Comportamiento sismo resistente en edificaciones con la implementación del sistema estructural metálico de rejilla rígida perimetral
Earthquake resistant behavior in buildings with the implementation of the metal structural system
of rigid perimeter
grid
Natalie Huerta de la Cruz
https://orcid.org/0009-0006-3556-5687
Eduardo Mayhuire Zuñiga
https://orcid.org/0009-0007-0196-0643
Esther Vargas Chang
https://orcid.org/0000-0003-3500-2527
Facultad de Ingenieria Civil
de la Universidad Ricardo Palma
RECIBIDO: 20 de enero de 2023
ACEPTADO: 18 de mayo de 2023
Autor corresponsal:
Cómo citar
N. Huerta de la Cruz, E. Mayhuire Zuñiga, y E. Vargas Chang, «Comportamiento sismo resistente en edificaciones con la implementación del sistema estructural
metálico de rejilla rígida
perimetral», Perfiles_Ingenieria, vol. 19, n.º 19,
pp. 55–66, jun. 2023.
RESUMEN
La investigación está enfocada en el estudio
del comportamiento sismorresistente de dos sistemas
estructurales: el sistema
metálico de rejilla
rígida perimetral y sistemas convencionales existentes en nuestro entorno, específicamente en
terrenos ubicados en zonas sísmicas
“4” tales como Lima Metropolitana. La delimitación
territorial es al mayor riesgo sísmico al que
se someten las edificaciones en comparación a otras regiones donde no se han registrado movimientos telúricos de gran importancia. De este modo, al simular las edificaciones en los peores
escenarios de impacto estructural,
se obtendrán resultados mucho más eficientes
y realistas en lo que respecta a su comportamiento estructural en la realidad. Las estructuras con el sistema metálico de rejilla rígida se analizaron
de acuerdo con el número de
pisos y al ángulo de inclinación de cada rejilla, asimismo,
en base a las especificaciones y requerimientos
técnicos brindados por la Norma Técnica Peruana
E.030: Diseño Sismorresistente, se procedió a
modelar cada estructura haciendo uso de un software ingenieril y de este modo a través de la
obtención de resultados poder
cuantificar el comportamiento sísmico de las edificaciones.
ABSTRACT
The research is
focused on the study of the seismic behavior of two structural systems: the
metallic system of rigid perimeter grid and existing conventional systems in
our environment, specifically in land located in seismic zones "4"
such as Metropolitan Lima. The territorial delimitation is the greater seismic
risk to which the buildings are subjected in comparison to other regions where
no telluric movements of great importance have been registered. By simulating
the buildings in the worst scenarios of structural impact, we will be able to
get more efficient and realistic results in relation to their real structural
behavior. The rigid grid steel system structures were analyzed according to the
number of storeys and the inclination angle of each grid, likewise, based on
the technical specifications and requirements provided by the “Norma Técnica
Peruana E.30: Diseño Sismo resistente”, we proceed to model each structure
using a engineering software and in this way, through the obtention of the
results, we will be able to quantify the seismic behavior of the buildings. Furthermore,
it can be verified that opting to use the steel structural system does not
imply exorbitant overhead charges in comparison to any conventional system.
Keywords: seismic analysis, diagrid structural system, dynamic analysis, seismic
behavior.
I. INTRODUCCIÓN
La ingeniería sísmica
ha permitido conocer el comportamiento de las estructuras ante los sismos,
facilitando a los profesionales de esta materia diseñar sistemas antisísmicos
más efectivos tales como el Diagrid o rejilla rígida perimetral. Esta ciencia integra
diversos conocimientos estructurales y sismológicos para lograr un diseño
sismorresistente. El sistema estructural Diagrid fusiona dos subsistemas
existentes q ue permiten una efectiva disipación de
energía a través de la correcta cohesión de sus principales elementos
estructurales antisísmicos.
En los últimos años
se muestra un aumento de la población, lo cual implica una mayor demanda en las
obras de edificios de gran altura. Este incremento vertical de las
construcciones provoca que existan más grandes indagaciones relacionadas con
las respuestas sísmicas que logren tener los inmuebles frente a cualquier
acontecimiento telúrico, a fin de defender y de asegurar la estabilidad de los
individuos que las habiten.
Por tal motivo, se
presenta la siguiente investigación, mediante procedimientos analíticos y
modelamiento numérico apoyados de la Norma Técnica Peruana E.030 Diseño
Sismorresistente y de un software ingenieril, se busca cuantificar la respuesta
dinámica de una estructura diseñada con sistema estructural Diagrid, a fin de
evaluar la eficiencia de este sistema de disipación energética frente a algún
evento sísmico.
