Fuente: Revista Mexicana de la Construcción


El objetivo de este artículo es presentar las principales modificaciones y aportaciones que realizó el Comité Técnico del Gobierno de la Ciudad de México a las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Acero, en comparación con las pasadas ediciones. Las normas se publicaron en diciembre de 2017.

Con la edición de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Acero (NTC-DCEA-CDMX-2017), la Ciudad de México cuenta con una de las especificaciones más avanzadas y actualizadas de América Latina y del mundo. Se plasman en ellas todos los factores relacionados con los avances científicos en la rama de la ingeniería estructural, las lecciones derivadas de fuertes sismos en varios países de alta sismicidad, materiales novedosos, métodos de diseño modernos, y las experiencias y aportaciones de Óscar de Buen López de Heredia, quien encabezó el comité técnico para la actualización de las normas.

En consecuencia, si se cumplen las disposiciones de las normas indicadas, los edificios de acero que se construyan en el futuro inmediato tendrán la seguridad requerida.

En las NTC-DCEA-CDMX-2017 se conserva la filosofía de diseño con base en la verificación de los estados límite de falla y de servicio (seguridad estructural y condiciones de servicio), que se adoptó en Europa, Canadá y México durante muchos años. El criterio de diseño básico es:

Acción de diseño ≤ resistencia de diseño:
∑Fc (CM + CV + S) ≤ FR Rn

donde:
FC = factores de carga: 1.3 para CM y 1.5 para CV
CM= carga muerta (acción permanente)
CV= carga viva (acción variable)
S= sismo (acción accidental)
FR = factor de resistencia. Toma en cuenta el modo de falla del elemento estructural en estudio:
= 0.75 (falla frágil)
= 0.90 (falla dúctil)
Rn = resistencia nominal que se obtiene de las normas NTC-DCEA-CDMX-2017

La resistencia nominal se refiere a la teórica que tiene un elemento estructural o una estructura para soportar los efectos combinados de las cargas que obran en ella.Las acciones permanentes, variables y accidentales se obtienen del título sexto, “Seguridad estructural de las construc-
ciones”.


Con base en una revisión cuidadosa de las normas de diseño anteriores, se intuyen los cambios más importantes, y se resumen como sigue:

  1. Inclusión de perfiles pesados, laminados o fabricados con placas soldadas (perfiles IS).
  2. Incorporación de tornillos ASTM F1852, A354 (H-122) grado BC y BD, F2280.
  3. Definición de las características de rigidez, resistencia y ductilidad de conexiones semirrígidas.
  4. Métodos de análisis y diseño de estructuras incluyendo los efectos de estabilidad: método directo y método de longitud efectiva. Se basan en las imperfecciones iniciales y en aplicar fuerzas laterales ficticias (FLF).
  5. En miembros en tensión, se definen claramente los factores de rezago por cortante, U, que reducen el área neta de las conexiones extremas de dichos miembros (tabla 3.1.1 de las NTC-DCEA).
  6. Miembros armados.
  7. Se ha incluido el capítulo C, “Conexiones con perfiles estructurales huecos (HSS) y en cajón de paredes de grueso uniforme”. Su uso es muy frecuente en la actualidad, por sus propiedades estructurales y su aspecto arquitectónico.
  8. Se adicionaron tablas similares a la especificación ANSI/AISC 360-16, que indican los estados límite aplicables a diversas secciones de vigas.
  9. En sistemas estructurales se adicionaron disposiciones de diseño para marcos con contraventeos excéntricos (MCE) y se incluyeron marcos con contraventeos restringidos contra el pandeo (MCRP), los marcos con armaduras especiales (MAE) que contienen tableros con diagonales en X y tipo Vierendel, y marcos con tableros de placas dúctiles (TPD) para estructuras con ductilidad alta (Q = 4).
  10. En las conexiones trabe-columna se introducen nuevos conceptos: soldaduras de demanda crítica y zonas protegidas. Esta información se fundamenta en las juntas precalificadas que fueron ensayadas desde el sismo del 17 de enero de 1994 de Northridge, California hasta la fecha.
  11. Además, se incluyeron los siguientes apéndices:

a) Diseño plástico
b) Placas base
c) Conexiones con perfiles estructurales: huecos (HSS) y en cajón de paredes de grueso uniforme
d) Diseño por fatiga
e) Edificios de un piso
f) Análisis sísmico
g) Documentos de consulta

Cabe señalar que las disposiciones de diseño de miembros en tensión se conservan sin cambios importantes respecto a las NTC anteriores.

