Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural · normas del Instituto Mexicano de la Construcción de Acero (IMCA), nos recomiendan que: “El peralte de las vigas de acero que soportan

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

DEFECTOS EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS

Rafael Alberto Forsbach Prieto1 y Oliver Ubando Franco

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RESUMEN

Este es el estudio de una estructura metálica industrial de 3 niveles, con 6,000 m2 construidos, calculada a

principios del año 2009 y construida durante ese mismo año y principios de 2010, con una problemática

estructural que se inicia en el desarrollo del proyecto, presentando los siguientes defectos en el diseño:

geométricos de peralte de vigas, de compatibilidad de espesores de patín de vigas con espesores de placa de

columnas, de flechamiento vertical de vigas, de falta de rigidez lateral de la estructura ante efectos sísmicos y

de resistencia de elementos estructurales, entre otros.

ABSTRACT

This paper studies an industrial metallic structure of 3 floors, with 6,000 m2 built. It was analyzed at the

beginning of 2009 and built during that year and early 2010 with structural problems that started with the

project development, manifesting the following design defects: geometric problems in beam section height,

vertical beam deflections, lack of lateral structure stiffness upon seismic effects and structural element

resistance, among others.

INTRODUCCIÓN

Se trata de una estructura metálica, con defectos que la imposibilitan para funcionar como una estructura

segura debido a fallas en su diseño estructural. Es una estructura construida a finales del año 2009 y principios

del año 2010, calculada con un software especializado en cálculo estructural, pero con una alta deficiencia de

quien se encargó de su diseño, el cual se hizo siguiendo el Reglamento de Construcciones para el Distrito

Federal (RCDF), y sus Normas Técnicas Complementarias (NTC).

Figura 1.- Vista en Perspectiva del Modelo Estructural

1 Corresponsable en Seguridad Estructural, Puente no. 126, Col. Jardines del Sur, 16050 México, D.F.

Teléfono: (55)5676-7121; [email protected]

2 Director General de Ubando Ingeniería S.A. de C.V., Zamora no. 153-3, Col. Condesa, 06160 México,

D.F. Teléfono: (55)5256-0989; Fax: (55) 5256-0989; [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato 2010.

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Este estudio corresponde a un edificio industrial a base de estructura metálica, con un área construida de

6,000 m2, distribuidos en planta baja y tres niveles estructurales como se muestran en las figuras 1, 2 y 3.

Figura 2.- Dimensiones en Planta de la Estructura

Figura 3.- Estructuración en Planta

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La estructura es a base de marcos rígidos de acero, las trabes principales y secundarias son del tipo IR de 12”

nominales de peralte, y las columnas son del tipo HSS y de 4 placas soldadas,; toda la estructura está

construida con acero del tipo A572-grado 50, con un límite a la fluencia de Fy=3,515 kg/cm2. Las losas son

del tipo Losacero IMSA sección 4, calibre 22, con capa de compresión de concreto por encima de la cresta de

5 cm de espesor, con una resistencia a la compresión de f‟c= 200 kc/cm2, reforzado con una malla

electrosoldada del tipo 6x6-10/10

Figura 4.- Detalle de Losacero con Pernos de Cortante

La problemática se mostró desde el inicio del montaje de la estructura metálica, ya que el volado del eje (a8)

al (a9), con una longitud de 8,130 mm, se flechó rebasando lo permitido por el RCDF, posteriormente las

vigas que soportan la losacero de la azotea también se flecharon rebasando los límites permitidos por el

RCDF y sus NTC siendo la flecha máxima en ese momento de 120 mm y la permisible para el claro de

15,450 mm de 69.4 mm.

DEFECTOS ENCONTRADOS

DEFECTOS GEOMÉTRICOS DE PERALTE DE VIGAS

De las inspecciones estructurales que realizamos, se pudo observar que las vigas de la estructura, sobre todo

las de 15,450 mm de longitud, localizadas sobre los ejes (a1) al (a9) entre los ejes (aF) y (aG), tienen poco

peralte, variando para el eje (a4) del nivel 1 con h= 341 mm y para los ejes (a2) y (a8) con h= 427 mm, esto

nos da una relación de claro a peralte de 45.3 y de 36.2 respectivamente; sabemos que cuando dicha relación

excede de 24 (vieja recomendación aceptada en el medio), la viga presentará vibraciones severas creando

sensación de inseguridad, pudiendo dañar equipo delicado sobre todo cuando se arma una línea de producción

como es el caso.

