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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

DISEÑO Y COMPORTAMIENTO DE EDIFICIOS CON SISTEMAS ESTRUCTURALES SUSTENTABLES

Jorge Ruiz García1 y Marco Vinicio Marín López

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RESUMEN

Este trabajo presenta una comparación del diseño y comportamiento de un edificio de 8 niveles estructurado a base

de marcos dúctiles de concreto reforzado (opción tradicional) en contraste con un edificio con características

geométricas similares que considera la implementación de estrategias sustentables (opción sustentable). Entre las

estrategias sustentables, se consideró lo siguiente: 1) uso de concreto fabricado con material reciclado para el diseño

de la cimentación, 2) sistema estructural sismo-resistente basado en el concepto de estructura tolerante a daño, e 3)

incorporación de azoteas verdes. Se demuestra que el diseño del edificio sustentable conduce a un menor consumo

de materiales de construcción e impacto ambiental.

ABSTRACT

This work presents a comparison of the design process and behavior of a 8-story building with lateral-load resisting

system based on reinforced concrete ductile frames (traditional solution) and a counterpart building having identical

geometry but including sustainable features. Sustainable features were: 1) use of concrete with recycled aggregate

for the design of the foundation, 2) earthquake-resistant system based on the concept of damage tolerant structure,

and 3) including green roof. It is demonstrated that the design of sustainable building lead to smaller consumption of

construction materials and environmental impact.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, el ser humano enfrenta grandes desafíos en materia ambiental, tales como el calentamiento global

(ocasionado, principalmente, por las emisiones de dióxido de Carbono, CO2, y gases de efecto invernadero), el uso

indiscriminado y agotamiento de recursos naturales no-renovables, la producción excesiva de desperdicios que no

son bio-degradables, e inclusive, tóxicos, entre otros. En particular, estadísticas recientes muestran que la industria

de la construcción es una de las principales industrias que genera emisiones contaminantes al ambiente y consume

altas cantidades de recursos naturales no-renovables. Al respecto, Gervásio (2009) comenta que cerca del 50% de las

materias primas extraídas de la corteza terrestre se transforman en materiales y productos de la construcción. Por

ejemplo, de manera general, se estima que la producción de una tonelada de cemento involucra una emisión de una

tonelada de CO2 a la atmosfera. Asimismo, indica que la construcción, operación y posterior demolición de los

edificios llega a consumir el 40% del consumo de energía en países industrializados – y contribuye en un porcentaje

similar a las emisiones de gases con efecto invernadero - y en países en vías de desarrollo, como México, puede

alcanzar el 20% (SENER, 2011).

De acuerdo a Terán-Gilmore (2010), uno de los retos en el ámbito de la ingeniería estructural en México consiste en

preparar ingenieros capaces de diseñar estructuras más económicas y seguras, y que incorporen nuevas tecnologías

que permitan ahorro de energía y cuiden el medio ambiente. Bajo esta premisa, puede definirse al diseño estructural

sustentable como una nueva disciplina que incluya las actividades que desarrolla un proyectista para determinar la

forma, dimensiones y características detalladas de una estructura con un enfoque que permita minimizar su impacto

al ambiente durante la vida útil de la estructura. La minimización del impacto ambiental se puede lograr por medio

1 Profesor y Jefe del Depto. de Estructuras, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de

Hidalgo, Edificio C, Cd. Universitaria, Morelia 58040, Michoacán

[email protected] 2 Maestría en Estructuras, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Edificio C, Cd. Universitaria,

Morelia 58040, Michoacán

mailto:[email protected]

XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014

2

del uso eficiente de materiales naturales en conjunto con el uso de materiales reciclados. En particular, en regiones

con peligro sísmico moderado y alto, se requiere el uso de sistemas estructurales que no sólo minimicen el daño

estructural, sino que permitan a la estructura ser reparada/reforzada con el mínimo uso de materiales adicionales y,

preferentemente, puedan ser remplazados y reciclados. Conceptualmente, estas actividades formaran parte de una

nueva disciplina denominada diseño sismorresistente y sustentable.

El trabajo que se presenta forma parte de la primera etapa de un proyecto en desarrollo orientado a desarrollar y

evaluar nuevos sistemas sismorresistentes sustentables para edificios. En particular, el objetivo de este trabajo

consistió en diseñar y evaluar el comportamiento dinámico de un edificio de 8 niveles que incluye características

sustentables (como la adición de un sistema resistente a cargas laterales basado en el concepto de estructura tolerante

a daño, el uso de concreto fabricado con material reciclado y la adición de una azotea verde) ubicado en la ciudad de

México, considerando la interacción suelo-estructura. El comportamiento dinámico del edificio sustentable se

comparó con su contraparte tradicional (es decir, sin considerar ninguna característica sustentable). Con la intención

de verificar su impacto al ambiente, se calcularon, de manera simplificada, las emisiones de dióxido de carbono

equivalente, CO2-e, y el volumen de material correspondientes a cada edificio. De esta manera, se demostró que el

edificio sustentable tiene un mejor comportamiento dinámico, requiere menor volumen de material y emite menos

CO2-e que el edificio diseñado tradicionalmente.

El trabajo de investigación que se presenta se dividió en 9 etapas, las cuales se describen a continuación:

ETAPA 1: EDIFICIO TRADICIONAL

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL EDIFICIO

Para fines de este estudio, se eligió un edificio regular de ocho niveles con la geometría en planta y elevación que se

ilustra en la figura 1. Se supuso que el edificio está cimentado en la zona del lago de la Ciudad de México,

considerando un periodo dominante del terreno, Ts, igual a 1.5s. El edificio está estructurado a base de marcos de

concreto reforzado y losas macizas de concreto reforzado de 12 cm de espesor. Para su análisis sísmico, se empleo el