Para lo cual, se
realiza un análisis dinámico del edificio con sistema estructural Diagrid
obteniendo su respuesta sísmica en cuanto a derivas, desplazamientos, esfuerzos
torsionales y fuerzas cortantes, a fin de cuantificar la mejora del
comportamiento estructural en comparación de los sistemas estructurales
convencionales. Con ello se generan las conclusiones correspondientes, las
cuales responden a los objetivos e hipótesis, y se presentan recomendaciones
que se deben tener en cuenta para futuras investigaciones.
I1. OBJETIVOS
Objetivo General:
·
Determinar
de qué manera el sistema metálico de rejilla rígida perimetral influye en el comportamiento
sismorresistente de las edificaciones.
Objetivos
específicos:
·
Determinar
la influencia del número de pisos de una edificación con sistema estructural
metálico de rejilla rígida en su comportamiento sismorresistente.
·
Determinar
de qué manera el grado de inclinación de las rejillas en el sistema estructural
metálico de rejilla rígida influye en su comportamiento sismorresistente.
III. METODOLOGÍA
La presente investigación es de tipo descriptivo con enfoque cuantitativo, debido a que el estudio se enfoca en medir las variables en
un sistema numérico, analizando estas medidas usando una variedad de modelos
estadísticos, reportando relaciones y asociaciones entre estas variables.
Para el procesamiento
de datos, se hace uso del programa Excel, para determinar los factores y
parámetros de mayor incidencia en el comportamiento sismorresistente de las
edificaciones con sistema estructural metálico de rejilla rígida perimetral.
Finalmente, se realizan cuadros comparativos entre los indicadores y
dimensiones de cada variable.
IV. RESULTADOS
4.1. Presentación de Resultados
4.1.1.Primer Modelamiento por Sukrawa M., Pringanna, G. y Tryatra, P. (2019)
El primer
modelamiento comprende de una edificación de 10 pisos analizado con tres
diferentes sistemas estructurales: Diagrid, de Pórticos Convencionales y de
Arriostres Metálicos. De acuerdo con ello, se obtuvieron los resultados
mostrados en la Tabla 1.
Tabla 1
Relación de fuerzas internas relativa al Sistema Diagrid.
Fuente: Sukrawa M, Pringanna, G., Tryatra, P., 2019.
Asimismo, se muestra en la Tabla 2 los desplazamientos
por piso de la edificación analizada.
Tabla 2
Desplazamiento por piso.
Fuente: Sukrawa M, Pringanna,
G., Tryatra, P., 2019.
Figura 1:
Desplazamientos
laterales causados por las fuerzas horizontales de sismo por cada sistema
estudiado.
Nota: Sukrawa,
M., Pringgana, G.,
Diva, P. (2019).
Los resultados
evidencian un superior comportamiento sismorresistente por parte del sistema
estructural Diagrid. Los desplazamientos en el último piso demuestran de manera
notable la gran capacidad de este sistema innovador para manejar y soportar las
diferentes fuerzas aplicadas sobre la edificación, como se muestra en la Figura
1.
4.1.2. Segundo Modelamiento por Rudrappa, P., Maheshwarappa, S. (2018)
El segundo
modelamiento consta de una edificación de 12 pisos, la cual será analizada con
dos principales sistemas estructurales: Diagrid y de pórticos. A su vez, el
sistema estructural Diagrid se analiza de acuerdo con el ángulo de inclinación
de las rejillas componentes, el cual varía entre 40° a 80°. Esto quiere decir
que hay un análisis sismorresistente por cada ángulo de inclinación establecido
en las investigaciones. De esta manera, se obtienen los resultados de la Tabla
3 y Figura 2.
Tabla 3:
Fuerza Cortante
Basal por cada modelo
estructural planteado
.
Nota: Rudrappa, P., Mahesh warappa (2018)
Tabla 4:
Desplazamiento del último piso por cada modelo estructural planteado.
Figura 3:
Desplazamiento del último piso
por cada modelo estructural planteado.
Nota: Rudrappa, P., Maheshwarappa (2018)
La Tabla 4 y Figura 3 demuestran que el comportamiento
sismorresistente del sistema
estructural convencional de pórticos es inferior o ineficaz frente a la
respuesta sísmica de los sistemas
estructurales Diagrid. Esto se evidencia principalmente en los desplazamientos máximos por cada sistema estructural propuesto.
4.1.3.Tercer Modelamiento por Quiroz, A., Terán, A. y Serrano, M. (2017)
El tercer modelamiento propuesto, trata de una
edificación de 25 pisos, que es analizada
con la aplicación del sistema estructural innovador Diagrid y el sistema tradicional de pórticos. Cabe resaltar que
las investigaciones establecen un ángulo de inclinación
de 70° a las rejillas perimetrales que componen el sistema estructural Diagrid.