En el punto 1.13.2 de los Comentarios sobre las Especificaciones, Código de Prácticas y Apéndices a las

normas del Instituto Mexicano de la Construcción de Acero (IMCA), nos recomiendan que: “El peralte de las

vigas de acero que soportan áreas grandes de pisos sin muros divisorios ni otras fuentes de amortiguamiento,

no será menor que 1/20 del claro, con objeto de reducir las vibraciones perceptibles producidas por el

tránsito de peatones”.

En esta estructura el peralte mínimo recomendado por la norma IMCA es de (15,450/20) = 772.5 mm, que

comparado con lo existente que es de 341 a 427 mm, muestra que no se cumple con el mínimo especificado,

por lo que la estructura presentará vibraciones que pondrán en riesgo la funcionalidad de los equipos de

precisión, así como el incremento en las flechas de dichas trabes provocando en el futuro amplitudes mayores,

pudiendo dañar la estructura, poniendo en riesgo su seguridad y estabilidad.


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DEFECTOS DE COMPATIBILIDAD DE ESPESORES DE PATÍN DE VIGAS CON ESPESORES DE PLACA DE COLUMNAS.

Por otro lado observamos que los espesores de los patines de las vigas exceden por mucho el espesor de las

placas de las columnas lo que hace que las conexiones no puedan desarrollar toda su capacidad como marco

rígido, ya que si el área transversal del patín de la viga excede el área transversal de la placa de la columna en

que se conecta, no sólo no se puede desarrollar el momento resistente entre trabe y columna sino que además

se corre el riesgo de arrancar parte de la placa de la columna pudiendo provocarse un colapso.

En las tablas siguientes se aprecia el tipo de columna con su espesor de placa y el tipo de trabe con su espesor

de patín, obteniéndose la relación (Espesor de Trabe/Espesor de Columna) para visualizar cuantas veces es

mayor el espesor del patín de la trabe comparado con el espesor de la columna.

Nivel 1

Figura 5.- Secciones de Trabes del Nivel 1

Figura 6.- Secciones de Columnas de Planta Baja

Para el nivel 1, la relación que existe entre el espesor del patín de vigas y el espesor de placa de columnas,

varía de 1.99 a 3.93 como se muestra en la tabla 1.

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Tabla 1.- Columnas de Planta Baja y Trabes del Nivel 1

Eje (aF) Eje(aG)

EJE Tipo de Columna Tipo de Trabe Tipo de Columna EspTrabe/EspCol

(A1) CM4 (15.8 mm) TM20 (39.6mm) CM4 (15.8mm) (2.51) y (2.51)

(A2) CM11 (31.8mm) TM26 (75.1mm) CM6 (22.2mm) (2.36) y (3.38)

(A3) CM4 (15.8mm) TM20 (39.6mm) CM4 (15.8mm) (2.51) y (2.51)

(A4) CM3 (12.7mm) TM18 (31.5mm) CM4 (15.8mm) (2.48) y (1.99)

(A5) CM5 (19.1mm) TM24 (57.2mm) CM5 (19.1mm) (2.99) y (2.99)

(A6) CM4 (15.8mm) TM22 (48.3mm) CM4 (15.8mm) (3.06) y (3.06)

(A7) CM3 (12.7mm) TM20 (39.6mm) CM3 (12.7mm) (3.12) y (3.12)

(A8) CM13 (19.1mm) TM26 (75.1mm) CM13 (19.1mm) (3.93) y (3.93)

Figura 7.- Conexión de Columna CM13 de Planta Baja a Trabe TM26 de Primer Nivel

Nivel 2



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Figura 9.- Secciones de Columnas del Nivel 1



Tabla 2.- Columnas de Nivel 1 y Trabes del Nivel 2

Eje (aF) Tipo de Trabe Eje(aG)

EJE Tipo Columna Tipo de Trabe Tipo de Columna EspTrabe/EspCol

(A1) CM4 (15.8mm) TM20 (39.6mm) CM4 (15.8mm) (2.51) y (2.51)

(A2) CM11 (31.8mm) TM26 (75.1mm) CM6 (22.2mm) (2.36) y (3.38)

(A3) CM4 (15.8mm) TM20 (39.6mm) CM3 (12.7mm) (2.51) y (3.12)

(A4) CM2 (9.5mm) TM19 (35.6mm) CM4 (15.8mm) (3.75) y (2.25)

(A5) CM5 (19.1mm) TM24 (57.2mm) CM4 (15.8mm) (2.99) y (3.62)

(A6) CM4 (15.8mm) TM22 (48.3mm) CM3 (12.7mm) (3.06) y (3.80)

(A7) CM2 (9.5mm) TM20 (39.6mm) CM2 (9.5mm) (4.17) y (4.17)

(A8) CM13 (19.1mm) TM25 (68.7mm) CM12 (15.8mm) (3.60) y (4.35)