Apéndice A las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo, NTCS (RCDFb). Para obtener los

elementos mecánicos, se realizó un análisis estático considerando un coeficiente sísmico c=1.2, un coeficiente de

aceleración del terreno ao=0.25, un factor de comportamiento sísmico Q=3, un factor de ductilidad Q’=3.83 y un

factor de sobrerresistencia R=2. Para determinar las fuerzas estáticas equivalentes, se consideraron 32 combinaciones

de carga para tomar en cuenta los efectos de la torsión accidental y los efectos bidireccionales (Aguilar, 2012). EL

análisis estático se llevó a cabo con el programa comercial de análisis y diseño ECOgcW (Corona, 2009), el cual es

comúnmente empleado en la práctica profesional para el diseño de edificios de concreto

DISEÑO DEL EDIFICIO

En el diseño de los elementos se considero una resistencia nominal a compresión del concreto f’c=29.42 MPa (300

kg/cm2), correspondiente a un concreto de clase I con un módulo de elasticidad del concreto igual a 242,487 kg/cm²

(obtenido con la expresión ) para los elementos de la superestructura. El acero de refuerzo se supuso

con un esfuerzo nominal de fluencia fy=412 MPa (4200 kg/cm2). Su diseño se basó en los lineamientos indicados en

las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del Reglamento del

Distrito Federal en su edición 2004, NTCC (RCDFa, 2004), aplicando las especificaciones del capítulo 7 para

marcos dúctiles. En particular, se revisó que las columnas tuvieran la resistencia mínima en flexión (Sección 7.3.2)

para fomentar la formación de un mecanismo de columna fuerte-viga débil. Asimismo, se revisó que las secciones

propuestas cumplieran requisitos para torsión (Sección 2.6) y los requisitos de fuerza cortante para el diseño de vigas

y columnas de marcos dúctiles (Secciones 7.2.4 y 7.3.5). Una descripción detallada del proceso de análisis y diseño

se puede consultar en (Aguilar, 2012). Las secciones transversales finales para las columnas y vigas resultado del

diseño y la nomenclatura usada en su identificación se muestran en la figura 1. Con base en el diseño final de los

elementos, el periodo fundamental del edificio, T, se estimo en 0.87 segundos.

3

3


Figura 1 Geometría en planta y elevación. Secciones transversales (Superestructura) del edificio tradicional sin considerar su cimentación (ET-SC)

ETAPA 2: EDIFICIO TRADICIONAL CON CIMENTACIÓN

DESCRIPCIÓN DE LA CIMENTACIÓN

Una segunda etapa consistió en diseñar la cimentación del edificio tradicional, descrito en la Etapa 1. Para resolver la

cimentación, se propuso un cajón de cimentación piloteado, con muros perimetrales y losa de cimentación de

concreto reforzado. La geometría del cajón se muestra en la figura 1. El diseño de la cimentación se realizó con base

en las NTCC versión 2004 (RCDFa, 2004). Se consideraron un concreto con resistencia nominal a la compresión

f’c=27.46 MPa (280 kg/cm2) y acero de refuerzo con resistencia nominal de fluencia fy=412 MPa (4200 kg/cm

2).

Para su diseño, se supuso la estratigrafía del terreno bajo el edificio ilustrada en la figura 2a. La capacidad de carga

del suelo fue evaluada mediante la teoría de Terzhagi para suelos cohesivos (Terzhagi, 1995). Para la capacidad de

carga admisible del suelo se usó un factor de seguridad de 3, además se compensó el terreno desalojado por el cajón

de cimentación. La ecuación general para obtener la capacidad de carga del suelo, qu, de Terzhagi (1995) está dada

por la siguiente ecuación:

(1)

A

77

7

7 7 7

B

C

D

1 2 3 4

PLANTA

1 2 3 4

8 @ 3.66

PERFIL

4

C1

C2

C2

C1 C2 C2 C1

C2

C2

C1C2C2

C2 C2

C2 C2

C1 C1 C1

C2 C2 C2

Nivel 1 Nivel 2, 3 y 4


4

Donde

= Cohesión del suelo.

= Peso específico del suelo.

= Carga.

B = Ancho de la cimentación.

Nc, Nq , Nγ = Factores que dependen del ángulo de fricción del suelo.

Fcs, Fqs , Fγs = Factores de forma.

Fcd, Fqd, Fγd = Factores de profundidad.

Fci, Fqi, Fγi = Factores de inclinación.

Actualmente, uno de los métodos más empleados para calcular los esfuerzos sobre la cimentación es la modelación

como viga flexible, la cual supone el terreno como un conjunto infinito de resortes situados bajo una viga deformable

(es decir, la cimentación). La constante de deformación de cada resorte es el módulo de reacción, Ks, el cual se

obtiene a partir del cociente de la presión de contacto, q, y el desplazamiento vertical, δ , como se ilustra en la figura

2b.

En este estudio, el módulo de reacción vertical del suelo, Ks, se calculó con los criterios formulados por Terzhagi

(Terzhagi, 1995), Klepikov (Tsudik, 2006) y Vesic (Vesic, 1961). Para su cálculo, Terzhagi (1995) proporciona una

tabla con valores medios dependientes del tipo de suelo y su capacidad de carga, mientras que las fórmulas de Vesic

(1961) y Keplikov (2006) están dadas en las ecuaciones 2 y 3, respectivamente:

(2)

(3)

Donde:

= Módulo de reacción vertical del suelo.

Es = Módulo de elasticidad del suelo.

vs = coeficiente de Poisson.

B = Ancho de la cimentación.

A = Área de la cimentación.

= Factor de forma, depende de la relación largo-ancho de la cimentación.

(a) (b)

Figura 2 (a) Estratigrafía supuesta del terreno, y (b) definición del módulo de reacción del suelo

Cabe notar que la rigidez de los resortes en la zona central de la losa de cimentación es la mitad de aquellos en la

zona perimetral, esto con la intención de emular la deformación real del suelo. La presión pasiva del suelo sobre los

muros de la cimentación se evaluó mediante la teoría de Rankine para suelos cohesivos. Para ello, el coeficiente de

empuje pasivo, , de determino como:

5

5


(4)

El pilotaje del cajón se resolvió mediante pilotes de concreto reforzado de sección transversal circular de 40 cm de

diámetro trabajando a fricción. La adherencia o fricción entre el fuste del pilote y el suelo se evaluó siguiendo el

criterio de Zeevaert (Zeevaert, 1980), mediante las ecuaciones siguientes:

(5)

(6)

Donde:

A = Área del anillo de suelo alrededor del pilote que trabaja a fricción.

