Hasta hace muy poco tiempo, las estructuras de concreto prefabricado podían construirse en áreas de alta sismicidad tales como California, únicamente al amparo de una disposición de los Requisitos del Reglamento de Construcción para Concreto Estructural del ACI 318. La disposición permite la construcción con concreto prefabricado en un área altamente sísmica "si se demuestra, por medio de evidencia y análisis experimental, que el sistema propuesto tendrá una resistencia y tenacidad igual o mayor que los proporcionados por una estructura comparable hecha de concreto reforzado monolítico…".
El cumplimiento de este requisito vago y cualitativo era, por razones obvias, no uniforme. La aprobación de estructuras prefabricadas bajo esta cláusula en algunas partes de California no podía obtenerse fácilmente. Fue evidente la necesidad de precisar los requerimientos de diseño exigibles para estructuras prefabricadas en regiones altamente sísmicas.

A través del análisis de trágicas experiencias, se perfeccionan las técnicas de construcción y los reglamentos. Luego de analizar el daño que las estructuras de concreto prefabricado sufrieron en los principales movimientos telúricos de los últimos años, se expone la evolución que han tenido desde 1994 los requisitos para estas construcciones en Estados Unidos

El primer conjunto de disposiciones específicas de diseño desarrolladas en este país para estructuras de concreto prefabricado en regiones de alta sismicidad aparece en la edición de 1994 de las Disposiciones Recomendadas del Programa Nacional de Reducción de Riesgos por Sismos (NEHRP = National Earthquake Hazards Reduction Program), publicadas por el Consejo de Construcción de Seguridad Sísmica (BSSC = Building Seismic Safety Council). Las disposiciones fueron desarrolladas por el Subcomité del Concreto del Comité de Actualización de Disposiciones de la BSSC, 1994, presidido por el autor, junto con el profesor Neil M.Hawkins, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien jugó un papel importante en su desarrollo

Northridge: 1994

Varias estructuras de estacionamientos de concreto prefabricado localizadas cerca del epicentro del sismo de Northridge, en 1994, no se comportaron adecuadamente. Las investigaciones pusieron en evidencia que esto no se debió a ninguna deficiencia inherente a la construcción con concreto prefabricado. Se debió a una de dos razones.

Primero, en muchas estructuras, algunos de los elementos estructurales (vigas, columnas, muros) están diseñados para resistir las fuerzas generadas por el movimiento del suelo en un sismo, mientras que otros elementos están diseñados para cargar únicamente los pesos gravi-tacionales. En tales casos, es de vital importancia que el marco de gravedad mantenga su capacidad para soportar carga gravitacional mientras se deforma con el sistema resistente a fuerzas sísmicas bajo la excitación del sismo de diseño esperado por nuestros reglamentos. Este requisito de "compatibilidad de deformación" fue violado en cierto número de estructuras de estacionamientos en áreas afectadas por el sismo de Northridge.
Después de éste, los requisitos de compatibilidad de deformación se hicieron más severos en el Reglamento Uniforme de Construcción (Uniform Building Code, UBC) de 1997, que actualmente forma la base de la mayoría de los reglamentos legales en el oeste de Estados Unidos. Los requisitos concernientes al refuerzo en elementos de marcos gravitacionales se hicieron también más estrictos en la edición de 1995 de los Requisitos del Reglamentos de Construcción para Concreto Estructural (Building Code Requi-rements for Structural Concrete) del ACI 318.

La segunda razón se refiere a una acción inadecuada del diafragma en muchas estructuras. El movimiento sísmico del suelo causa fuerzas inerciales en varios niveles de piso y en el nivel del techo de un edificio en donde están concentradas las masas (la fuerza inercial impartida en un nivel particular de piso es igual a la masa a ese nivel multiplicada por la aceleración de respuesta en ese nivel, que puede ser varias veces la aceleración del suelo).
Estas fuerzas inerciales se transfieren a los elementos verticales del sistema resistente a fuerzas laterales (los marcos y los muros) por las losas de pisos y techos que se flexionan en el plano en la acción del diafragma. Las porciones de las orillas de la losa perpendiculares a la dirección de la fuerza inercial actúan como cuerdas que resisten esfuerzos de tensión y compresión. Las orillas de la losa paralelas a la fuerza inercial transfieren la fuerza a los elementos paralelos resistentes (figura 1).

