Cartagena y el diseño sismorresistente de sus edificaciones

Cartagena y el diseño sismorresistente de sus edificaciones

 

Es muy grato recorrer una ciudad histórica fundada por los españoles en el siglo XVI: Cartagena de Indias. Visitar sus murallas, baluartes, edificaciones con arquitectura colonial, plazoletas, entre otros atractivos. Pero también, esta ciudad, también posee una zona moderna y turística, como lo son Bocagrande, Laguito y Castillogrande, ubicadas entre el mar  y  la Bahía de Cartagena. Esta ciudad colombiana ha logrado desarrollar una gran infraestructura hotelera y residencial en toda esta zona de la Bahía, con el aliciente de mirar al mar Caribe. En el presente artículo hablaremos de las edificaciones construidas a las orillas del mar desde el punto de vista sismorresistente.

En primer lugar hay que especificar que para efectos de la sismicidad, Colombia está dividida en tres zonas de amenaza sísmica. En cada una de ellas existen ciudades importantes y populosas como por ejemplo, en la zona de amenaza sísmica baja aparecen Cartagena y Barranquilla; en la zona de amenaza sísmica intermedia, Bogotá y Medellín; mientras que en la zona de amenaza símica alta, se encuentran las ciudades de Cali, Manizales y Bucaramanga. Esto es importante señalar porque relacionado a sus tres zonas sísmicas los colombianos han desarrollado la teoría de diseño con tres tipos de capacidades de disipación de energía: Capacidad mínima (DMI), moderada (DMO) y especial (DES).

Figura 1. Edificaciones residenciales en Cartagena (Colombia), zona de Bocagrande

Una norma de construcción no reemplaza al diseñador o proyectista de una determinada edificación pero si da unos lineamientos a seguir y que deben respetarse, y es una garantía de calidad y seguridad. Un ejemplo de ello  es el caso del colapso del edificio Space en Medellín, que  luego de su desplome, los ingenieros estructurales de Colombia sostuvieron que  “de haberse cumplido con la normatividad actual, no hubiese ocurrido este lamentable desastre”.

                                                                                   Figura 2. Mapa de la zona norte de Colombia con sus zonas sísmicas

 

La sismicidad influye en la estructuración, análisis y diseño de toda edificación. El procedimiento de diseño estructural para edificaciones nuevas que señala la norma colombina NSR-10 se muestra en los siguientes pasos:

 

Paso 1:  Predimensionamiento y coordinación con los otros profesionales

Definición del sistema estructural, dimensiones tentativas para evaluar preliminarmente las diferentes solicitaciones tales como: la masa de la estructura, las cargas muertas, las cargas vivas, los efectos sísmicos, y las fuerzas de viento. Estas dimensiones preliminares se coordinan con los otros profesionales que participan en el diseño.

Paso 2: Evaluación de las solicitaciones definitivas

Con las dimensiones de los elementos de la estructura definidas como resultado del paso 1, se evalúan todas las solicitaciones que pueden afectar la edificación de acuerdo con los requisitos del Título B del Reglamento. Estas incluyen: el efecto gravitacional de la masa de los elementos estructurales, o peso propio, las cargas de acabados y elementos no estructurales, las cargas muertas, las fuerzas de viento, las deformaciones impuestas por efectos reológicos de los materiales estructurales y asentamientos del suelo que da apoyo a la fundación. Así mismo se debe determinar la masa de la edificación y su contenido cuando así lo exige el Reglamento, la cual será empleada en la determinación de los efectos sísmicos, de acuerdo con los pasos siguientes.

Paso 3: Obtención del nivel de amenaza sísmica y los valores de Aa y Av

Este paso consiste en localizar el lugar donde se construirá la edificación dentro de los mapas de zonificación sísmica dados en el Capítulo A.2 del Reglamento y en determinar el nivel de amenaza sísmica del lugar, de acuerdo con los valores de los parámetros Aa y Av obtenidos en los mapas de zonificación sísmica del Capítulo A.2. El nivel de amenaza sísmica se clasificará como alta, intermedia o baja. En el Apéndice A-4 se presenta una enumeración de los municipios colombianos, con su definición de la zona de amenaza sísmica, y los valores de los parámetros Aa y Av , entre otros.