= Presión efectiva en el estrato i+1.

= Presión efectiva en el estrato i.

= Peso específico del estrato de suelo.

H, = Espesor del estrato.

P = Perímetro del pilote.

Q = Capacidad de carga por fricción del pilote.

ANÁLISIS Y DISEÑO

Para fines de análisis del edificio tradicional con cimentación, se utilizó el programa de análisis SAP2000 (CSI,

2011) para realizar el modelo analítico del edificio (ver figura 3a). En su modelado, se supuso que la losa

proporcionaba un diafragma rígido en cada entrepiso y se considero una longitud rígida en las uniones viga-columna

Se modeló la interacción suelo-estructura mediante una cama de resortes elásticos. Las vigas, columnas y pilotes

fueron modelados como elementos tipo Frame, y los muros de concreto así como la losa de cimentación como

elementos finitos tipo Shell. Se considero una cuadrícula de pilotes de 12x12 distribuida simétricamente. El análisis

consideró los efectos P-Delta.

(a) (b)

Figura 3 (a) Modelo analítico del edificio en SAP2000, y (b) secciones transversales de la cimentación del edificio tradicional (ET)

0.7

5 m

0.75 m

20#10 E#4 @ 10cmSotano

0.7

0.4E#4 @ 20cm

V(Sotano)

0.50 m

6#12 + 2#10

2#10

2#12+2#10

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1

12#4 E#3 @ 9cm

Pilotes

2#10+4#8

2#10+2#8

0.50 m

6#12 + 4#10

2#10

4#12

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1.1

m

0.50 m

0.8

0 m

E#4 @ 10cmSotano

6#10 + 2#8

4#10 + 4#8

C1 y C2 Pilotes

Contratrabe Trabe


6

Para el diseño de la cimentación, se utilizó un módulo de elasticidad del concreto calculado con la relación

como lo dictan las NTCC para un concreto clase 1. De esta manera, se realizó un análisis estático

(considerando las fuerzas estáticas equivalentes obtenidas en la etapa 1) considerando la superestructura y la

cimentación. El diseño de los elementos de la cimentación (trabes y columnas) se desarrolló en base a lo dictado en

las NTCC. De esta manera, las secciones transversales y armado resultante se muestran en la figura 3b.

ETAPA 3: EDIFICIO TRADICIONAL CON CIMENTACIÓN FABRICADA CON MATERIAL RECICLADO

Con la intención de mitigar el impacto ambiental derivado de la producción de cemento, se ha propuesto incluir en la

mezcla de concreto, en algún porcentaje, material cementante complementario como la ceniza volante o escorias

granuladas de alto horno, por mencionar algunas. Otra opción consiste en incluir algún porcentaje material reciclado

en la fabricación del concreto; es decir, como sustitución de agregado natural por agregado grueso o fino procedente

de la trituración de concreto producto de desecho (es decir, concreto fabricado con agregados reciclados). Muchos

trabajos experimentales han sido desarrollados para evaluar las propiedades mecánicas del concreto con este tipo de

adiciones (por ejemplo, Berndt, 2009; Corinaldesi y Giacomo, 2009; Chen et al., 2003; Martínez y Mendoza, 2006)

En una tercera etapa, la cimentación del edificio tradicional fue rediseñada bajo la suposición de que el concreto

cuenta con algún porcentaje de agregado grueso producto de desperdicio de concreto (concreto fabricado con

agregado reciclado). La principal diferencia en el diseño y análisis de la cimentación es el cambio del módulo de

elasticidad del concreto. Un valor aproximado del módulo de elasticidad consistente con las pruebas experimentales

para un concreto con agregado grueso reciclado está entre el 70 y 80% del módulo de elasticidad del concreto con

agregado natural (sin ningún porcentaje de agregado reciclado). Por ejemplo, Martínez y Mendoza (2006) sugieren

un concreto con agregado grueso reciclado puede ser utilizado como concreto clase 2 de acuerdo a las NTCC, lo cual

implica que su módulo de elasticidad se pueda estimar como (f’c en kg/cm2):

(7)

Figura 4 Secciones transversales de la cimentación del edificio tradicional con cimentación fabricada con agregado reciclado (ET+CAR)

0.7

5 m

0.75 m

20#10 E#4 @ 10cmSotano

0.7

0.4E#4 @ 20cm

V(Sotano)

0.50 m

6#12 + 2#10

2#10

2#12+2#10

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1

12#4 E#3 @ 9cm

Pilotes

2#10+4#8

2#10+2#8

0.50 m

6#12 + 2#10

2#10

4#10

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1.1

m

0.50 m

0.8

0 m

E#4 @ 10cmSotano

6#10

4#10 + 2#8

C1 y C2 Pilotes

Contratrabe Trabe

7

7


De esta manera, se realizó nuevamente el análisis y diseño del edificio tradicional considerando la cimentación

fabricada con material reciclado. Cabe notar que está ya se puede considerar como una solución sustentable. Las

dimensiones y armado de las secciones transversales para los elementos de la cimentación (vigas y columnas)

considerando concreto con agregado reciclado (CAR) se muestran en la figura 4. El uso de CAR provocó una ligera

disminución en los elementos mecánicos de la cimentación, conduciendo a una disminución en el armado de las

vigas. Cabe destacar que la consideración de utilizar concreto con algún contenido de agregado grueso reciclado

tendrá un mayor impacto en el proporcionamiento del concreto, aumentos o disminuciones en el contenido de

cemento, agua o agregados naturales. Esto podría tener un efecto importante en el impacto ambiental de la estructura

y en las emisiones de gas invernadero a la atmosfera.