Figura 4:
Curva de
capacidad del sistema innovador Diagrid y sistema estructural tradicional.
Nota: Quiroz,
A., Terán, A. y Serrano,
M. (2017)
La Figura 4 constata la eficiente capacidad
estructural del sistema innovador Diagrid frente al sistema tradicional de pórticos en cuanto a ductilidad, debido a que el
mecanismo de disipación de energía del sistema Diagrid le permite adoptar o soportar mayores desplazamientos relativos
sin que la edificación padezca de daños estructurales considerables en sus elementos.
4.1.4.Cuarto Modelamiento por Quispe, F. (2021)
El cuarto modelamiento consta de una edificación de 8 pisos con la aplicación
del sistema estructural de rejilla rígida perimetral o Diagrid. En base a ello, se obtienen los resultados mostrados
en la Tabla 5 y Figura 5 en cuanto a desplazamientos relativos por cada piso en dos principales direcciones de análisis.
Tabla 5:
Desplazamiento relativo
de cada piso en modelo estructural Diagrid.
Fuente: Quispe,
F., 2021.
Figura 5:
Desplazamiento relativo de
cada piso en modelo estructural Diagrid.
Nota: Quispe, F. (2021)
1.1.5.Quinto Modelamiento por Núñez, J. (2018)
El último modelamiento trata de una edificación de 6 pisos, la cual es analizada con la aplicación de dos
principales sistemas estructurales: De pórticos y Diagrid, este último a su vez se examina con dos variaciones en cuanto a las características propias de las rejillas
perimetrales componentes del sistema; resultados que se muestra en la Tabla 8.
Tabla 6 :
Desplazamiento por piso de cada modelo estructural planteado.
Fuente: Núñez, J., 2018
Figura 6:
Nota: Núñez, J. (2018)
En la Figura 6 constata de manera notable,
la superioridad del sistema estructural Diagrid frente al sistema convencional de pórticos en cuanto al comportamiento sismorresistente, esto debido a la diferencia apreciable entre los desplazamientos
máximos en cada sistema producidos por la acción sísmica aplicada en la edificación.
1.2. Análisis de Resultados
Tabla 7 :
Desplazamientos máximos en cada modelamiento con los
diferentes sistemas estructurales planteados.
Fuente: Elaboración Propia.
Los resultados constatan que la aplicación del sistema estructural
Diagrid supera a los otros sistemas
estructurales planteados en cuanto al comportamiento sismorresistente, esto se evidencia principalmente en los
desplazamientos máximos obtenidos en cada edificación
analizada, como se aprecia en la Tabla 9. Por lo tanto, el sistema metálico de rejilla rígida perimetral favorece
el comportamiento sismorresistente de edificaciones.
Tabla 8:
Fuente: Elaboración Propia.
Tabla 9:
Incremento de desplazamiento por piso.
Fuente:
Elaboración Propia.
La Tabla 8 y Tabla 9 se comprueba que el número de pisos en una edificación con sistema estructural metálico de rejilla
rígida sí influye
en su comportamiento sismorresistente. Se ha constatado que mientras
más pisos tenga una edificación,
mayor será el desplazamiento lateral en el último piso, este incrementará aproximadamente en un 20% por cada
piso en aumento.
Tabla 10:
Incidencia del ángulo de inclinación en el incremento de desplazamiento por piso.
De los resultados mostrados en la Tablas 10 y Tabla
12, se concluye que en efecto el grado de inclinación de las rejillas en
el sistema estructural metálico de rejilla
rígida de una edificación influye en su comportamiento sismorresistente. Los desplazamientos laterales máximos en una edificación con sistema estructural metálico de rejilla rígida incrementan aproximadamente en un 10%
por cada grado de inclinación que se incremente en la rejilla.
2. Conclusiones
y Recomendaciones
·
El sistema
metálico de rejilla
rígida influye en el comportamiento sismorresistente de las edificaciones, esto se evidencia gracias
al aporte que brinda cada elemento
estructural componente. Asimismo, de acuerdo con los resultados de otras investigaciones, se puede constatar que el
propio sistema le brinda mayor
ductilidad a todo el edificio en operación, esto inhibe mayores daños estructurales
en todo el edificio.
·
El número
de pisos en la edificación con sistema estructural Diagrid, influye en el comportamiento sismorresistente de la
misma, los desplazamientos totales en el último piso se incrementan en un alrededor
del 20% por cada piso en aumento.
·
El grado de inclinación de las rejillas
en el sistema estructural metálico
de rejilla rígida de una
edificación influye en su comportamiento sismorresistente, los desplazamientos totales
en el último piso se incrementan en un alrededor
del 10% por cada grado de inclinación en aumento.
