Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructuralsistema estructural diagrid El concepto de rejillas...

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

REJILLAS RÍGIDAS EN ZONAS DE ALTA SIMICIDAD: VENTAJAS SISMO-RESISTENTES Y

SUSTENTABLES

Arturo Quiroz R.1, Amador Terán G.

1 y Claudia Luque R.

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RESUMEN

El uso de rejillas rígidas se ha presentado como una solución para estructurar de manera eficiente edificios altos alrededor del mundo. Sin embargo, apenas nos hemos adentrado a su estudio como una solución sismo resistente la cual, aunque se muestra como promisoria, aún es necesario observar de la misma forma, las ventajas que ésta es capaz de ofrecer en aspectos de sustentabilidad. Como ejemplo, recurrimos a un edificio con 24 niveles y aproximadamente 114 metros de altura, ubicado en la zona centro de la Ciudad de México, a partir del cual diseñamos otro, los conceptos de diseño basado en desplazamientos y de rejillas rígidas perimetrales. Los resultados que se presentan a continuación, indican las ventajas que aportaría el uso de sistemas innovadores dentro de la práctica mexicana de diseño, y creemos que este trabajo será de gran ayuda para dicho propósito.

ABSTRACT

Using stiff grids (DIAGRIDS) has emerged as a solution on structuring efficiently tall buildings around the world. Nevertheless, we just have started reviewing this as a very promising seismic-resistant solution; it is still the necessity on observing in the same way, the advantages offered through the sustainability field. As a reference example, we choose for a 114m tall building located in Mexico City center, designed another using displacement based design concepts and considering the use of perimetral stiff grids. The results presented herein give us a clear idea on the every aspect benefits brought by the use of innovative systems inside the Mexican design practice, and believe that this work will be of huge help for this purpose.

INTRODUCCIÓN

La evolución de los sistemas estructurales para edificios altos se ha orientado a promover la eficiencia de uso y por tanto, al ahorro de materiales estructurales. En los años 30 del siglo XX se construyó en la ciudad de Nueva York el primer edificio con 100 pisos (Empire State). Esto se logró a través del uso de marcos rígidos de acero, lo que resultó en el uso excesivo de materiales estructurales. A partir de los años 60 de ese mismo siglo, se dio un notable avance tecnológico en relación con el análisis y diseño de sistemas estructurales para edificios altos. En particular, surgió el concepto de estructura tubular, que ubica los elementos estructurales resistentes en el perímetro del edificio. Esto resultó en un uso más eficiente del material estructural y en ahorros notables en términos del peso del sistema estructural en proyectos como el de las Torres Gemelas de Nueva York. Un par de décadas después se empezó a entender que, entre las alternativas disponibles para diseñar un sistema tubular, aquellas que usaban diagonales requerían de un menor uso de material estructural que aquellas que basaban su resistencia en marcos momento-resistentes perimetrales. Esto debido a que las fuerzas cortantes a nivel global, producto de acciones como viento o sismo, son soportadas de manera más

1 Departamento de Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana, Avenida San Pablo Xalpa #180,

Colonia Reynosa Tamaulipas, 02200, Ciudad de México, Teléfono: (55)5318-9459; [email protected]; [email protected]

2 KALTIA Consultoría y Proyectos, Hortensia 90, Colonia Santa María La Ribera, 06400 Ciudad de

México, Teléfono: (55)5615-9617; [email protected]

XXCongreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán 2016

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eficiente a través de deformaciones axiales desarrolladas en elementos en diagonal, que en las deformaciones desarrolladas a flexión por los miembros estructurales de un marco. El uso de armaduras perimetrales tridimensionales en edificios altos ha generado un interés renovado, observando diversos proyectos a nivel internacional. Vale la pena mencionar que la diferencia entre un tubo convencional contra-venteado y un DIAGRID, es que el segundo no cuenta con elementos orientados verticalmente, ya que sus miembros diagonales soportan simultáneamente cargas verticales y laterales. Otra ventaja que muestra este tipo de sistemas es la posibilidad de utilizar materiales diversos además del acero. Como ejemplos de sistemas DIAGRID que han sido edificados con materiales diferentes al acero estructural se muestran en la Figura 1, el Edificio O14 Re ubicado en Emiratos Árabes Unidos y el Edificio del Pabellón de Chile ubicado en la ciudad italiana de Milán para la Expo de dicha ciudad en 2015. En general, el bajo consumo de material estructural hace que estos sistemas formen parte de proyectos sustentables de gran alcance, que han ganado reconocimientos importantes a nivel internacional. Por ejemplo, de acuerdo con el Consorcio Hearst, sus cuarteles generales ubicados en Nueva York con una superficie total de 79,800 m2, fueron estructurados con un ahorro de aproximadamente 2,000 toneladas de acero estructural, alrededor de 21% menos que el requerido de haber recurrido a un sistema de marcos convencionales. Además un 30% del acero utilizado es reciclado.

Figura 1 Pabellón de Chile Expo Milán 2015 (Cristián Undurraga), Edificio O14 en Emiratos Árabes Unidos.

En años recientes se han construido muchos edificios altos en el Distrito Federal, con ejemplos como son la Torre Mayor, considerada hace algunos años la torre más alta de Latinoamérica, la Torre Bancomer y la Torre Reforma que cuentan con una altura aún mayor. Dentro de este contexto, el uso del sistema DIAGRID en zonas de alta sismicidad tiene el potencial de reducir el costo ambiental y económico del sistema estructural usado para este tipo de edificios.