Paso 4:  Movimientos sísmicos de diseño

Deben definirse unos movimientos sísmicos de diseño en el lugar de la edificación, de acuerdo con los requisitos del Capítulo A.2 del Reglamento y, en el caso de Edificaciones cubiertas por A.1.2.3.3, con los requisitos del Capítulo A.12 del Reglamento, tomando en cuenta:

(a) La amenaza sísmica para el lugar determinada en el paso 3, expresada a través de los parámetros Aa y Av , o Ad , según sea el caso, los cuales representan la aceleración horizontal pico efectiva y la velocidad horizontal pico efectiva expresada en términos de aceleración del sismo de diseño,

(b) Las características de la estratificación del suelo subyacente en el lugar a través de unos coeficientes de sitio Fa y Fv , y

(c) La importancia de la edificación para la recuperación de la comunidad con posterioridad a la ocurrencia de un sismo a través de un coeficiente de importancia I.

Las características de los movimientos sísmicos de diseño se expresan por medio de un espectro elástico de diseño. El Reglamento contempla descripciones alternativas del sismo de diseño, ya sea a través de familias de acelerogramas, o bien por medio de expresiones derivadas de estudios de microzonificación sísmica, las cuales deben determinarse siguiendo los requisitos dados en el Capítulo A.2.

Paso 5: Características de la estructuración y del material estructural empleado

El sistema estructural de resistencia sísmica de la edificación debe clasificarse dentro de uno de los sistemas estructurales prescritos en el Capítulo A.3: sistema de muros de carga, sistema combinado, sistema de pórtico, o sistema dual. El Reglamento define limitaciones en el empleo de los sistemas estructurales de resistencia sísmica en función de la zona de amenaza sísmica donde se encuentre localizada la edificación, del tipo de material estructural empleado (concreto estructural, estructura metálica, mampostería estructural, o madera), de la forma misma como se disponga el material en los elementos estructurales según esté en posibilidad de responder adecuadamente ante movimientos sísmicos como los esperados por medio de su capacidad de disipación de energía, la cual puede ser especial (DES), moderada (DMO) o mínima (DMI); de la altura de la edificación, y de su grado de irregularidad.

Paso 6: Grado de irregularidad de la estructura y procedimiento de análisis

Definición del procedimiento de análisis sísmico de la  estructura de acuerdo con la regularidad o irregularidad de la configuración de la edificación, tanto en planta como en alzado, su grado de redundancia o de ausencia de ella en el sistema estructural de resistencia sísmica, su altura, las características del suelo en el lugar, y el nivel de amenaza sísmica, siguiendo los preceptos dados en el Capítulo A.3 de este Reglamento.

Paso 7: Determinación de las fuerzas sísmicas

Obtención de las fuerzas sísmicas, Fs , que deben aplicarse a la estructura para lo cual deben usarse los movimientos sísmicos de diseño definidos en el paso 4.

 

Paso 8: Análisis sísmico de la estructura

El análisis sísmico de la estructura se lleva a cabo aplicando los movimientos sísmicos de diseño prescritos, a un modelo matemático apropiado de la estructura, tal como se define en el Capítulo A.3. Este análisis se realiza para los movimientos sísmicos de diseño sin ser divididos por el coeficiente de capacidad de disipación de energía, R, y debe hacerse por el método que se haya definido en el paso 6. Deben determinarse los desplazamientos máximos que imponen los movimientos sísmicos de diseño a la estructura y las fuerzas internas que se derivan de ellos.

Paso 9:  Desplazamientos horizontales

Evaluación de los desplazamientos horizontales, incluyendo los efectos torsionales de toda la estructura, y las derivas (desplazamiento relativo entre niveles contiguos), utilizando los procedimientos dados en el Capítulo A.6 y con base en los desplazamientos obtenidos en el paso 8.

Paso 10: Verificación de derivas

Comprobación de que las derivas de diseño obtenidas no excedan los límites dados en el Capítulo A.6. Si la estructura excede los límites de deriva, calculada incluyendo los efectos torsionales de toda la estructura, es obligatorio rigidizarla, llevando a cabo nuevamente los pasos 8, 9 y 10, hasta cuando cumpla la comprobación de derivas.