El refuerzo en "cuerda" del diafragma flexionado y el desarrollo de grietas a través de todo el ancho del diafragma fueron los tipos más comunes de daño observados. Al menos en la estructura de un estacionamiento, los muros de cortante resistentes a fuerzas laterales permanecieron sin agrietarse mientras que los elementos de concreto prefabricado del sistema del piso se colapsaron, demostrando que el diafragma era el elemento más débil del sistema estructural.
Las estructuras de estacionamientos de concreto prefabricado fueron construidas en todo el sur de California con firmes de compresión colados en la obra, y el refuerzo del diafragma fue colocado dentro del firme de compresión. El agrietamiento de las losas del firme de compresión debido a efectos de temperatura y a contracción condujo al desarrollo de grietas concentradas en el diafragma antes del sismo. El refuerzo distribuido comúnmente usado en los firmes de compresión no tenía capacidad de deformación para servir de puente en estas grietas. La fractura del refuerzo del alma condujo a disminuciones significativas en la resistencia a cortante calculada del diafragma.

La experiencia del sismo de Northridge llevó directamente a efectuar cambios en las disposiciones del diseño del diafragma de los Requisitos del Reglamento de Construcción para Concreto Estructural del ACI 318-99. Además, en la edición de 1997 del Reglamento Uniforme de Construcción se adoptaron las disposiciones de diseño para estructuras de concreto prefabricado en regiones de alta sismicidad de las Disposiciones de la NEHRP de 1994, con modificaciones.
La Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC, por sus siglas en inglés) agregó importantes salvaguardas para los sistemas de gravedad de concreto prefabricado.

Kobe, Japón: 1995

Un punto luminoso en medio de toda la devastación en Kobe fue el comportamiento de estructuras de concreto prefabricado y presforzado. Los edificios de departamentos del Japón en el rango de dos a cinco pisos de altura están construidos con muros de carga de concreto reforzado. Algunos de estos edificios utilizan muros o unidades de paneles de concreto prefabricado.
Se usan comúnmente conexiones de ductos de empalme con inyección de lechada para amarrar los muros de cortante al sistema de cimientos, y para conectar los muros de cortante apilados uno sobre otro. Se inspeccionaron tres de estas estructuras (figuras 2-4), sin encontrar daño en las mismas, y sólo se observó astillamiento o agrietamiento menor en el concreto colado en obra en la localización de los empalmes al cimiento, en pocas áreas. Estas estructuras debido a su buen comportamiento estuvieron listas para volver a ser ocupadas inmediatamente después del sismo, excepto ciertos casos en los que la sub-sidencia del suelo adyacente a la estructura pudo haber cortado algunos de los servicios públicos.

En Japón se incrementa día a día la construcción de estructuras más altas de concreto prefabricado. Es muy probable que éstas usen marcos, en vez de muros de carga, al menos en una dirección. Tales edificios no se encontraron en las áreas dañadas por el sismo de Kobe.

Kocaeli, Turquía: 1999

En Turquía se han empleado varios sistemas estructurales que incorporan elementos prefabricados reforzados o presforzado; algunos son patentados, adoptados de los países de Europa Occidental, y otros se desarrollaron en Turquía. Pueden identificarse tres sistemas básicos prefabricados:

• Sistemas de marcos
• Sistemas de paneles grandes
• Sistemas modulares o en cajón

Sistemas de marcos.

Durante muchos años la prefabricación en Turquía estuvo restringida a estructuras de marcos de un solo piso para edificios industriales.
Se utilizaban distintos sistemas. En general, la estructura principal consistía en vigas y columnas prefabricadas o subensamblajes y vigas. Con la excepción de un sistema, las vigas se unían a las columnas o a los subensamblajes mediante conexiones de pasador. Las conexiones eran detalladas de tal modo que pudieran resistir el cortante; pero no era posible la transferencia de momentos significativos.
En conjunto, tales edificios industriales prefabricados no se comportaron adecuadamente en el sismo. Se observaron varios casos de colapso estructural.

Sistemas de grandes paneles.

Se han usado y se siguen usando principalmente en edificios residenciales. Los grandes paneles de concreto se conectan en la dirección vertical y horizontal para modular los espacios de tamaño apropiado para los cuartos. Los paneles forman el principal sistema estructural, que consta de muros verticales y paneles horizontales de piso. Los paneles de piso transfieren las cargas gravitacionales y cargas laterales si están apropiadamente conectados a los paneles del muro. Se observó que al menos dos de esos edificios se comportaron más que adecuadamente, en medio de la devastación extendida (figuras 5 y 6).

Sistemas modulares o en cajón.

Los sistemas modulares o en cajón están íntimamente relacionados con los de grandes paneles. En este sistema de construcción, los cajones son colados como unidades integrales en las plantas, o los componentes individuales se ensamblan con conexiones para proporcionar un comportamiento integral. Para hacer un edificio de varios pisos, las unidades en cajón prefabricadas del tamaño de un cuarto se apilan una sobre otra y se conectan por medio de dispositivos apropiados. Los muros proporcionan resistencia a las fuerzas laterales en ambas direcciones. La ventaja más grande de este sistema es que todo el acabado de muros y pisos y la tubería puede hacerse en la planta. El sistema fue empleado en Turquía en pocos proyectos habitacionales a comienzos de los años ochenta, y desde entonces no se ha utilizado.
No hubo oportunidad de inspeccionar ningún edificio que lo haya utilizado y que haya sido afectado por el sismo de Kocaeli.