ETAPA 4: EDIFICIO SUSTENTABLE

Las filosofías de diseño sismo-resistentes actuales permiten que las estructuras experimenten deformaciones en el

intervalo de comportamiento inelástico; es decir, permiten que la estructura experimente algún tipo de daño ante

sismos moderados o intensos. Bajo esta filosofía de diseño, los elementos resistentes se diseñan de modo que el daño

se distribuya en la altura del edificio. Esto implica posibles daños excesivos y/o costos excesivos de reparación y

refuerzo después de un evento sísmico intenso, dado que se implementarán técnicas como el encamisado de concreto

o la adición de muros de concreto para el caso de los edificios de concreto reforzado, lo cual implica un consumo

adicional de cemento.

Una filosofía de diseño sismo-resistente que esté de acuerdo con los conceptos de sustentabilidad, deberá tener

control sobre la ubicación y extensión del daño en la estructura (Terán, 2010). El concepto de estructura tolerante al

daño propuesto por Wada et al. (1992) es el antecedente de esta filosofía de diseño estructural sustentable. El

concepto consiste en concentrar el daño en elementos de sacrificio que resistan las fuerzas laterales y protejan los

elementos principales de la estructura, que se diseñan para resistir las cargas gravitacionales y se comportan

elásticamente ante excitaciones sísmicas moderadas o intensas. Bajo esta filosofía, los elementos de sacrificio

dañados podrán ser fácilmente reemplazados y los elementos de la estructura principal no sufrirán ningún tipo de

daños. En la figura ilustra conceptualmente el comportamiento de una estructura convencional y una estructura

diseñada bajo la filosofía de estructura tolerante a daño. Una discusión más detallada del concepto de estructura

tolerante a daño se puede consultar en Wada et al. (1992) y Terán-Gilmore (2012).

Figura 5 Comparación entre diseño convencional y diseño de una estructura tolerante a daño propuesto

por Wada et al. (1992)

Con la intención de concebir un edificio sustentable, en esta investigación se empleó el concepto de estructura

tolerante a daño. Para ello, se consideró que los elementos de sacrificio consistían de contraventeos restringidos

contra pandeo (CRP). Los CRP fueron propuestos hace mas de 3 décadas en Japón y a diferencia de los

contraventeos convencionales poseen capacidad ante cargas de compresión como de tensión sin presentar problemas

de pandeo local o global. Muchos trabajos experimentales (Uang y Nakashima, 2004) han demostrado que los CRP

desarrollan amplios ciclos de histéresis simétricos y con gran capacidad de energía de deformación al someterlos a


8

cargas cíclicas (ver figura 6). Una sección transversal típica de un CRP se muestra en la figura 6a. Extensa evidencia

experimental ha mostrado que los CRP proporcionan un comportamiento estable a compresión, como se ilustra

esquemáticamente en la figura 6b.

Figura 6 (a) Esquema general de un CRP, y (b) Comparación entre contraventeos convencionales y CRP

Para fines de diseño del edificio sustentable, se supuso que los CRP resisten el 100% de las cargas laterales, por lo

tanto deberán ser dimensionados en base a los requerimientos de las fuerzas cortantes de entrepiso. Se planteó un

arreglo en planta de CRP como se muestra en la figura 7.

Figura 7 Arreglo y disposición de los CRP en el edificio sustentable

Nuevamente, las fuerzas estáticas equivalentes y cortantes de entrepiso se obtuvieron mediante un análisis estático.

Por equilibrio estático, la fuerza axial que actuará en cada CRP se obtiene como:

(8)

Donde V es el cortante de entrepiso y es el ángulo que forma el CRP con la horizontal. Asumiendo que la

resistencia a compresión de los CRP es la misma que la resistencia a tensión, el área de acero necesaria en cada CRP

se obtiene como:

(9a)

(9b)

9

9


(9c)

Donde Fy es el esfuerzo de fluencia y Ag el área de la sección transversal del núcleo del CRP, así como es un factor

de reducción de resistencia por tensión, igual a 0.9.

Por otro lado, las vigas y columnas de concreto reforzado de la superestructura fueron prediseñados para soportar

solo cargas gravitacionales. Posteriormente, se rediseñaron las columnas que reciben a los CRP asumiendo que los

mismos transmitirán la máxima fuerza axial que puedan desarrollar empleando el concepto de diseño por capacidad.

Nuevamente se desarrolló un modelo analítico de la estructura en SAP2000 (CSI, 2011). El objeto del análisis fue

comprobar que los elementos de la estructura principal se mantuvieran en el intervalo elástico mientras los CRP

debían resistir el total de las fuerzas laterales y deberían fluir bajo las mismas. En esta se considero la base rígida (sin

cimentación). Los CRP se modelaron como elementos Link y se despreció el peso de los mismos para el cálculo de

las fuerzas estáticas equivalentes. El elemento Link es capaz de representar un comportamiento no lineal elasto-

plástico perfecto con una rigidez axial inicial , donde E es el módulo de elasticidad del material del núcleo

del CRP, A es el área de la sección transversal del núcleo del CRP, y L es la longitud no restringida del CRP. En la

figura 8 se ilustra el modelo analítico desarrollado en SAP2000 (CSI, 2011).

Figura 8 Modelo analítico en SAP2000 y sus secciones transversales del edificio sustentable (ES).

En el diseño de las vigas y columnas de la estructura principal se consideraron las mismas propiedades mecánicas del

concreto y acero de refuerzo. Las secciones transversales de las columnas y vigas resultado del diseño se muestran en

0.6

5

0.65

0.6

0.6

4#12+4#10 E#4 @ 30cm

C1(3-5)4#12 E#4 @ 30cm

C1(6-8)

0.7

0.7

8#12+12#10 E#4 @ 30cm

C1(1-2)

C1

C1

C1

C1C1 C1 C1

C1

C1

C1C1C1

C2 C2

C2 C2

0.6

0.6 0.55

0.5

5

0.5

0.516#10 E#4 @ 25cm

C2(1-2)8#10 E#4 @ 25cm

C2(3-5)

4#10 E#4 @ 10cm

C2(6-8)

0.7

0.6

0.5

0.4 0.40.4E#4 @ 30cm

V(1-2)

E#4 @ 25cm

V(3-6)

E#4 @ 20cm

V(7-8)

6#10

4#10

6#10

2#10+2#8

4#10+2#8

4#8

0.7

0.6

0.5

0.4 0.40.4E#4 @ 30cm

V(1-2)

E#4 @ 25cm

V(3-6)

E#4 @ 20cm

V(7-8)

6#10

4#10

6#10

2#10+2#8

4#10+2#8

4#8


10

la figura 8. Con base en el diseño final de los elementos, el periodo fundamental del edificio, T, se estimo en 1.04

segundos.