ANTECEDENTES

Hoy en día, la sustentabilidad juega un papel fundamental durante la concepción, diseño y construcción de edificios altos. Aunque la sustentabilidad abarca muchos factores, como lo son un enfoque social, económico y ambiental, este último factor involucra métodos e implementaciones asociadas a la eficiencia energética y al uso eficiente de los recursos renovables, reciclables y de bajo impacto ambiental, no deja de ser interesante mencionar que este concepto suele ignorarse en términos del planteamiento de los sistemas estructurales de los edificios ubicados en zonas de alta sismicidad. Es importante mencionar que de acuerdo con González (2010), el consumo de recursos a nivel mundial debido a la edificación alcanzan aproximadamente el 40% de materias primas como son arcilla, arena y piedra, el 25% de la madera virgen y aproximadamente el 16% del agua utilizable, demostrando que el impacto ambiental debido a la edificación de estructuras tiende a ganar importancia en términos relativos conforme pasan los años (Terán-Gilmore 2012), por lo tanto, es imperativo plantear el uso de sistemas

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innovadores que reduzcan de manera considerable la cantidad invertida de materiales durante los procesos de construcción.

Recientemente el sistema estructural conocido como DIAGRID ha sido usado en edificios altos ubicados en zonas no sísmicas con el fin de reducir el impacto ambiental. Dentro de la comunidad de arquitectos, varios profesionales han resaltado las posibilidades que este sistema es capaz de ofrecer en términos de conjugar expresión estética, versatilidad geométrica y eficiencia estructural (Mele et al, 2014). El sistema DIAGRID (acrónimo inglés para diagonal grid o rejilla diagonal) es un sistema perimetral constituido por grandes armazones de acero (u otro material) dispuestos en módulos triangulares. Los elementos horizontales ubicados a la altura de los sistemas de piso forman anillos perimetrales que aseguran la integridad del sistema. A pesar de las grandes ventajas que el uso del DIAGRID ha representado desde un punto de vista sustentable, su uso no ha sido estudiado profundamente para zonas que sufren de alta sismicidad, donde el ahorro de material pudiera ser aún mayor. Con base en el uso que se ha dado al DIAGRID en zonas no sísmicas, se considera que existen dos requerimientos de diseño para este sistema: A) Resistencia y B) Rigidez. Sin embargo, el uso de un DIAGRID en zonas de alta sismicidad requiere de la consideración explícita de sus capacidades de deformación lateral y disipación de energía. Este artículo plantea reconocer los beneficios de adoptar el uso de sistemas DIAGRID, tanto demostrando sus ventajas en términos de su respuesta dinámica como las ventajas dentro de los conceptos de un sistema estructural sustentable. SISTEMA ESTRUCTURAL DIAGRID

El concepto de rejillas rígidas como sistema estructural se remonta a las primeras décadas del siglo XX, cuando el reconocido ingeniero ruso Vladimir Grigorievich Shukhov discutió la posibilidad y conveniencia de usar rejillas rígidas para estructurar sistemas estructurales de gran altura. Entre 1886 y 1889 Shukhov desarrolló el concepto de cubiertas estructurales excepcionalmente ligeras, que lo llevó a solicitar en 1895 una patente para cubiertas configuradas con células con forma romboidal, las que con el tiempo evolucionaron a lo que ahora se conoce como DIAGRID. Después de una serie de pruebas y experiencias exitosas, la recién formada Unión Soviética encomendó a Shukhov una serie de diseños que culminaron con la construcción de una torre para una estación de radio ubicada en los alrededores de Moscú. De manera casi inmediata, el proyecto inicial llamó la atención del medio de la construcción debido a su ligereza, ya que mientras la torre tenía una altura planeada similar a la de la torre Eiffel, la primera solo pesaría 30% del peso de la segunda. La guerra civil rusa y la escasez de material derivada de esta imposibilitaron la consecución del proyecto original. A la larga, se planteó una segunda versión para la torre que quedó limitada a una altura de 160 metros, lo que no evitó que una vez más llamará la atención debido a su gran estabilidad estructural y su poco peso (1000 ton). En un DIAGRID, la disposición en triángulo de los miembros estructurales ubicados en el perímetro del edificio resulta en que su comportamiento estructural quede dominado por esfuerzos y deformaciones axiales. Dada la ausencia de columnas, dichos miembros deben acomodar de manera simultánea las cargas verticales y laterales que resultan de las acciones de diseño (Mele et al. 2014). A diferencia de un sistema estructural conformado por marcos y diagonales, donde las deformaciones laterales debidas a los comportamientos globales en corte y flexión quedan controladas por diferentes miembros estructurales (contravientos y columnas que los apoyan, respectivamente), en un DIAGRID ambas componentes de deformación quedan controladas por los mismos miembros estructurales (diagonales inclinadas). El estudio de la respuesta de sistemas DIAGRID ante cargas laterales se limitó inicialmente al caso de viento (Moon et al., 2007 y Moon, 2008). A pesar de esto, se hicieron observaciones de gran interés, particularmente en lo que se refiere a la inclinación óptima de las diagonales. En particular, Moon et al. (2007) indican que en edificios de gran altura este ángulo se encuentra en un rango relativamente reducido de valores centrado alrededor de 700. Recientemente, Mele et al. (2014) observaron que la geometría de proyectos reales de sistemas DIAGRID construidos alrededor del mundo sigue cercanamente dicha recomendación.


