE

MAQUINAS

VIVIENDA ARF

LINEA DE FALLA

PLATAFORMA DE

TIRO 2.0x2.0m

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Por otro lado, una vez cumplidos los objetivos de este proyecto de investigación será posible dar una

respuesta satisfactoria al problema de daños en viviendas debidos a los asentamientos y hundimientos

diferenciales provocados por subsidencia del suelo, ya que debido a sus propiedades mecánicas, permitirá

"absorber" de manera adecuada las deformaciones provocadas por los hundimientos diferenciales del suelo

sin sufrir daños considerables en su estructura.

Asimismo, la posibilidad de llevar a cabo reparaciones de una manera sencilla y rápida, en viviendas

construidas mediante este sistema y dañadas por subsidencia del suelo. Por otro lado, al ser un método de

construcción industrializado, se reducen significativamente los tiempos de ejecución y por lo tanto los costos

de construcción. Por último, los costos de rehabilitación, reparación y/o refuerzo estructural de estas viviendas

una vez dañadas por subsidencia del suelo, serán mucho menores que aquellos correspondientes a los sistemas

de construcción tradicional de vivienda.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer al Fondo de Desarrollo Científico y Tecnológico para el Fomento de la

Producción y Financiamiento de Vivienda y el Crecimiento del Sector Habitacional CONAVI-CONACYT

por el financiamiento de este proyecto de investigación (clave 105212), así como a la Universidad Autónoma

de Aguascalientes (UAA).

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