Disposiciones para sistemas de concreto prefabricado resistentes a fuerzas laterales.

NEHRP, 1994. Las disposiciones del NEHRP de 1994 presentaron dos alternativas para el diseño de sistemas prefabricados resistentes a fuerzas laterales (figura 7). Una opción es la emulación de la construcción monolítica de concreto reforzado. La otra, es el uso de las propiedades únicas de los elementos de concreto prefabricado interconectados predominantemente por conexiones secas. Una conexión "húmeda" utiliza cualquiera de los métodos de empalme del ACI 318 para conectar elementos prefabricados o prefabricados y colados en obra, y emplea concreto colado en obra o lechada para rellenar los taponamientos de empalme.
Una conexión "seca" es una conexión entre elementos prefabricados o prefabricados y colados en obra que no tiene las características de una conexión húmeda.
Se incluyeron procedimientos de diseño para la segunda opción (prefabricado y conexiones) en un apéndice del capítulo sobre concreto en las disposiciones del NEHRP de 1994.
Estos procedimientos tenían la intención de servir como información y diseño de prueba únicamente, ya que el estado existente del conocimiento hacía prematuro proponer disposiciones codificables basadas en información disponible en ese momento.

UBC 1997.

El Comité Ad Hoc sobre Concreto Prefabricado del Comité de Sismología de la SEAOC utilizó los requisitos del NEHRP de 1994 para los sistemas de concreto prefabricado resistentes a fuerzas laterales como punto de partida para su trabajo en el desarrollo de un cambio en el reglamento para el UBC de 1997. Sin embargo, el comité decidió limitar su alcance a los marcos (excluyendo sistemas de paneles) y a la opción de emulación monolítica, principalmente debido a restricciones de tiempo. El concreto prefabricado y sus conexiones se permite únicamente bajo las disposiciones de "sistemas estructurales no identificados" del UBC-97. La intención de esta restricción no es limitar el desarrollo de sistemas alternativos, sino continuar confiando en la evidencia experimental y el análisis, que demuestran que un sistema único satisfará la intención del reglamento.

Para la emulación del comportamiento de la construcción monolítica con concreto reforzado, se proporcionan dos alternativas (figura 8): sistemas estructurales con conexiones "húmedas" y aquellas que tienen conexiones "fuertes". Los sistemas estructurales prefabricados con conexiones húmedas deben cumplir todos los requisitos aplicables a la construcción monolítica con concreto reforzado resistente a fuerzas sísmicas. Una conexión "fuerte" es una conexión que permanece elástica mientras porciones designadas de elementos estructurales (articulaciones plásticas) sufren deformaciones inelásticas (asociadas con el daño) bajo el movimiento del suelo con base en el diseño. Se dan requisitos prescriptos para sistemas de marcos prefabricados con conexiones resistentes. No se incluyen tales requisitos para sistemas de muros prefabricados con conexiones resistentes.

Las disposiciones del NEHRP 1994 también consideran la emulación de la construcción monolítica usando conexiones dúctiles, que cubren tanto los sistemas de marcos como los de muros, en donde las conexiones tienen características adecuadas de respuesta no lineal y no es necesario asegurar articulaciones plásticas muy alejadas de las conexiones. Generalmente, se requiere verificación experimental para asegurar que una conexión tenga las características de respuesta no lineal necesarias. Se exige al diseñador considerar las probables deformaciones de cualquier estructura prefabricada propuesta, comparándolas con aquellas de la misma estructura en concreto reforzado monolítico, antes de declarar que el molde prefabricado emula la construcción monolítica. El UBC de 1997 no trata directamente las conexiones dúctiles.

NEHRP 1997 e IBC 2000.

Las disposiciones del UBC de 1997 concernientes al diseño de estructuras de concreto prefabricado en regiones de alta sismicidad fueron adoptadas en la edición de 1997 de las Disposiciones del NEHRP. La primera edición del Reglamento Internacional de Construcción, que se espera que reemplace a los reglamentos modelo existentes como base de los reglamentos de construcción de la mayoría de las jurisdicciones legales, tiene sus disposiciones de diseño sísmico basadas en las Disposiciones del NEHRP. Están incluidas las disposiciones de diseño para estructuras de concreto prefabricado expuestas a altos riesgos sísmicos.

NEHRP 2000.

El Subcomité de Concreto del Comité de Actualización de las Disposiciones de la BSSC 2000 ha expandido en forma importante las disposiciones de diseño para estructuras prefabricadas expuestas a riesgos sísmicos significativos (figura 9). Es evidente que se han considerado virtualmente todas las opciones viables de la construcción con concreto prefabricado

Conceptos clave

Estructuras de concreto prefabricado.