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Figura 2. Torre de radio de Shukhov (1922) Recientemente se han invertido esfuerzos por entender las implicaciones del uso de sistemas DIAGRID en zonas de alta sismicidad. Al respecto, Kim y Lee (2010 y 2012) han notado que las cargas por sismo pueden llegar a regir el diseño de edificios de gran altura estructurados con DIAGRID. En sus trabajos, Kim y Lee mencionan que los sistemas DIAGRID pueden llegar a exhibir una elevada sobre-resistencia debida a la redundancia que presentan, y una alta capacidad para controlar la demanda de deformación lateral impuesta por los efectos sísmicos. Mencionan que para estabilizar la respuesta lateral de este sistema cuando ingresa a su rango de comportamiento plástico, es conveniente controlar el pandeo de los elementos diagonales, y dentro de este contexto, recomiendan el uso de contravientos restringidos contra pandeo.

Figura 3 Idealización del Diagrid como un sistema equivalente. Diseño basado en desplazamientos

La metodología de diseño basada en desplazamientos que se utiliza es la presentada por Terán-Gilmore y Coeto (2011), en la cual se considera explícitamente que un sistema estructural apoyado por un sistema de contravientos funciona a manera de una viga en voladizo, de donde su respuesta depende de dos componentes, una debida a corte tomada por la deformación axial de los contravientos, y la otra a flexión por la deformación axial de las columnas del sistema gravitacional. La metodología se muestra de manera esquemática en la figura 4, y considera un solo nivel de intensidad sísmica. El primer paso consiste en establecer una definición cualitativa del desempeño esperado. Esto se obtiene a partir de la consideración explícita de niveles de daño aceptables en los diferentes sub-sistemas que componen la estructura (DIAGRID, sistema gravitacional y componentes no estructurales). El segundo paso

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consiste en la caracterización del desempeño esperado por medio de umbrales de respuesta. Como tercer paso se establece el valor de período estructural de diseño, mediante el uso de un espectro de desplazamiento, que a su vez permite estimar el valor de rigidez lateral. En el paso final se estima el tamaño de los elementos diagonales del sistema DIAGRID.

En la figura 4, IDI�� e ��

�� , corresponden a las derivas de entrepiso máximas para los sistemas gravitacional y no estructural del sistema respectivamente, donde OI indica que estos sub-sistemas deben ser capaces de satisfacer el nivel de Ocupación Inmediata; por otro lado, para el DIAGRID se indica que este deberá alcanzar un valor ��, estableciendo un nivel de desempeño de Seguridad de Vidas, lo que implica limitar la

ductilidad máxima hasta un valor max tal que, el DIAGRID mantenga una respuesta plástica pero a su vez controlada, previniendo el pandeo de sus elementos.

Figura 4. Metodología de diseño preliminar. Dos formas de controlar el pandeo ante elevados niveles de comportamiento plástico es por medio del uso de secciones huecas rellenas de concreto (Perea et al., 2010) o el uso de contravientos restringidos contra pandeo (Kim y Lee, 2010 y 2012). El hecho de seleccionar la primera solución obligaría a limitar el ingreso del sistema DIAGRID al intervalo de comportamiento no lineal a ductilidades de alrededor de 1.5. De ser preciso incrementar el comportamiento plástico se deberá considerar el uso de contravientos restringidos contra pandeo. Para fines prácticos del presente trabajo, las secciones del sistema DIAGRID del ejemplo se han dimensionado como elementos huecos. En términos cualitativos el paso número 1 de la figura 4 indica que, el nivel de desempeño en consideración deberá satisfacerse si los sistemas gravitacional y no estructural cumplen con el nivel de Ocupación Inmediata, mientras que el DIAGRID cumplirá con el de Seguridad de Vidas. De acuerdo con lo anterior, si se cuantifica el desempeño, el sistema gravitacional podría llegar a desarrollar un nivel incipiente de comportamiento plástico por lo que, será recomendable utilizar conceptos de diseño por capacidad para el detallado del sistema gravitacional tal que, en caso que este llegue a desarrollar daño, sea principalmente por flexión. Adicionalmente es importante señalar que la concepción de la estructura en su totalidad y la interacción entre el Sistemas Gravitacional y de DIAGRID debe considerarse desde el inicio, debido a que lo más recomendable es reducir al mínimo posible las cargas gravitacionales tributarias sobre el DIAGRID y que geométricamente el Sistema Gravitacional se ocupe de soportar dichas cargas.

OISGIDI

OINEIDI

yIDI

maxIDIloc

maxSd

TTT

Sd %5

max

max

TT

maxSd


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Una vez que el Sistema Gravitacional ha sido diseñado, se puede establecer el valor de �� por medio de un

análisis estático no lineal, siendo este aquel en el que los elementos del Sistema Gravitacional inician comportamiento plástico (típicamente se utiliza 0.01). Además deberá considerarse el diseño de conexiones tal que el daño estructural de elementos en el sistema gravitacional no restrinja la capacidad a deformación del DIAGRID. El paso número 2 de la figura 4, indica que se establecen características básicas del sistema DIAGRID cómo son su geometría y el material estructural. En el aspecto de la geometría, el punto más relevante corresponde al ángulo de inclinación del sistema de contravientos respecto del plano horizontal (θ), el cual de acuerdo con sugerencias hechas por Moon et al. (2007) este debería ubicarse alrededor de los 70° con el fin de optimizar el uso del material ante cargas laterales. De lo anterior, se tiene que la siguiente expresión para determinar el valor de la deriva de fluencia del sistema DIAGRID se define como:

�� =��

�� (1)

donde E corresponde al módulo de elasticidad del material. Con el valor de �� se determinará la demanda

de ductilidad local a la que quedarían sometidos los elementos diagonales (ecuación 2) y consecuentemente es viable calcular la demanda de ductilidad máxima global max (ecuación 3):

�� =��

�� (2)

�� =��

� (3)

En la ecuación (3), β es un factor de corrección que depende de la irregularidad en altura, y el cual es mayor que uno y se incrementa dependiendo del número de pisos y la ductilidad máxima que desarrollará la estructura (Nassar y Krawinkler, 1991 y Bertero y Bertero, 1992). Un incremento en la rigidez de post-fluencia incrementa al valor de β y reduce su dependencia respecto del número de niveles y la ductilidad máxima. Para el caso del sistema DIAGRID, es recomendable controlar la demanda de ductilidad estrictamente, por lo que β tenderá a ser uno si se trata de un DIAGRID regular, por lo que �� ≈ ��. Si se considera que µmax es adecuado, se procede con el paso número 3 de proceso, el cual inicia con la estimación del umbral de desplazamiento de diseño en el nivel de azotea δD, por medio de la ecuación (4), donde �� corresponde al umbral del índice de deriva máxima de entrepiso, H es la altura total del edificio, y COD es el coeficiente de distorsión (el cual considera que la deriva no es constante a lo largo de la altura):

�� =��

�� (4)

Cabe señalar que el desplazamiento máximo de azotea (δD) incluye las contribuciones a flexión y cortante, mientras que COD puede considerarse igual a 1.2 para sistemas DIAGRID ya que de acuerdo con Teran-Gilmore et al. (2016). De acuerdo con las recomendaciones hechas por FEMA 306 (Applied Technology Council, 1998) y estudios desarrollados por Terán (2004) y Coeto (2008), pueden usarse valores de acuerdo con los presentados en la tabla 1, para el diseño preliminar de un sistema DIAGRID que exhiba regularidad a lo largo de su altura. En dicha tabla se aprecian listados de valores para factores αS y αB, denotando factores de transformación para los comportamientos globales por cortante y flexión respectivamente. Es importante indicar que estos factores de corrección no necesariamente son iguales entre sí. El hecho de hablar de la contribución de componentes a cortante y flexión se debe a la necesidad de realizar ajustes en la estimación final del valor de período estructural T. Por tanto, para establecer los umbrales de desplazamiento debido a dichas componentes (αS y αB) es importante asumir inicialmente un valor para el factor definido como (Terán-Gilmore et al. 2016):

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� =��

�� (5)

Terán-Gilmore et al (2016) consideran que para el diseño preliminar un sistema DIAGRID, es posible obtener un pre-diseño razonable mediante un valor de igual a 1.

Tabla 1 Valores de s y b usados para el diseño de sistemas DIAGRID regulares

Pisos Cortante (αS) Flexión (αB)

1 1.00 1.00

2 1.20 1.20

3 1.30 1.30

4 1.35 1.35

5 1.40 1.40

10 1.40 1.50

15 1.40 1.55

20+ 1.40 1.60

La metodología que se utiliza en el presente trabajo, se basa en la idealización de que la estructura funciona como un conjunto de dos subsistemas, de los cuáles el primero consiste en un conjunto de marcos momento-resistentes bien detallados para soportar las cargas gravitacionales, mientras que la resistencia a carga lateral es proporcionado por otro subsistema, conocido como rejilla perimetral en diagonal (DIAGRID por su nombre en el idioma inglés). En términos del presente trabajo, el sistema de marcos momento-resistentes, se denominará como sistema gravitacional y la rejilla perimetral como DIAGRID. En el aspecto del desempeño estructural, se considera que ante la acción de un evento severo, la estructura cumplirá con un estado de Ocupación Inmediata, y con la posibilidad de reparase fácilmente. Un evento considerado como severo será aquel con un nivel de amenaza sísmica que superior al 5% de probabilidad en un lapso de 50 años. En términos de idealización del sistema estructural, se consideran las siguientes hipótesis: A) Los sistemas de piso funcionan como diafragmas rígidos; B) El sistema DIAGRID proporciona la rigidez lateral necesaria al edificio; y C) Las componentes de deformación debidas a cortante y flexión sobre el DIAGRID pueden estimarse de manera independiente. Como se presenta en la figura 3, para este propósito es posible idealizar al DIAGRID como un sistema equivalente de un grado de libertad que cuenta con dos resortes trabajando en serie, el primero representa la rigidez global a cortante y el segundo la rigidez global a flexión. Una vez que se asume el valor de κ, el modelo simplificado discutido por Terán-Gilmore et al. (2016) indica las ecuaciones (6) y (7), donde αS y αB se establecen de acuerdo con la tabla 1.