ETAPA 5: EDIFICIO SUSTENTABLE CON AZOTEA VERDE

Una azotea verde es una cubierta parcial o completa de vegetación en la azotea de una edificación. Dentro de los

conceptos de sustentabilidad, algunos beneficios potenciales de las azoteas verdes son la regulación de la

temperatura en la edificación, lo cual conduce a la reducción de energía empleada en calentadores y sistemas de

calefacción. Asimismo, también ayuda a disminuir el efecto de la isla de calor reflejando más luz solar. Además, las

azoteas verdes ayudan a recuperar las áreas verdes desplazadas por las manchas urbanas y a mejorar la calidad del

aire en el ambiente que las rodea.

Las azoteas verdes se clasifican, de acuerdo al tipo de vegetación que sustentarán y al espesor de capa vegetal o de

suelo, como: a) extensivas (espesor 10-15 cm), b) semi-intensivas (espesor 15-30 cm), e c) intensivas (espesor mayor

a 40 cm). En general, las azoteas verdes están conformadas por distintas capas o estratos (ver figura 9); las

principales son:

- La capa de suelo o medio de crecimiento de la vegetación, con un espesor en función de la vegetación que

se pretenda colocar.

- La capa de retención de agua, su función consiste en impedir el filtrado inmediato del agua de riego o lluvia,

para mantener húmedo el medio de crecimiento de la vegetación.

- La capar de filtro, la cual se encarga de evitar el paso de partículas de suelo a la siguiente capa de drenaje y

con ello evitar que esta pueda ser bloqueada.

- La capa de drenaje, evita la acumulación excesiva de agua y la posible filtración hacia el sistema de piso al

controlar el crecimiento de las raíces.

- Capa de protección, aísla el sistema de piso evitando la filtración de agua y el crecimiento de las raíces.

Las azoteas verdes deben cumplir con una serie de requerimientos de calidad y especificaciones técnicas para su

construcción y mantenimiento. Dichos requisitos son de carácter obligatorio y están estipulados en la Norma

Ambiental NADF-013-RNAT-2007 publicada en la Gaceta Oficial del Distrito Federal (NADF-013, 2008). Los

requisitos generales son:

- Estabilidad y resistencia mecánica: Analizadas en el cálculo estructural, la norma indica valores medios de

carga por metro cuadrado para cada tipo de azotea verde pudiendo ser desde 110-250 kg/cm2.

- Impermeabilidad: Una azotea verde debe impedir el paso del agua al interior de la edificación.

- Resistencia a la acción de las raíces sobre la estructura: Deben utilizarse los materiales adecuados para

garantizar que las raíces no penetren el impermeabilizante y causen daños a la estructura de la edificación.

Figura 9 Esquema de una azotea verde

11

11


En esta etapa, el edificio sustentable diseñado en la etapa anterior será dotado de una azotea verde con vegetación

endémica cubriendo el total del área de la azotea. La azotea verde se supondrá de tipo semi-extensivo con un espesor

de suelo de 20 cm y una carga adicional al sistema de piso de 250 kg/cm2 como recomienda la normatividad NADF-

013-RNAT-2007 (ver tabla 1), asumiendo el peso del suelo saturado. Anexando la carga adicional por azotea verde

al modelo analítico desarrollado en la etapa anterior, se desarrolló nuevamente un análisis estático. Las fuerzas

estáticas equivalentes fueron modificadas para considerar la sobrecarga en la azotea. De esta manera, con los

resultados del análisis estático se procedió a rediseñar las vigas y columnas de la estructura principal.

Tabla 1 Clasificación y características de las azoteas verdes (NADF-013, 2008)

Tipo de naturación Extensivo Semi-intensivo Intensivo

Altura de crecimiento de plantas

5 - 50 cm 5 - 100 cm 5 - 400 cm

Diámetro de copa No aplica No aplica 300 cm máximo

Substrato 10 - 15 cm 15 - 30 cm > 40 cm

Carga adicional 110 - 140 kg/m2 250 kg/m

2 > 250 kg/m

2

Cobertura vegetal Crasuláceas Crasuláceas, pastos y

arbustos Crasuláceas, pastos, arbustos y árboles.

Las secciones transversales de las columnas y vigas resultado del diseño se muestran en la figura 10. Es importante

mencionar que el espesor de la losa de azotea se incrementó a 13 centímetros para limitar las deflexiones.

Figura 10 Secciones transversales de los elementos en la superestructura del edificio sustentable considerando azotea verde (ES+AV)

0.6

0.6

4#12+4#10 E#4 @ 25cm

C1(6-8)

0.6

5

0.65

4#12+4#10 E#4 @ 30cm

C1(3-5)

0.7

0.7

8#12+12#10 E#4 @ 30cm

C1(1-2)

0.55

0.5

5

0.5

0.516#10 E#4 @ 25cm

C2(1-2)8#10 E#4 @ 25cm

C2(3-5)4#10 E#4 @ 20cm

C2(6-8)

0.6

0.6

0.7

0.6

0.4 0.4

E#4 @ 30cm

V(1-2)

E#4 @ 25cm

V(3-6)

6#10

4#10

6#10

2#10+2#8

0.6

0.4E#4 @ 25cm

V(7-8)

4#10+2#8

2#10+2#8


12

ETAPA 6: EDIFICIO SUSTENTABLE CON AZOTEA VERDE Y CIMENTACIÓN

CON MATERIAL RECICLADO

La sexta etapa consistió en incluir la interacción suelo-estructura y diseñar la cimentación del edificio sustentable de

la etapa 5. Para solucionar la cimentación se siguieron las hipótesis y criterios de las etapas 2 y 3; es decir, un cajón

de cimentación piloteado y elementos viga-columna diseñados con un concreto de resistencia nominal a la

compresión de 280 kg/cm2 y concreto fabricado con agregado grueso producto de concreto reciclado. El edificio

desarrollado en esta etapa posee todos los aspectos sustentables de las etapas 3-5 (cimentación con concreto

fabricado con material reciclado, sistema estructural basado en el concepto de estructura tolerante al daño y azotea

verde).