Una estructura con elementos estructurales de concreto presforzado o reforzado colados en lugares distintos a los de su posición final dentro de la estructura.

Masa.

Peso dividido entre g, la aceleración debida a la gravedad, que tiene un valor de 32.2 pies/segundo/segundo o 386.4 pulgadas/segundo/segundo.

En el plano, fuera del plano.

Imagine que usted se encuentra frente a un muro que está fijo en la base y libre en la parte superior. Una fuerza en el plano (lateral) desviaría el muro de izquierda a derecha o de derecha a izquierda. Una carga fuera del plano (transversal) desviaría el muro desde el frente hacia atrás o desde atrás hacia el frente. Cuando se trata de una losa, las cargas gravitacionales son cargas fuera del plano. Las cargas que actúan a los niveles de piso de un edificio, debido al viento o a sismos, y que deforman las losas en sus propios planos, son cargas laterales en el plano.

Desplazamiento, velocidad y aceleración del suelo.

El suelo se mueve en un sismo. Si usted marca un punto en el suelo antes de que empiece el sismo (tiempo cero), y encuentra el punto a una distancia u alejada en el tiempo medido desde el comienzo del sismo, u sería el desplazamiento del suelo al tiempo t. U variará típicamente con t, cambiando de dirección así como también de magnitud (haciéndose más grande o más pequeño). La velocidad v es la medida de la rapidez con que cambia u; es la primera diferencial de u con respecto a t. Para saber cuán rápido cambia la velocidad, se recurre a la medición de la aceleración, que es la primera diferencial de b con respecto a t o la segunda diferencial de u con respecto a t. Los valores máximos de u, v y a durante un sismo se conocen como el desplazamiento pico del suelo, la velocidad pico del suelo y la aceleración pico del suelo, respectivamente.

Desplazamiento, velocidad, aceleración de respuesta.

Puesto que el cimiento de una estructura sufre movimiento en un sismo, las masas que están altamente concentradas en los niveles del piso y del techo sufren desplazamientos, velocidades y aceleraciones que son comúnmente más grandes que las del suelo. Éstos son los desplazamientos, velocidades y aceleraciones de respuesta. También son variables con respecto al tiempo.

Fuerza inercial.

La masa en un nivel de piso particular multiplicada por la aceleración de respuesta del sismo es la fuerza inercial en ese nivel.

Acción del diafragma.

La losa que se está flexionando en su propio plano en la dirección de las fuerzas laterales está transfiriendo esas fuerzas a los muros de cortante a la izquierda y a la derecha. Esta es la acción del diafragma (f. 1)

Cuerda.

Las porciones superior e inferior de la losa de la f. 1 a lo largo de los bordes deben estar reforzadas para resistir las fuerzas de tensión y compresión causadas por la flexión en el plano de una losa sometida a las fuerzas laterales. Estas porciones especialmente reforzadas son las cuerdas. Puesto que la dirección de un sismo es reversible, cada cuerda debe resistir tensión, lo que determinaría la cantidad de refuerzo necesario.

Sistema de marcos.

Un sistema estructural en el cual los marcos de viga-columna o los marcos losa-columna resisten la gravedad, así como también las cargas laterales.

Sistema de paneles grandes.

Un sistema estructural en el cual los grandes paneles de concreto que actúan como muros de cortante resisten la carga de gravedad, así como también las cargas laterales.

Sistema modular o en cajón.

Un sistema estructural en el cual los muros de las unidades en cajón prefabricadas y del tamaño de una pieza resisten las cargas de gravedad, así como también las cargas laterales.

Conclusión

Mucho se ha logrado en el terreno de los reglamentos de construcción para permitir el diseño satisfactorio de estructuras de concreto prefabricado expuestas a alto riesgo sísmico. Las disposiciones del NEHRP 2000 representan la culminación de los esfuerzos que se han venido haciendo desde finales de la década de los ochenta.
Los sismos recientes han proporcionado nueva información relativa al comportamiento de estructuras de concreto prefabricado, y las lecciones aprendidas se han codificado. Con el Reglamento Internacional de Construcción 2000, los edificios de concreto prefabricado pueden diseñarse con el detallado y las características sísmicas necesarias para asegurar un comportamiento adecuado. Queda por verse si esto conducirá a que se especifiquen más edificios prefabricados en regiones sísmicamente activas del país.

Ahora están por formarse los subcomités técnicos para las disposiciones del NEHRP 2003. Si usted está interesado, considere que es posible participar en el proceso contactando al Consejo de Construcción con Seguridad Sísmica (BSSC = Building Seismic Safety Council ), que es parte del Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción (NIBS = National Institute of Building Sciences ) en Washington D.C.