�� =�

��

��

�� (6)

�� =�

��

��

�� (7)

Finalmente, el umbral de desplazamiento máximo del nivel de azotea expresado en términos del pseudo-desplazamiento de un Sistema equivalente de un grado de libertad como:

�� = �� + �� =��

��+

��

�� (8)


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Este valor es el utilizado para estimar un valor de período estructural TT como se muestra en el paso 3 de la figura 2 con el espectro de diseño considerado, el cual deberá estar calculado para el valor de ductilidad µmax establecido previamente. Aunque la ecuación (8) no es estrictamente aplicable a un sistema de múltiples grados de libertad debido a que las influencias de los primeros modos de vibración en corte y flexión no son necesariamente iguales, esta ecuación resulta en estimaciones razonables para el diseño preliminar. Bajo la suposición de que el sistema DIAGRID es el que provee el total de la rigidez lateral del edificio, el paso 4 consistente en el dimensionamiento preliminar basado en rigidez del sistema de contravientos, deberá resultar en que el período de vibración del DIAGRID TD deberá ser muy similar al valor TT obtenido para la estructura completa. Lo anterior puede conseguirse utilizando la metodología desarrollada por Teran-Gilmore et al (2016), en la que se utiliza un área de referencia inicial, asignada a los elementos que componen el sistema DIAGRID, y ésta por ende resultará en un valor de período inicial T0, los cuáles se ajustan por rigidez para el período buscado que es TT. Una vez que las dimensiones para un valor de período TT han sido estimadas se procede con el diseño final, el cual consistirá en verificar que el diseño preliminar tiene una respuesta correcta por medio de análisis modales espectrales, y una serie de análisis de historia en el tiempo no lineales. Finalmente, si se requiere se deberá redimensionar ligeramente los elementos estructurales tal que se alcancen de manera correcta los niveles de desempeño seleccionados. Análisis de Ciclo de Vida

Como parte de los objetivos de este trabajo, es importante incluir un apartado que nos permita observar las ventajas medio-ambientales del uso de sistemas estructurales innovadores, esto como parte de una solución integrada al objetivo de ofrecer seguridad ante la acción nociva de eventos sísmicos. Lo anterior se consigue mediante el uso de métodos como el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), que permite evaluar el potencial de impacto ambiental de un producto, proceso o sistema a lo largo de toda su vida útil, es decir desde la obtención de las materias primas, el proceso de producción, uso y fin de vida útil, en el que se ven asociados aspectos tales como el reúso, reciclaje o desecho del sistema. Este método es reconocido a nivel internacional y rige diversos criterios en normatividades como por la NMX-SAA-14044-IMNC-2008 (2009) de México, la ISO 14001 (2015), y LEED (U.S. Green Building Council, 1993). Este tipo de certificaciones verifican que, un edificio sea diseñado, construido y operado bajo estrategias que aporten un mejor desempeño ambiental en: ahorro energético, reducción de emisiones de CO2, ahorro de agua, administración de materiales, calidad ambiental interior mejorada, reciclaje y manejo de impactos ambientales en el sitio de construcción y sus alrededores. Otra certificación internacional importante y que está entrando en el sistema latinoamericano es BREEAM (Building Research Establishment, 1990) del Reino Unido, en el que se establece que el 80% de los materiales utilizados en la edificación deberán contar con declaraciones ambientales de producto, con el objetivo de asegurar el uso de materiales con un bajo impacto ambiental, requiriendo el ciclo de vida de los materiales y una gestión sostenible de la edificación. Los tres pasos dentro de un ACV se presentan en la figura 5a de acuerdo con la NMX-SAA-14044-IMNC-2008 (2009), los cuáles se inter-relacionan en un proceso constante de interpretación de datos. La base principal de esta metodología es denominada como Inventario del Ciclo de Vida (ICV), en el cual se cuantifican todas las entradas y salidas del sistema (ver figura 5b); las entradas están relacionadas a los consumos de materia prima, energía, agua y transporte, así como todas las emisiones a suelo, agua y aire, como los residuos sólidos, emisiones a la atmósfera y derivados de todos los procesos que conforman al sistema bajo estudio.

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a) b) Figura 5. a) Fases de un Análisis de Ciclo de Vida. b) Proceso general de entradas y salidas

Para el caso mexicano, los estudios más reconocidos sobre sustentabilidad y ciclo de vida de zonas urbanas han sido desarrollados por el Centro Mario Molina fundado en 2004. A partir de mediados de la primera década del presente siglo, el interés y prácticas sobre la aplicación de estas metodologías se han extendido alrededor del país. En San Luis Potosí se han desarrollado trabajos sobre el impacto ambiental de los materiales de edificación para la construcción de vivienda (González, 2012). La mayoría de los estudios hasta el momento han tomado la información de productos enlistados en bases de datos que poseen los correspondientes inventarios de ciclo de vida, que se encuentran inmersos en las herramientas computacionales, como SimaPRO (2016), ATHENA (2016), openLCA (GreenDelta, 2006), y otros, cabe aclarar que toda esta información recopilada y con la que se trabaja, es principalmente de países Europeos y los costos por la obtención de las licencias de las bases de datos o softwares, son bastante elevadas. En los últimos 10 años se ha desarrollado una base de datos mexicana, recopilando inventarios de ciclo de vida de productos fabricados en México, que recientemente ha sido lanzada al público con el nombre de Mexicaniuh (CADIS, 2016), que aún no es comercializada. A pesar de ser conceptualmente simple, este tipo de estudios se vuelven complejos durante el proceso de ejecución, muchas veces por la falta de información, o la cantidad de conceptos que se involucran en el cálculo de un producto, y la variabilidad que estos presentan debido a los diferentes niveles de modernización en sus procesos de producción. De ahí que, se han desarrollado otras metodología de ACV con el fin de minimizar el trabajo que se realiza al recopilar la información, que permiten obtener estimaciones aproximadas sobre los impactos ambientales que más se manejan en la cultura popular, como en el del carbón incorporado en la construcción de estructuras civiles e infraestructura. Una de estas metodologías es la presentada por el Instituto de Ingenieros Estructuristas (ISE, 2011) del Reino Unido, con la cual pretende agilizar la estimación de emisiones de carbono de la industria de la construcción en dicho país, esto utilizando valores medios en porcentaje por unidad de peso utilizado. Actualmente México es un país que en su ámbito empresarial no acostumbra analizar dichos procesos bajo certificaciones de calidad y gestión ambientales, por lo tanto la documentación del impacto ambiental de sus procesos de producción es mínima. Sin embargo, empresas mexicanas, en colaboración con instituciones de investigación, trabajan de manera conjunta en la búsqueda de soluciones para realizar ACV de forma más eficaz, y contar con la posibilidad de estimar el impacto ambiental de una estructura durante su proceso de conceptualización y diseño, aspecto que permitirá agilizar de la toma de decisiones en el campo práctico durante ejecución de proyectos de edificación e infraestructura. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS

Este trabajo considera el diseño de dos estructuras con características geométricas similares. La estructura definida como tradicional (Montiel y Teran-Gilmore, 2013), cuenta con 24 niveles y es utilizada para oficinas. Fue dimensionado de acuerdo las condiciones establecidas por el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal vigente en el año de 1993 (RCDF, 1993) y se ubica en zona de suelo blando (zona III). Dicha estructura cuenta con una planta de 45x45 metros, cuenta con alturas variables de entrepiso que van entre 4.0


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hasta 6.0 metros, resultando en una altura total de 114.8 metros y un período fundamental de 2.67 segundos (figura 6).

Figura 6. Geometría general de la estructura tradicional.

La estructura tradicional cuenta en sus direcciones principales con siete ejes de marcos compuestos (vigas de acero con columnas de acero revestidas en concreto), los cuales están rigidizados con contravientos dúctiles. Los sistemas de piso se conforman de vigas primarias y secundarias, complementadas por losa-acero conectada a los patines superiores de las vigas por medio de conectores de cortante. Mientras los marcos exteriores tienen columnas compuestas con dimensiones del encamisado de concreto de 1.2 por 1.2 metros, los marcos interiores tienen dimensiones finales de 0.8 por 0.8 metros. El acero estructural cuenta con una resistencia de 351.0MPa (3,515kg/cm2) y el concreto exhibe una resistencia de 35.0MPa (350 kg/cm2). Por otro lado, el sistema denominado como innovador ha sido diseñado de acuerdo con la metodología de diseño basado en desplazamientos propuesta por Terán-Gilmore, et al. (2016). Un conjunto de marcos, en este caso de acero, funcionan como el sistema que soporta la carga gravitacional, mientras que una rejilla perimetral rígida (DIAGRID) trabaja como un exoesqueleto que soporta las fuerzas laterales debidas a la acción sísmica. El espectro que se consideró para este diseño es el mostrado en línea negra en la figura 7, que corresponde a la media más una desviación estándar de espectros no lineales de un grupo de 10 registros de aceleración, los cuales fueron simulados con la metodología de Kohrs-Sansorny, et al. (2005). El registro usado como semilla es el obtenido en el sitio SCT del evento del 25 de abril de 1989 (BMDSF, 2000). Éste método de simulación permite tomar en consideración las características dinámicas del suelo, debido a que inherentemente considera los efectos de sitio y propagación sin necesidad de incluirlos por medio de factores teóricos u otros mecanismos, además de permitir generar señales para un número prácticamente ilimitado de mecanismos de falla (Quiroz-Ramírez et al., 2014). Los principales parámetros considerados para el diseño innovador son una resistencia del acero de 351MPa (3,515kg/cm2), un valor límite de deriva de entrepiso de 0.01, un valor de ductilidad de 1.5 y un coeficiente de deriva (COD) de 1.2 como lo recomienda Terán-Gilmore et al., (2016).

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Figura 7. Espectros considerados para el diseño del sistema innovador (ζ 5%, ductilidad de 1.5)

El diseño final presentado en la figura 8, resultó en un sistema gravitacional de 4 marcos de acero en cada dirección principal, los cuales cubren claros de 9.0 metros, más dos ejes de rejilla perimetral en los extremos en ambas direcciones igualmente a una distancia de 9.0 metros. Se consideró una variación lineal con 8 cambios de sección a lo largo de la altura tal que, la sección más pequeña es un 60% de la primera. Se alcanza una altura total de 114.48 metros y un período fundamental TT igual a 3.35 segundos. Cabe aclarar que las secciones obtenidas para el sistema de la rejilla rígida perimetral no fueron ajustadas después del diseño preliminar, por lo que se observarán que la distribución de derivas no es lo uniforme que se esperaría de un diseño más refinado.

Figura 8. Configuración final del sistema innovador.

Figura 9. Curvas del análisis estático no lineal del sistema innovador considerando 0% y 100% de

carga gravitacional sobre la rejilla perimetral.