·
Si el
grado de inclinación de las rejillas en el sistema Diagrid aumenta en gran medida,
se podría comprometer de manera perjudicial el comportamiento sismorresistente del edificio, en el sentido
de que habrá mayores desplazamientos laterales en cada piso. El
grado de inclinación de las rejillas está
relacionado con la altura de la edificación, mientras más alto el edificio, mayor será el grado
de inclinación de las rejillas.
·
Es
recomendable trabajar con el mayor número de investigaciones relacionadas al producto final, debido a que existen
diversos factores a tomar en cuenta, y cada
investigador podría tener una perspectiva diferente en cuanto al cálculo y obtención de resultados. En temas como
ingeniería estructural e ingeniería sismorresistente, cada parámetro o especificación a trabajar,
podría influir de manera importante los resultados de la investigación. Por ello siempre
se recomienda revisar
todas las especificaciones de la metodología en cada investigación a usar en una tesis
descriptiva, porque los resultados finales de
cada documento a reunir podrían
no estar relacionados en su totalidad.
·
Se recomienda promover e incentivar el estudio de nuevos sistemas
estructurales capaces de brindar a la edificación un comportamiento sismorresistente eficiente, sistemas cuyo
mecanismo de disipación de energía sea
el más competente, en cuanto a desplazamientos relativos máximos y daños estructurales en la edificación. Una de
las funciones principales de cualquier edificación
es brindar confianza y seguridad a cualquier persona o ciudadano que la ocupe, es por eso por lo que se
destaca la importancia de la continua búsqueda de mejores sistemas
estructurales, así como la exigencia
de los ingenieros para brindar
un producto que beneficie completamente a la población.
Referencias Bibliográficas
[1] J. Puma, “Atenuación sonora por
barreras acústicas a base de residuos orgánicos para reducir el nivel de ruido en una Avenida principal, Puente
Piedra, 2018”, tesis de pregrado,
Universidad César Vallejo, 2018 [Enlínea]. Disponible
en:
https://bit.ly/3pF0sqB [Accedido:30-dic-2021]
[2] Resumen UNE en 14388
“Dispositivos de reducción de ruido de tráfico de carreteras. Especificaciones”, Asebal [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/3FGHaXf [Accedido:30-dic-2021]
[3] Resumen UNE en 1793-1 “Características relativasa la absorción acústica”, Asebal [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/32QnVfz [Accedido:30-dic-2021]
[4] Resumen UNE en 1793-2“Características intrínsecas relativas al aislamiento al ruido aéreo”, Asebal [En línea].
Disponible en: https://bit.ly/32Floox [Accedido:30-dic-2021]
[5] Resumen UNE en 17941“Comportamiento
mecánico y requisites de estabilidad”, Asebal [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/3JmXK0C [Accedido:30-dic- 2021]
[6] Resumen UNE en 1794-2 “Requisitos
en relación con la seguridad general y el medioambiente”, Asebal [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/3qxSEpT [Accedido:30-dic-2021]
[7] R.Quirós,“Estudio de pantallas acústicas elaboradas apartir de green composites”, tesis de maestría, Universidad Politécnica de Valencia, 2013 [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/3sLqQkG [Accedido:30-dic-2021]
[8] “Pantalla Acústica Metálica”, Insametal, 2021. [En línea].
Disponible en: https://insametal.es/pantalla-acustica-metalica/ [Accedido:30-dic-2021]
[9] M. Serrano, L. Abad, R. Magro, y
T. García, “Estudio de la tipología de las pantallas acústicas. Normativa
y estado del arte”, Tecnología y desarrollo, vol. 7,
pp. 1-44, 2009 [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/3ezCh6v [Accedido:30- dic-2021]
[10] L. Romero, D. Bravo, y C. Tufiño, “Contaminación sonora en el
paradero Benavides en la ciudad de
lima y la afectación en poblaciónes aledañas (horario diurno)”, 2017 [En línea]. Disponible en: https://bit.ly/33YQgAG
[Accedido:30- dic-2021]
Natalie Huerta de la Cruz
Facultad de Ingenieria Civil de la Universidad Ricardo
Palma
https://orcid.org/0009-0006-3556-5687
Autor
corresponsal: 201810483@urp.edu.pe
Eduardo Mayhuire Zuñiga
Facultad de Ingenieria Civil de la Universidad Ricardo
Palma
https://orcid.org/0009-0007-0196-0643
Esther Vargas Chang
Facultad de Ingenieria Civil de la Universidad Ricardo
Palma
https://orcid.org/0000-0003-3500-2527
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