Paso 11:  Combinación de las diferentes solicitaciones

Las diferentes solicitaciones que deben ser tenidas en cuenta, se combinan para obtener las fuerzas internas de diseño de la estructura, de acuerdo con los requisitos del Capítulo B.2 del Reglamento, por el método de diseño propio de cada material estructural. En cada una de las combinaciones de carga requeridas, las solicitaciones se multiplican por el coeficiente de carga prescrito para esa combinación en el Capítulo B.2 del Reglamento. En los efectos causados por el sismo de diseño se tiene en cuenta la capacidad de disipación de energía del sistema estructural, lo cual se logra empleando unos efectos sísmicos reducidos de diseño, E , obtenidos dividiendo las fuerzas sísmicas Fs , determinadas en el paso 7, por el coeficiente de capacidad de disipación de energía R (E = Fs R) . El coeficiente de capacidad de disipación de energía, R , es función de:

(a) El sistema de resistencia sísmica de acuerdo con la clasificación dada en el Capítulo A.3,

(b) Del grado de irregularidad de la edificación,

(c) Del grado de redundancia o de ausencia de ella en el sistema estructural de resistencia sísmica, y

(d) De los requisitos de diseño y detallado de cada material, para el grado de capacidad de disipación de energía correspondiente (DMI, DMO, o DES), tal como se especifica en el Capítulo A.3. Se debe cumplir lo indicado en las etapas 6 a 8 de A.10.1.4.

Paso 12: Diseño de los elementos estructurales

Se lleva a cabo de acuerdo con los requisitos propios del sistema de resistencia sísmica y del material estructural utilizado. Los elementos estructurales deben diseñarse y detallarse de acuerdo con los requisitos propios del grado de capacidad de disipación de energía mínimo (DMI) moderado (DMO), o especial (DES) prescrito en el Capítulo A.3, según les corresponda, lo cual le permitirá a la estructura responder, ante la ocurrencia de un sismo, en el rango inelástico de respuesta y cumplir con los objetivos de las normas sismo resistentes. El diseño de los elementos estructurales debe realizarse para los valores más desfavorables obtenidos de las combinaciones obtenidas en el paso 11, tal como prescribe el Título B de este Reglamento.

Edificaciones en construcción en Cartagena

Algunas de las edificaciones en fase de construcción en la ciudad de Cartagena se pueden apreciar en las siguientes fotografías:

 

  1. Edificio Navalera: Edificación de 20 pisos con sótano y terraza. El sistema estructural empleado es de pórticos de concreto armado en las dos direcciones principales. Las losas de entrepiso son aligeradas en una dirección con poliestireno.

Figura 3. Edificio Navalera

2. Edificio Ocean Tower. Edificación de 30 pisos con sótano y terraza. El sistema estructural empleado es de pórticos de concreto armado en las dos direcciones principales. También posee muros de carga de concreto armado en las paredes exteriores así como en la zona de escaleras y ascensores en el centro de la planta del edificio.

Figura 4. Esquema arquitectónico de un apartamento en Ocean Tower extraido de la web de la inmobiliaria.

Entre las bondades que ofrecen sus promotores se describe como sigue: Ocean Tower, más que un proyecto, un estilo de vida, diseñado en armonía con el Hotel Sheraton. Único con acabados de lujo, en apartamentos exclusivos, de 1 y 2 alcobas. Único con dos piscinas panorámicas en el piso 30, donde se tiene una increible vista 360º sobre la bahía de Cartagena y el mar Caribe. Algunas instalaciones: solarium, jacuzzi, baño turco, salones sociales climatizados.

 

Figura 5. Edificio Ocean Tower

 

3. Edificio West 9.  Esta será una torre de 43 pisos en la avenida primera de Bocagrande. La edificación también es aporticada de concreto armado.

 

Figura 6. Edificio West 9.

 

4. Edificio Infinitum. Edificación de 31 pisos de apartamentos,  4 niveles de parqueaderos, locales comerciales, áreas sociales, terraza, piscinas, oratorio, gimnasio, etc. Se encuentra en fase de construcción de la cimentación profunda.

Figura 7. Equipos para el hincado de pilotes del edificio Infinitum

 

Con estos ejemplos de edificaciones de altura para uso residencial y hotelero, se quiere mostrar cómo el tipo de zona sísmica influye para que se construyan proyectos ambiciosos como los mostrados y sin necesidad de aportarle a los mismos demasiada rigidez lateral por estar en región de sismicidad baja.