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Es importante indicar en este caso particular, que el sistema DIAGRID no queda totalmente libre de soportar parte de la carga gravitacional, debido a la configuración que decidió usarse sin un marco de soporte cercano a la rejilla perimetral. Sin embargo, a pesar que la rejilla soporta el 17% del total de la carga gravitacional, la resistencia lateral de la rejilla se reduce en alrededor de 7% con respecto al caso de no soportar carga gravitacional (línea punteada gris) como se muestra en la figura 9, lo que puede considerarse irrelevante. COMPARACIÓN DE LA RESPUESTA ESTRUCTURAL DE AMBOS SISTEMAS

Inicialmente, tanto el sistema tradicional como el innovador fueron sometidos a un análisis estático no lineal. La figura 10 presenta ambas curvas de comportamiento, en donde es posible apreciar que a pesar de que el sistema DIAGRID tiene una ductilidad de 1.5, es capaz de desplazarse en promedio un 37% más que el edificio tradicional, con un cortante basal actuante menor en aproximadamente 34%. El sistema innovador muestra un mecanismo más gradual de la fluencia de los elementos diagonales en comparación a un cambio de pendiente más drástico en el sistema tradicional.

Figura 10. Curvas de capacidad de la estructura tradicional y el sistema innovador.

En la figura 11 se presentan las evoluciones de índices de deriva de entrepiso para ambos análisis estáticos. Es posible observar que los dos sistemas presentan distribuciones relativamente uniformes, aunque para el sistema innovador es evidente que existen variaciones ligeramente concentradas, específicamente en las zonas donde se presentan cambios de sección.

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a) b) Figura 11. Comparativa de los índices de deriva de entrepiso a diferentes valores de desplazamiento

de azotea. a) Edificio tradicional b) Edificio innovador

A pesar de observarse que el índice de deriva en el cuarto entrepiso supera el valor pre-establecido de 0.01, la deformación es principalmente a flexión, lo que mantiene al sistema gravitacional dentro del rango lineal de comportamiento. Posteriormente, se realizaron una serie de análisis de historia en el tiempo utilizando los 10 registros simulados a partir de la semilla obtenida para el sitio de SCT durante el evento del 25 de abril de 1989 (BMDSF, 2000).

a) b) Figura 12 Desplazamientos y derivas máximas estimadas para los movimientos sísmicos

considerados.

En la figura 12 se presentan los gráficos de desplazamiento y la distribución de índices de deriva de entrepiso, donde es posible apreciar que el sistema innovador muestra valores ligeramente superiores al límite establecido para Ocupación Inmediata (0.01), sin embargo el sub-sistema destinado a soportar cargas gravitacionales no presenta comportamiento plástico en ninguno de sus elementos, lo que permite deducir que este incremento de los valores de deriva de entrepiso se deben principalmente a la contribución a flexión de la respuesta global del sistema.


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En las figuras 13 se presentan las distribuciones de promedios de rotaciones plásticas más una desviación estándar correspondientes al edificio tradicional resultado del análisis para los diez registros simulados (Montiel y Terán, 2013). Es posible apreciar que las demandas de rotación plástica para el caso de vigas exteriores (figura 13a) superan en ocho veces los valores estimados para las vigas de los marcos internos, mientras que en el caso de columnas se presentan valores superiores de 0.03 en las columnas de los marcos exteriores, mientras que en las columnas interiores las rotaciones son prácticamente nulas.

a) b) Figura 13. Rotaciones plásticas observadas en el edificio tradicional. a) Vigas b) Columnas

En la figura 14 se presenta el estado de daño del sistema innovador para el evento que genera las mayores demandas de los diez registros simulados para la serie de análisis no lineales de historia en el tiempo, donde es posible observar que para el edificio con el sistema innovador, el daño se presenta de manera incipiente el sistema de rejilla rígida, mientras que los marcos internos destinados a soportar carga gravitacional, no se presenta ingreso al intervalo de comportamiento plástico tanto en vigas como columnas.

a) b) Figura 14. Estado de daño en sistema innovador. a) Marco interior b) DIAGRID

COMPARACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL DE AMBOS SISTEMAS

Con el fin de generar una perspectiva integral sobre del desempeño ambiental de las estructuras bajo estudio, se realizó una evaluación de la potencialidad de impacto ambiental de los materiales de construcción usados en las trabes y columnas de las edificaciones. Este proceso de modelado se realizó en la herramienta computacional openLCA (GreenDelta, 2006), utilizando la base de datos Ecoinvent 3.1 (Ecoinvent, 2015) y una metodología LCIA de valores medios (ReCiPe, 2012), en la tabla 2 se muestran los valores de entrada para el cálculo de la simulación. Es importante aclarar que para este ACV, no se ha contemplado el daño debido a sismo en ninguna de las dos estructuras bajo estudio.

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Tabla 2 Materiales considerados para cada uno de los sistemas estructurales

Estructura Tradicional

Entrada Concepto Base de datos Unidad Cantidad

Concreto 35MPa Producción de concreto 35MPa Ecoinvent 3.1 m3 5801.9

Acero de refuerzo Producción de acero estructural Ecoinvent 3.1 Ton 327.29

Acero estructural Producción de acero rolado Ecoinvent 3.1 Ton 5661.6

Estructura Innovadora

Entrada Concepto Base de datos Unidad Cantidad

Acero estructural Producción de acero rolado Ecoinvent 3.1 Ton 3057.2

En la tabla 3 se presentan las estimaciones resultado de la simulación con el método LCIA, con las categorías de impacto ambiental más relevantes, solo se mostraran los datos donde el daño es más considerable y representativo. En la columna extrema del lado derecho de la tabla puede apreciarse la diferencia relativa entre los impactos entregados por los dos sistemas, y es posible advertir que la estructura tradicional impacta aproximadamente en una relación de 2 a 1 respecto del sistema innovador.