Se desarrolló nuevamente un modelo analítico en la plataforma SAP2000 (CSI, 2011). Las limitaciones y

consideraciones del modelo son el conjunto de aquellas mencionadas en las etapas 3, 4 y 5. Una imagen del modelo

se muestra en la figura 11.

Cabe notar que el peso total del edificio sustentable es ligeramente menor al edificio tradicional, por lo que la

cimentación no sufrió cambios importantes o significativos. La reducción en pilotaje no fue suficiente para reducir la

cuadrícula de pilotes de 12x12 a 11x11. Las secciones transversales de las columnas y vigas resultado del diseño se

muestran en la figura 11.

Figura 11 Modelo en SAP2000 y secciones transversales del edificio sustentable con azotea verde y

cimentación fabricada material reciclado (ES+AV+CAR)

0.7

5 m

0.75 m

20#10 E#4 @ 25cm

C1(Sotano)

0.6

0.64#12+4#10 E#4 @ 25cm

C1(6-8)

0.6

5

0.654#12+4#10 E#4 @ 30cm

C1(3-5)

0.7

0.7

8#12+12#10 E#4 @ 30cm

C1(1-2)

0.6

5

0.6520#10 E#4 @ 30cm

C2(Sotano)

0.55

0.5

5

0.5

0.516#10 E#4 @ 25cm

C2(1-2)8#10 E#4 @ 25cm

C2(3-5)4#10 E#4 @ 20cm

C2(6-8)

0.6

0.6

0.7

0.6

0.4 0.4

E#4 @ 30cm

V(1-2)

E#4 @ 25cm

V(3-6)

0.6

0.4E#4 @ 25cm

V(7-8)

4#10+4#8

2#10+4#8

4#10+4#8

4#10

6#10

4#10

0.7

0.6

0.4 0.4

E#4 @ 30cm

V(1-2)

E#4 @ 25cm

V(3-6)

0.6

0.4E#4 @ 25cm

V(7-8)

4#10+4#8

2#10+4#8

4#10+4#8

4#10

6#10

4#10

0.7

0.6

0.4 0.4

E#4 @ 30cm

V(1-2)

E#4 @ 25cm

V(3-6)

0.6

0.4E#4 @ 25cm

V(7-8)

4#10+4#8

2#10+4#8

4#10+4#8

4#10

6#10

4#10C1

C1

C1

C1C1 C1 C1

C1

C1

C1C1C1

C2 C2

C2 C2

0.7

0.4E#4 @ 20cm

V(Sotano)

0.50 m

6#12 + 2#10

2#10

2#12+2#10

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1

12#4 E#3 @ 9cm

Pilotes

2#10+4#8

2#10+2#8

0.7

0.4E#4 @ 20cm

V(Sotano)

0.50 m

6#12 + 2#10

2#10

2#12+2#10

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1

12#4 E#3 @ 9cm

Pilotes

2#10+4#8

2#10+2#8

0.7

0.4E#4 @ 20cm

V(Sotano)

0.50 m

6#12 + 2#10

2#10

2#12+2#10

E#4 @ 10cm

Contratrabe

1

12#4 E#3 @ 9cm

Pilotes

2#10+4#8

2#10+2#8

13

13


ETAPA 7: CUANTIFICACIÓN DEL VOLUMEN DEL MATERIAL

La cuantificación del volumen de materiales es un paso importante para estimar el impacto de la edificación al medio

ambiente circundante. Por ello, con la finalidad de observar las fluctuaciones en el volumen de materiales empleados

en el edificio tradicional de la etapa 2 y en el edificio sustentable de la etapa precedente, se llevó a cabo una

cuantificación simplificada de los materiales de concreto reforzado (acero de refuerzo y concreto).

Algunas suposiciones establecidas para llevar a cabo la cuantificación simplificada son: considerar la longitud de los

elementos a ejes, se ignorará el acero de refuerzo de las uniones viga-columna puesto que estas no fueron

consideradas en el análisis, además se considerará una separación de estribos constante a lo largo de los elementos

viga-columna. Cabe notar que los volúmenes de concreto y acero correspondientes a los muros en la cimentación y a

las losas de entrepiso y cimentación no fueron cuantificados debido a que no existe cambio en las dimensiones de las

mismas entre un edificio y otro, por lo tanto, por motivos de comparación no son de interés. La tabla 2 resume la

cuantificación de acero y concreto. Como puede verse, el edificio sustentable permite un ahorro aproximado del 15%

de acero y casi el 10% en concreto respecto a la solución tradicional.

Tabla 2 Cuantificación de volumen de materiales

Edificio tradicional (ET) Edificio sustentable (ES+AV+CR)

Elemento Vlong (m

3)

Vtrans (m

3)

Vcon (m

3)

Vlong (m

3)

Vtrans (m

3)

Vcon (m

3)

Vigas 18.58 5.86 729.88 19.28 2.74 596.22 Columnas 6.48 3.05 246.14 5.56 0.58 208.57 Pilotes 4.38 1.46 356.07 4.38 1.46 356.07 Losas - - 608.58 - - 612.99

Acero = 39.82 m

3

Acero = 34.00 m

3

Concreto = 1940.66 m

3

Concreto = 1773.85 m

3

ETAPA 8: CUANTIFICACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL

Una forma de evaluar el impacto ambiental que tendrá la construcción de las edificaciones en estudio, es evaluar la

cantidad de gases de efecto invernadero (como son el dióxido de carbono, metano y el óxido nitroso) que son

emitidos a la atmósfera producto de la fabricación, procesamiento, transporte, etc., de los materiales de construcción.

El dióxido de carbono equivalente CO2-e es una medida de la cantidad de emisiones de estos gases.

