Diseño Sísmico de Edificios en Chile: Requisitos NCh 433 y Prácticas Clave
Diseño Estructural de Edificios Sismorresistentes según NCh 433
Objetivos de una Edificación Sismorresistente
- Evitar pérdidas de vidas humanas ante cualquier evento sísmico de importancia.
- Evitar daños en la estructura y en los componentes de una construcción durante sismos de gran intensidad.
- Evitar que se origine un colapso total o parcial en las construcciones que puedan poner en peligro la seguridad de las personas durante sismos muy fuertes y de ocurrencia extraordinaria.
La prioridad de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcción (OGUC) está en evitar pérdidas de vidas humanas.
Criterio de Diseño Sismorresistente
- Definición del Sismo de Diseño
- Estructuración adecuada
- Cálculo de la Respuesta Estructural
- Dimensionamiento y Detallado Estructural
1. Definición del Sismo de Diseño
El cálculo del diseño estructural de los edificios se debe efectuar considerando las fuerzas horizontales generadas por un sismo de una intensidad predeterminada en cada uno de los niveles de una construcción.
2. Estructuración Adecuada
Características de la construcción:
- Simetría
- Sencillez
- Resistencia y rigidez en ambas direcciones (tanto vertical como horizontal)
- Regularidad tanto en la planta como en las elevaciones del edificio
3. Cálculo de la Respuesta Estructural
Se consideran deformaciones como:
- Deformación de flexión
- Deformación de corte
- Deformación por combinación de flexión y corte
Criterio de Diseño Sismorresistente Moderno: Control de Desplazamientos
Los nuevos códigos y reglamentos de Diseño Estructural están basados en el “CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS”:
- México: RCDF / CFE
- Estados Unidos: ACI / ASTM / AASHTO
- Comunidad Europea: EUROCODE
- Japón: AIJ
Norma Chilena NCh 433: Diseño Sísmico de Edificios (Modificada 2009)
Norma Sísmica Chilena NCh 433, modificada en 2009.
Esta norma ha sido aprobada por el Consejo del Instituto Nacional de Normalización, en sesión efectuada el 26 de junio de 1996. Ha sido declarada Oficial de la República de Chile por Decreto N°172, de fecha 05 de diciembre de 1996, del Ministerio de Vivienda y Urbanismo, publicado en el Diario Oficial del 23 de diciembre de 1996.
Terminología Clave según NCh 433
- Diafragma:
- Elemento estructural al nivel de un piso, que distribuye fuerzas horizontales a los elementos verticales resistentes.
- Elemento secundario:
- Elemento permanente que no forma parte de la estructura resistente pero que es afectado por sus movimientos y eventualmente interactúa con ella, tales como tabiques divisorios y elementos de fachada no intencionalmente estructurales, ventanales, cielos falsos, antepechos, antetechos, estanterías, elementos decorativos, luminarias, equipos mecánicos y eléctricos, etc.
- Elemento secundario flexible:
- Elemento secundario cuyo período fundamental propio Tp‘ es mayor que 0,06 s, incluyendo el efecto del sistema de conexión a la estructura resistente del edificio.
- Elemento secundario rígido:
- Elemento secundario que no satisface la definición del secundario flexible.
- Equipo mecánico o eléctrico:
- Cualquier equipo que se encuentre anclado a la estructura resistente del edificio o que interactúe en cualquier forma con ella; por ejemplo, estanques para gases y líquidos, sistemas de almacenamiento, cañerías, ductos, ascensores, montacargas y maquinaria fija de empleo habitual en edificios habitacionales o de uso público.
- Esfuerzo de corte basal:
- Esfuerzo de corte producido por la acción sísmica en el nivel basal del edificio.
- Estructura resistente:
- La estructura resistente de un edificio comprende el conjunto de elementos que se han considerado en el cálculo como colaborantes para mantener la estabilidad de la obra frente a todas las solicitaciones a que puede quedar expuesta durante su vida útil.
- Grado de daños sísmicos:
- Es el que se determina en los elementos estructurales de un edificio después que éste ha sufrido los efectos de un evento sísmico.
- Nivel basal:
- Plano horizontal en el cual se supone que se ha completado la transferencia de las fuerzas horizontales entre la estructura y el suelo de fundación. A partir de este nivel se mide la altura y el número de pisos del edificio. Para su determinación se debe tener en cuenta lo dispuesto en 7.2 (fundación superficial).
Alcance de la Norma NCh 433
Esta norma establece requisitos exigibles para el diseño sísmico de edificios. También se refiere a las exigencias sísmicas que deben cumplir los equipos y otros elementos secundarios de edificios. Incluye recomendaciones sobre la evaluación del daño sísmico y su reparación.