Figura 10.- Conexión de Columna CM12 de Primer Nivel a Trabe TM25 de Segundo Nivel

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Nivel 3


Figura 12.- Secciones de Columnas del Nivel 2



Tabla 2.- Columnas de Nivel 2 y Trabes del Nivel 3

Eje (aF) Tipo de Trabe Eje(aG)

EJE Tipo Columna Tipo de Trabe Tipo de Columna EspTrabe/EspCol

(A1) CM3 (12.7mm) TM17 (28.1mm) CM3 (12.7mm) (2.21) y (2.21)

(A2) CM7 (25.4mm) TM24 (57.2mm) CM4 (15.8mm) (2.25) y (3.62)

(A3) CM3 (12.7mm) TM20 (39.6mm) CM2 (9.5mm) (3.12) y (4.17)

(A4) CM2 (9.5mm) TMXX (30mm) CM4 (15.8mm) (1.90) y (1.90)

(A5) CM4 (15.8mm) TM22 (48.mm3) CM2 (9.5mm) (3.06) y (5.08)

(A6) CM3 (12.7mm) TM21 (49.1mm) CM2 (9.5mm) (3.87) y (5.17)

(A7) CM1 (7.9mm) TM20 (39.6mm) CM2 (9.5mm) (5.01) y (4.17)

(A8) CM12 (15.8mm) TM24 (57.2mm) CM12 (15.8mm) (3.62) y (3.62)


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Figura 13.- Conexión de Columna CM2 de Segundo Nivel a Trabe TM21 de Tercer Nivel

Como puede observarse la situación es bastante complicada, agravándose debido a que las columnas no

cuentan con atiesadores interiores, por lo que la capacidad resistente de la estructura original ante carga

sísmica se ve fuertemente reducida.

DEFECTOS DE FLECHAMIENTO VERTICAL

Ya mostramos que la estructura no forma marcos rígidos, teniendo como consecuencia, ante carga vertical,

que sus conexiones trabe columna estén cediendo e incrementen las deformaciones verticales de las trabes

largas de 15,450 mm. A continuación mostramos las flechas medidas, ante carga muerta parcial, sin carga

viva:

Nivel 1 Tabla 3.- Reporte de Flechas en Trabes Metálicas del Nivel 1

Si observamos con detenimiento los ejes a6 y a7 de primer nivel son los que presentan una tendencia más

marcada de flechamiento, el eje a6 presenta una flecha de 18 mm a 25 mm en 6 meses, esto es, 39% de

incremento, y en el eje a7 presenta una flecha de 19 mm a 30 mm también en 6 meses, esto es, 58% de

incremento; recordemos que es sin el total de la carga muerta, la carga de equipos, la carga viva, y la

vibración que se producirá durante el funcionamiento normal de la planta.

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Si observamos con detenimiento los ejes a7 y a8 de segundo nivel son los que presentan una tendencia más






Si observamos con detenimiento los ejes a6 y a7 de primer nivel son los que presentan una tendencia más





La tendencia de deformación vertical de las vigas de 15,450 mm de claro, es evidente, por lo que el

mecanismo de falla de las conexiones mencionadas ya se inició.

Las deformaciones del volado entre los ejes (a8) al (a9) con una longitud de 8,130 mm, ante la combinación

de Carga Muerta + Carga Viva sin factorizar son excesivas, ya que la flecha permisible es de

(8,130/240+5)x2= 77.75 mm, y las flechas varían de 80.44 a 252.56 mm, como se muestran en el dibujo

siguiente, justificándose el añadir columnas adicionales sobre el eje (a9)


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Figura 14.- Flechas sobre la viga del Volado, eje a9, niveles 1, 2 y 3

DEFECTOS DE FALTA DE RIGIDEZ LATERAL ANTE EFECTOS SÍSMICOS

La revisión numérica estructural se realizó teniendo en cuenta las siguientes condiciones básicas de diseño:

Cargas Unitarias La estructura se analizó con las siguientes cargas unitarias:

Azotea Carga Vertical Carga Sismo Peso propio de Losacero

Relleno de Tezontle

Entortado

Enladrillado

Plafón

220

150

40

30

30

Kg/M2

“

Kg/M2

Instalaciones 40 “ “

Carga según RCDF

Impermeabilización

20

10

---------------- ----------------

CARGA MUERTA 540 Kg/M2 540 Kg/M2

CARGA VIVA 100 “ 70 “

---------------- ----------------

CARGA TOTAL 640 Kg/M2 610 Kg/M2

Entrepiso Carga Vertical Carga Sismo Peso propio de Losacero

Plafón

220

30

Kg/M2 Kg/M2

Piso 60 „‟

Instalaciones

Densidad de Muros

200

50

Carga por Reglamento 40 “ “

---------------- ----------------



---------------- ----------------


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Entrepiso Carga Vertical Carga Sismo Rejilla Irving 75 Kg/M2 Kg/M2

Instalaciones 60

---------------- ----------------



---------------- ----------------


El peso propio de la estructura lo toma en cuenta el programa de cálculo.