Estudios rigurosos del análisis del ciclo de vida (ACV) de materiales de construcción, como el concreto y el acero,

han llevado a factores de dióxido de carbono equivalente por unidad de volumen. Arroyo et al. (2013) resumen un

conjunto de factores encontrados en distintos estudios. Como puede apreciarse, existe una gran discrepancia en los

datos, atribuida a la extensión y límites del estudio de ACV efectuado para su obtención. Por ejemplo, variables

como la diferencia en los procesos de producción o la ubicación de las industrias llevan a variaciones importantes en

los valores obtenidos (Arroyo et al., 2013).

Como última etapa, se evalúo de manera simplificada las emisiones de CO2-e, con base en la cuantificación de

material realizada en la etapa precedente y empleando los factores propuestos Yan et al. (2010). En las tablas 4 y 5 se

resumen los valores de CO2-e emitidos por los edificios tradicional y sustentable (‘ES+AV+CR’), respectivamente. El

peso volumétrico del concreto se tomo como y el del acero de refuerzo como .

Puede verse que el edificio sustentable no solamente conduce a un menor consumo de acero y concreto, sino que

produce menores valores de CO2-e, lo cual confirma que es una opción sustentable.

Vlong- Volumen de acero longitudinal.

Vtrans- Volumen de acero transversal.

Vcon- Volumen de concreto.


14

Tabla 3. Factores de emisión de para concreto y acero recabados por Arroyo et al. (2013)

Material Referencia Kg CO2-e/ton

Concreto

Buchanan and Honey (1994) 76

Penttala (1997) 147

Gonzalez and García (2006) 19

Gustavsson and Sathre (2006) 11

Asif et al. (2007) 123

Flower and Sanjayan (2007) 120

Yan et al. (2010) 170

Zabalza et al. (2011) 179

Monahan and Powell (2011) 174

Acero

Buchanan and Honey (1994) 1070

Gustavsson and Sathre (2006) 35

Gonzalez and García (2006) 516

Yan et al. (2010) 377

Monahan and Powell (2011) 3809

Tabla 4 Toneladas de generadas por el edificio tradicional

Edificio tradicional (ET) Acero Concreto

Elemento Wace (ton)

Wcon (ton)

Fco2e

Acero/Concreto CO2-e

(ton)

Vigas 191.88 1751.70 377/170 72.34 297.79

Columnas 74.87 590.72 377/170 28.23 100.42

Pilotes 45.84 854.57 377/170 17.28 145.28

Losas - 1460.59 377/170 - 248.30

Acero = 117.85 ton

Concreto = 791.79 ton

Tabla 5 Toneladas de generadas por el edifico sustentable

Edificio sustentable (ES+AV+CR) Acero Concreto

Elemento Wace (ton)

Wcon (ton)

Fco2e

Acero/Concreto CO2-e

(ton)

Vigas 172.83 1430.94 377/170 65.16 243.26

Columnas 48.22 500.56 377/170 18.18 85.10

Pilotes 45.84 854.57 377/170 17.28 145.28 Losas - 1471.18 377/170 - 250.10

Acero = 100.62

Concreto = 723.73

ETAPA 9: COMPORTAMIENTO

A continuación, se discuten algunos aspectos importantes en la concepción de una estructura sustentable.

CIMENTACIÓN CON CONCRETO FABRICADO CON AGREGADO RECICLADO

Desde el punto de vista estructural, involucrar en el análisis y diseño de la estructura una cimentación con concreto

que posea algún porcentaje de agregado producto de concreto reciclado es simple. Esta consideración provocó una

disminución de los elementos mecánicos (momentos y cortantes) en las vigas y columnas de la cimentación; y con

esto, una ligera disminución del porcentaje de acero de refuerzo en las vigas como se puede observar en las figuras 3

y 4.

Wace- Toneladas de acero.

Wcon- Toneladas de concreto.

Wace- Toneladas de acero.

Wcon- Toneladas de concreto.

15

15


Desde el punto de vista de la construcción sustentable, estas disminuciones reflejarían una reducción en el consumo

de materiales como el concreto y el acero, ayudando así a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero

resultado de su producción. Por otro lado, los estudios experimentales citados en la Etapa 3, muestran una

disminución en la resistencia a la compresión de cilindros de concreto hechos de concreto con algún agregado

reciclado en comparación con aquellos sin agregado reciclado; esto quiere decir que, para alcanzar resistencias

equivalentes la relación agua-cemento para las mezclas de concreto reciclado se verá afectada. El incremento de la

relación agua-cemento se traduce en un incremento en la cantidad de cemento consumido, es decir, fomenta mayor

consumo de cemento y mayores emisiones de gases invernadero a la atmosfera resultado de los procesos inherentes a

su producción. Por estos motivos es importante analizar con más detalle las implicaciones del uso de concreto

reciclado en elementos estructurales como parte de un enfoque sustentable.

DEMANDAS DE DESPLAZAMIENTO

Un sistema sismo-resistente concebido bajo el concepto de estructura tolerante al daño posee ventajas considerables

en el aspecto estructural frente a un sistema tradicional, como lo son los marcos dúctiles de concreto. En la figura

12a se muestra una comparación de los perfiles de distorsión para los edificios tradicional (ET-SC) y sustentable

(ES) sin cimentación (es decir, asumiendo base rígida), mientras que en la figura 12b se muestra una comparación

de los edificios tradicional (ET) y sustentable (ES+AV+CR) con cimentación. Como puede apreciarse, la inclusión

de contraventeos restringidos contra pandeo en el edificio ES disminuye de manera importante las distorsiones de

entrepiso respecto al sistema tradicional. Comparando las figuras 12a y 12b es apreciable el efecto que tiene la

interacción suelo-estructura sobre las distorsiones de entrepiso y por consiguiente en los desplazamientos máximos

de la estructura. Un índice de daño importante en estructuras de concreto son los desplazamientos máximos que

pueda desarrollar la estructura, por lo tanto, el sistema sustentable a base de CRP limitará significativamente, o

prácticamente anulará, el posible daño en los elementos estructurales principales de la estructura (vigas y columnas).