En el caso de las vigas o trabes diseñadas como miembros de ductilidad alta, se restringirán contra el pandeo lateral por flexotorsión por medio de contraventeo lateral suficiente para que puedan desarrollar deformaciones plásticas importantes y conservar el momento plástico (Mp).

Para facilitar la aplicación de las NTC-DCEA-CDMX-2017, se han incluido figuras aclaratorias en buena parte de las normas. Hace ocho años se publicó el Manual ilustrado de diseño de estructuras de acero (Soto, 2010), donde se tomó la iniciativa de interpretar el contenido de las normas de uso común en México con figuras ilustrativas.


En la siguiente edición de las normas, sería conveniente incluir los siguientes temas especiales:

La acción de palanca (prying action) en el diseño de miembros en tensión.

Métodos de diseño para grupos de soldaduras y tornillos de alta resistencia cargados excéntricamente.

Recomendaciones generales para la incorporación de disipadores de energía.

Como parte complementaria de las NTC-DCEA-CDMX-2017, se recomienda desarrollar una buena cantidad de ayudas de diseño para miembros estructurales y conexiones.


En esta parte, los estudiantes de las universidades del Valle de México aportarían, a través de su servicio social o desarrollo de tesis profesionales, un importante trabajo para enriquecer el contenido de las NTC-DCEA-CDMX-2017.

Requisitos sísmicos de conexiones trabe-columna
Diseño estructural
Hoy en día, el diseño no se hace para las fuerzas obtenidas del análisis estructural, sino para las resistencias nominales de los miembros que se emplean realmente en la estructura; de ese modo se evita que las conexiones fallen antes de que se presenten las deformaciones inelásticas necesarias.

Se considera que las trabes dúctiles tienen deformaciones plásticas importantes y desarrollan un momento máximo probable cuando se generan las articulaciones plásticas.

Distorsión esperada de la conexión trabe-columna
La conexión trabe-columna debe admitir una distorsión de entrepiso igual a 0.04 radianes. La resistencia en flexión de la conexión, determinada en la cara de la columna, debe ser igual o mayor que el 80% del momento plástico de la trabe conectada, cuando la distorsión del entrepiso es de 0.04 radianes.


En las NTC-DCEA-CDMX-2017 se conserva la filosofía de diseño con base en la verificación de los estados límite de falla y servicio (seguridad estructural y condiciones de servicio), que ha sido adoptada en Europa, Canadá y México durante muchos años.

Zonas protegidas
En los patines superiores de las trabes no deben colocarse piezas de apoyo para elementos no estructurales.

No se permite colocar pernos conectores de cortante soldados, ni elementos de la lámina de piso unidos por medio de soldaduras.

Se prohíben las discontinuidades creadas por cambios bruscos de sección de las trabes, agujeros, cortes con arco aire o soplete.

Deben indicarse en los planos estructurales y en las piezas fabricadas:

  1. No soldar conectores de cortante.
  2. No hacer perforaciones, no atornillar ni soldar.
  3. No ligar ningún componente no estructural (instalaciones, ductos u otros).
  4. Se permiten puntos de soldadura para fijar la losacero.
  5. No hacer empalmes de ningún tipo en trabes o en cubreplacas de vigas.