Reglamentación El análisis de la estructura se realizó siguiendo los criterios del Reglamento de Construcciones para el Distrito

Federal, edición 2004, vigente a la fecha, así como con sus Normas Técnicas Complementarias, y el

coeficiente sísmico y el espectro de diseño se tomo del Manual de Obras Civiles de la Comisión Federal de

Electricidad.

Estructuración y Materiales La estructura está construida a base de elementos metálicos, tanto trabes principales, trabes secundarias y

columnas. Las losas son a base del sistema Losacero.

El concreto de la Losacero tiene una resistencia a la compresión de: 2'

c cmKg 200 = f

El acero estructural es del tipo A-572-Grado 50, y tiene una resistencia mínima a la fluencia de: 2

y cmKg 3,515 = F

Análisis por Carga Horizontal de Sismo El análisis por carga horizontal de sismo se llevó a cabo considerando un coeficiente sísmico de C = 0.30, por

tratarse de una estructura localizada en la Zona II, de Transición, perteneciente al Grupo B, y un factor de

comportamiento sísmico de Q = 2

Las fuerzas y cortantes sísmicas, se obtuvieron por medio de los métodos estático y dinámico del Reglamento

de Construcciones para el Distrito Federal, aplicando los factores C y Q mencionados.

Diseño Sísmico Una vez preparados los datos, se pudo llevar a cabo la corrida del programa Ram Elements, para análisis

sísmico, de acuerdo al Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, vigente, obteniendo los

siguientes desplazamientos laterales:

Tabla 6.- Desplazamiento Sísmico Estático en Dirección X, Transversal al edificio

Nivel H Entrepiso Desplazamiento X Desp * Q Desp Permisible

3 4,550 mm 38.54 mm 77.09 mm 54.6 mm*

2 5,425 mm 61.00 mm 122.00 mm 65.1 mm*

1 5,075 mm 31.26 mm 62.52 mm 60.9 mm*

El desplazamiento lateral por sismo en la dirección X, transversal al edificio, no cumple con el RCDF ni con

sus NTC, hasta en un 87%, lo que significa una falta total de rigidez lateral, a pesar que el modelo

considerado fue el de marcos rígidos.

Tabla 7.- Desplazamiento Sísmico Estático en Dirección Z, Longitudinal al edificio

Nivel H Desplazamiento Z Desp * Q Desp Permisible

3 4550 mm 56.68 mm 113.36 mm 54.6 mm*

2 5425 mm 74.35 mm 148.70 mm 65.1 mm*

1 5075 mm 34.34 mm 68.68 mm 60.9 mm*


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El desplazamiento lateral por sismo en la dirección Z, longitudinal al edificio, no cumple con el RCDF ni con

sus NTC, hasta en un 128%, lo que significa una falta total de rigidez lateral, a pesar que el modelo

considerado fue el de marcos rígidos.

DEFECTOS DE RESISTENCIA DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

El diseño estructural se realizó siguiendo las Normas Técnicas Complementarias para diseño de Estructuras

Metálicas del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, vigente.

Tabla 8.- Diseño de la Estructura Original

Como se aprecia en la tabla anterior, la gran mayoría de los elementos estructurales, no cumplen con la

normatividad vigente por resistencia.

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Figura 15.- Secciones en Rojo, que no Cumplen por Resistencia

CONCLUSIONES

Debido a que se trata de una estructura calculada recientemente, en el año 2009, y que el edificio ya está

construido, se vuelve un magnífico ejemplo de lo que no se debe hacer para lograr que una estructura cumpla

con la seguridad estructural requerida por el RCDF y sus NTC, por tanto lo exponemos en este congreso

esperando que sirva para evitar que se cometan esta clase de errores.

REFERENCIAS

(1993), “Diseño por Sismo”, Manual de Obras Civiles, Comisión Federal de Electricidad

(2004), “Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo”, Gaceta oficial del Distrito

Federal

(2004), “Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal”, Gaceta oficial del Distrito Federal

(2004), “Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural

de las Edificaciones”, Gaceta oficial del Distrito Federal

(2004), “Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras

Metálicas”, Gaceta oficial del Distrito Federal

(2005), “Manual de Construcción en Acero”, Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, A.C.

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