Figura 12 Comparación de las distorsiones máximas de entrepiso (IDR%) obtenidas para los edificios tradicional y sustentable

Adicionalmente, el edificio sustentable con contraventeos restringidos contra pandeo condujo a una reducción

importante en las dimensiones de las secciones transversales de vigas y columnas respecto al sistema tradicional,

como se mostró en las figuras 1 y 8. Esto implica una fuerte reducción del volumen de concreto y acero necesarios,

como mostró en la tabla 2 para los elementos de la superestructura. Por consiguiente los efectos nocivos al ambiente

se verán reducidos, como ilustró en la tabla 4, en función de la cantidad de dióxido de carbono equivalente (como

medida de las emisiones de gases de efecto invernadero que impactan a la atmosfera).

Por otro lado, se puede decir que el edificio sustentable disminuye los gastos de reparación necesarios después de

presentarse un evento sísmico importante al concentrar el comportamiento no lineal en los elementos de sacrificio

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.00% 0.20% 0.40% 0.60% 0.80%

Nivel

IDR %

ET-SCES

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.00% 0.20% 0.40% 0.60% 0.80%

Nivel

IDR %

ETES+AV+CR

a) b)


16

(CRP) que pueden ser remplazados con relativa facilidad. Los beneficios se reflejan en un menor gasto económico y

energético que convierten este sistema en una opción sustentable respecto a un sistema tradicional.

PROPIEDADES DINÁMICAS

Una azotea verde implica cargas adicionales en la planta superior que se tienen que considerar en la fase de análisis.

Por lo general, las edificaciones tradicionales tienen la menor concentración de masa en este nivel. Una de las

suposiciones más importantes en el método de análisis estático propuesto en el apéndice A del reglamento de

construcciones del Distrito Federal (RCDF) es asumir que la respuesta de la estructura estará dominada en su gran

mayoría por el primer modo de vibrar o modo fundamental. Esta suposición es consistente con estructuras de baja

altura y distribuciones regulares de masa y rigidez. Por estos motivos, es importante revisar si una concentración

importante de masa como una azotea verde en el nivel superior (Azotea) podría provocar una participación mayor de

los modos superiores en la respuesta de la estructura.

Figura 13 Formas modales correspondientes a los 4 primeros modos para los edificios tradicional (ET) y

sustentable (ES,ES+AV, ES+AV+CR)

La figura 13 muestra las formas modales correspondientes a los primeros 4 modos de vibrar en cualquiera de las dos

direcciones en planta, normalizadas respecto a un desplazamiento unitario en la azotea. Se puede apreciar en las

figuras 13a y 13b un ligero incremento en la magnitud de los desplazamientos para los niveles medios e inferiores.

Podemos concluir que la azotea verde provoca estas diferencias para los resultados de la figura 13b. Por otro lado, la

figura 13a presenta los resultados de dos edificios con distintos sistemas sismo-resistentes, esto podría tener alguna

influencia sobre las diferencias apreciadas.

Otro aspecto importante en la respuesta predominante por el primer modo de vibración es la masa efectiva

participando en dicho modo. La tabla 6 muestra las masas efectivas participando en los primeros cuatro modos de

vibración de los edificios, así como los periodos de los mismos. A partir de la tabla 6 y los resultados ilustrados en la

figura 13, puede decirse que la inclusión de una azotea verde no tiene una influencia significativa sobre la respuesta

modal de la estructura.

Tabla 6. Masas efectivas y periodos de vibración

Edificio Modo 1 Modo 2 Modo 3 Modo 4

ES Periodo (s) 1.045 0.356 0.200 0.128

% Masa 73.00% 13.00% 6.35% 3.20%

ES+AV Periodo (s) 1.063 0.346 0.193 0.126

% Masa 74.00% 13.00% 5.85% 2.89%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-1.500 -0.500 0.500 1.500

Nivel

M1M2M3M4

- - - ---- ES, -------- ES+AV

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-1.500 -0.500 0.500 1.500

Nivel

M1M2M3M4

- - - ---- ET, -------- ES+AV+CR

a) b)

a)

17

17


CONCLUSIONES

Se modelaron, analizaron y diseñaron 6 edificios de 8 niveles, con igual geometría en planta y elevación, pero

diferentes sistemas estructurales y conceptos sustentables. Los dos primeros edificios tuvieron la función de edificios

de comparación, ya que fueron diseñados de manera tradicional a base de marcos dúctiles de concreto reforzado y

cimentación de concreto reforzado. Los edificios restantes fueron diseñados considerando: a) cimentación construida

con mezcla de concreto con algún porcentaje de agregado producto de concreto reciclado, b) sistema sismo-resistente

bajo el concepto de estructura tolerante al daño, y c) la consideración de una azotea verde.

Con base en los resultados obtenidos y en la consideración del edificio estudiado, se demostró que un edificio

diseñado con conceptos sustentables conduce a un ahorro en el consumo de los principales materiales de

construcción (acero de refuerzo y concreto) y a un menor impacto ambiental (medido por la cantidad de dióxido de

carbono equivalente). Asimismo, se mostró que el edificio sustentable conduce a menores demandas de distorsión

máxima de entrepiso, dado que emplea contraventeos restringido contra pandeo como elementos de sacrificio. La

inclusión de una azotea verde en el edificio sustentable no mostró un cambio importante en las formas modales y

masas efectivas asociadas al primer modo. Por ello, el diseño estructural sustentable y, en particular, el diseño

sismorresistente sustentable de edificios es factible zonas de moderado y alto peligro sísmico como la zona del Lago

de la Ciudad de México. Sin embargo, debe reconocerse que el trabajo que se presentó forma parte de una etapa

inicial de un proyecto orientado a desarrollar y evaluar nuevos sistemas sismorresistentes sustentables para edificios.

AGRADECIMIENTOS

Los autores quisieran agradecer las facilidades brindadas por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

para la realización de este trabajo. Asimismo, el segundo autor expresa su agradecimiento al Consejo Nacional de

Ciencia y Tecnología por el apoyo económico brindado para cursar sus estudios de maestría.

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