Tabla 3 Tabla comparativa de ecotoxicidad

Categoría de impacto Unidad de referencia Resultados

Tradicional Innovador Diferencia (%) Ecotoxicidad de agua dulce kg 1.4-DCB-Eq 0.9599 0.5126 46.6

Toxicidad humana kg 1.4-DCB-Eq 0.3269 0.1765 46.0 Ecotoxicidad marina kg 1.4-DCB-Eq 0.7106 0.3788 46.7

Ecotoxicidad terrestre kg 1.4-DCB-Eq 1.24E-24 6.43E-25 48.3 Agotamiento de agua m3 52601.83 28404.24 46.0

En la figura 15 pueden apreciarse los impactos ambientales de las dos estructuras que, de acuerdo con el método elegido, evalúa el impacto ambiental en puntos intermedios del mecanismo ambiental, a partir de la emisión de una sustancia en particular y su contribución a un problema ambiental especifico como puede ser la ecotoxicidad de cuerpos de agua dulce. Por otro lado, las relaciones del agotamiento de un recurso están ligadas a las cantidades de recurso que se utilizan para la fabricación de un material.

Figura 15.Comparación de Desempeño Ambiental. a) Impacto Ambiental b) Agotamiento de agua

El impacto ambiental en la estructura tradicional como se mencionó previamente, tiene una doble contribución en comparación con la estructura innovadora, esto se atribuye a las grandes cantidades de materiales que son usados para su construcción. Los volúmenes de concreto premezclado son generados con


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el uso de cantidades considerables de agua, aún sin contar el agua que debe ser usada para su curado y lavados de las mezcladoras. Uno de los materiales que emplea la construcción innovadora es el acero, es un material que genera impactos asociados la toxicidad de cuerpos de agua dulce y salada, pero recientemente la industria del acero ha comenzado a obtener su materia prima a partir de un 65% de materiales reciclados, y al final de su vida útil este puede reingresar al mismo proceso de reciclaje en múltiples ocasiones, situación que no sucede con el concreto, que aunque puede ser reciclado, los costos para el constructor aún son elevados y se debe realizar un demolición controlada in situ, en el que se logre separar de manera eficiente material que pueda ser aprovechado. Otro problema que es necesario indicar es la poca cultura existente en la industria de la construcción para rescatar y usar material de concreto reciclado, realizándose una mala disposición de éste. CONCLUSIONES

Se realizó la comparativa del comportamiento sísmico y desempeño ambiental de dos sistemas estructurales, de los cuales, el primero consiste en un sistema tradicional a base marcos momento-resistentes compuestos de concreto reforzado y secciones de acero estructural. La segunda estructura consiste en un ejemplo teórico de un sistema de rejilla rígida y un sistema de marcos flexibles de acero estructural, dimensionado con el método de diseño basado en desplazamientos. Respecto del comportamiento sísmico, se puede observar que la estructura tradicional a pesar de contar con una resistencia 34% superior y una rigidez 50% mayor respecto del sistema innovador, la primera presenta niveles mayores de daño, esto a pesar de mostrar valores de índice de deriva inferiores en promedio. Por otro lado, el sistema innovador a pesar de presentar menor uniformidad en la distribución de sus índices de deriva, los niveles de daño son menos relevantes, llegando a un estado de plastificación incipiente en alrededor del 8% de los elementos que componen la rejilla perimetral. Desde el punto de vista sustentable, uno de los aspectos más importantes es reducir el uso de materiales que generen no solo contaminación durante su procesos de fabricación, sino el agotamiento de los recursos naturales no renovables, así como la relación que tiene con los sistemas de trasporte para su distribución, debido a que, a mayor cantidad de material, más trasporte de gran capacidad deberá utilizarse. Esto puede apreciarse con el sistema innovador, aportando en promedio un 46% del impacto ambiental que el sistema estructural tradicional demandaría del entorno natural, esto sin considerar aspectos de mantenimiento y operación a lo largo de su vida útil, como puede ser el proceso de reparación después de un evento sísmico, donde claramente el sistema estructural tradicional mostraría su mayor propensión a sufrir de un daño mayor y por ende, un consumo mayor de materiales para su rehabilitación. Aún es preciso estudiar los efectos del uso de sistemas estructurales innovadores a largo plazo, así como la implementación de sistemas que limiten el daño por medio de sistemas pasivos o activos, sin embargo la propuesta presente es promisoria y necesaria. Finalmente, es posible indicar que el uso de sistemas estructurales innovadores aplicados de forma razonada, aunado a la estimación rápida y responsable del impacto ambiental, y la utilización de materiales ambientalmente responsables en su producción y traslado, permitirá al campo de la ingeniería brindar a la sociedad niveles de seguridad equiparables a los actuales ante los efectos nocivos del fenómeno sísmico. AGRADECIMIENTOS

El primer autor desea agradecer el apoyo otorgado por el CONACyT en el ámbito del Programa de Estancias Posdoctorales para el Fortalecimiento de la Calidad del Posgrado Nacional – Convocatorias 2015(1) y 2016(2). De la misma forma, los autores desean expresar su agradecimiento al Mtro. Julio Contreras, al Dr. Joselito Medina, de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, por su apoyo en la validación de resultados del Análisis de Ciclo de Vida realizado en el presente trabajo. Finalmente los autores desean expresar su agradecimiento a Kaltia Consultoría y Proyectos por su participación con el apoyo de su personal técnico para las estimaciones de ACV presentadas aquí.

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REFERENCIAS

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