Se considera que las soldaduras de penetración completa entre los patines de trabes y columna y las de las placas de continuidad son soldaduras de demanda crítica, es decir, aquellas que resisten las acciones sísmicas y que requieren metal de aportación con propiedades particulares y condiciones especiales de colocación e inspección.

Las soldaduras de penetración completa que se consideran soldaduras de demanda crítica, son depositadas con el proceso de soldadura de electrodo con corazón de fundente (soldadura de arco eléctrico con electrodo con núcleo de fundente, o FCAW).


Materiales de aportación
Deben usarse electrodos con 4,900 kg/cm2 (480 MPa) de resistencia a la ruptura en tensión: E7018H4R y E70T-1MJH8 (H4, nivel de hidrógeno; R, cumple con los requisitos de la prueba de absorción de humedad; T, tubular; 1, uso y desempeño; M, mezcla de gases).

Todo el metal de aportación tendrá una tenacidad determinada con pruebas Charpy en V, no menor que 27 J a 255 K (–18 ºC) (20 ft-lb a 0 ºF).

El metal de aportación para las soldaduras definidas como de demanda crítica tendrá una tenacidad Charpy en V no menor que 27 J a 255 K (–18 ºC) (20 lb-ft a 0 ºF) ni que 54 J a 293 K (20 ºC) (40 ft-lb a 70 ºF) ni 83 K (10 ºC, 50 ºF).

Si la temperatura de servicio mínima esperada (TSME) de la estructura terminada es menor que 283 K (10 ºC, 50 ºF), el valor mínimo de 54 J (40 lb-ft) indicado se proporcionará a una temperatura no mayor que 10 K (10 ºC, 20 arriba de la TSME).

El propósito de las disposiciones de diseño contenidas en las NTC-DCEA-CDMX-2017 es obtener estructuras que se comporten satisfactoriamente durante sismos moderados y fuertes; que tengan una seguridad adecuada contra el colapso y que al mismo tiempo satisfagan premisas importantes de funcionamiento y economía razonable.

Con la actualización de las NTC-DCEA-CDMX-2017, que son normas oficiales locales, se han asentado y perfeccionado las bases técnicas para poner a la CDMX a la altura de cualquier otro país con alto nivel de desarrollo tecnológico.


Así pues, los ingenieros estructuristas mexicanos tienen una normatividad muy avanzada (aliada imprescindible) para diseñar con la máxima eficiencia los megaproyectos de acero estructural que se desarrollarán en los siguientes años. Para ello, se requiere gran responsabilidad y alta calidad profesional.

Hace falta vigilar de manera más estricta la actuación de todos los involucrados en esta especialidad para reducir los riesgos estructurales de las edificaciones de acero bajo el efecto de eventuales sismos futuros en la CDMX, aplicando valores éticos y morales en beneficio de la sociedad a la que nos debemos.


Las soldaduras de penetración completa entre los patines de trabes y columna y las de las placas de continuidad son soldaduras de demanda crítica, es decir, aquellas que resisten las acciones sísmicas y que requieren metal de aportación con propiedades particulares y condiciones especiales de colocación e inspección.

Por otro lado, con la publicación del Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México de 2017 los estados de la República tienen la oportunidad de actualizar de una vez por todas sus normas de diseño y construcción de estructuras de sus ciudades y municipios, tomando como base las normas de la capital del país (normas modelo). Solamente hay que tener presente que en la elaboración de las normas del interior del país han de tomarse en cuenta sus condiciones locales: tipos de suelo y sismicidad.

La realidad es que en provincia no se efectúa una revisión cuidadosa del diseño estructural de una edificación en el momento de tramitar su licencia de construcción. Ésta se entrega con requisitos mínimos, en ocasiones tan sólo con su pago en ventanilla

Referencias
Soto, Héctor (2010). Manual ilustrado de diseño de estructuras de acero (IMCA-2003, NTC-RDF-2004 y AISC-2005). México: Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil.

Estimado lector, éste y otros artículos de interés los podrá encontrar en la Revista Mexicana de la Construcción No. 637 Enero-Febrero 2019