No aplica a:
- Otras obras civiles tales como puentes, presas, túneles, acueductos, muelles, canales.
- Edificios industriales ni a instalaciones industriales. (El diseño de estas obras se debe regir por la norma chilena correspondiente).
Esta norma es aplicable sólo a materiales o sistemas que tengan una norma técnica de diseño sísmico o que, en su defecto, se pueda demostrar mediante ensayos cíclicos no lineales que tienen resistencia y ductilidad equivalente a los requerimientos de esta norma para materiales sísmicos convencionales.
El diseño antisísmico de uso obligatorio en Chile está basado en la Norma NCh 433 of 96 – Diseño Sísmico de Edificios, y se aplica en conjunto con las normas de diseño específicas para cada material en particular. Dicha norma regula el diseño, establece requisitos mínimos y plantea como hipótesis y principios básicos que las estructuras logren lo siguiente:
- Resistir sin daños movimientos sísmicos de intensidad moderada.
- Limitar los daños en elementos no estructurales durante sismos de mediana intensidad.
- Aunque presenten daños, evitar el colapso durante sismos de intensidad excepcionalmente severa.
Normas de Referencia
- NCh427 Construcción – Especificaciones para el cálculo, fabricación y construcción de estructuras de acero.
- NCh430 Hormigón armado – Requisitos de diseño y cálculo.
- NCh431 Construcción – Sobrecargas de nieve.
- NCh432 Cálculo de la acción del viento sobre las construcciones.
- NCh1198 Madera – Construcciones en madera – Cálculo.
- NCh1537 Diseño estructural – Cargas permanentes y sobrecargas de uso.
- NCh1928 Albañilería armada – Requisitos para el diseño y cálculo.
- NCh2123 Albañilería confinada – Requisitos de diseño y cálculo.
- NCh3171 Diseño estructural – Disposiciones generales y combinaciones de cargas.
*Nota: Los códigos de diseño en ediciones anteriores estaban basados en el cálculo de resistencias.
Clasificación de Edificaciones (NCh 433 Of 96 – Antigua)
(Esta clasificación corresponde a la versión de 1996, previa a la modificación de 2009 y puede presentar inconsistencias respecto al texto original)
- GRUPO A: Hospitales, Museos, Torres de Telecomunicaciones, Cuarteles de Bomberos, Estadios, Escuelas, entre otras.
- GRUPO B: Vivienda, Oficinas, Locales comerciales, Hoteles, entre otras.
- Grupo B1: edificios con H > 30 m
- Grupo B2: edificios con H < 30 m
- GRUPO C: Edificios destinados a la habitación privada (?) (Nota: Texto original confuso/incompleto)
- GRUPO D: Habitaciones (?) (Nota: Texto original confuso/incompleto)
Clasificación de Ocupación de Edificios (NCh 433 – Modificaciones 2009)
CATEGORÍA I
Edificios y otras estructuras aisladas o provisionales no destinadas a habitación, no clasificables en las Categorías de Ocupación II, III y IV que representan un bajo riesgo para la vida humana en el caso de falla. Incluye, pero no exclusivamente: Instalaciones agrícolas, ciertas instalaciones provisorias, instalaciones menores de almacenaje.
CATEGORÍA II
Todos los edificios y otras estructuras destinados a la habitación privada o al uso público que no pertenecen a las Categorías de Ocupación I, III y IV, y edificios u otras estructuras cuya falla puede poner en peligro otras construcciones de las Categorías de Ocupación I, III y IV.
Edificios y otras estructuras que contengan sustancias peligrosas deben ser clasificadas como estructuras de la Categoría de Ocupación II si se demuestra satisfactoriamente ante la Autoridad Competente mediante una estimación del riesgo, según NCh3171, que la liberación de la sustancia peligrosa no presenta una amenaza para el público.
CATEGORÍA III
Edificios y otras estructuras cuyo contenido es de gran valor (Bibliotecas, Museos) o donde existe frecuentemente aglomeración de personas. Incluye, pero no exclusivamente:
- Salas destinadas a asambleas para 100 o más personas.
- Estadios y graderías al aire libre para 2,000 o más personas.
- Escuelas, parvularios y recintos universitarios.
- Cárceles y lugares de detención.
- Locales comerciales con una superficie ≥ 500 m² por piso, o de altura > 12 m.
- Centros comerciales con pasillos cubiertos, con un área total > 3,000 m² (sin considerar estacionamientos).
Edificios y otras estructuras no incluidas en la Categoría de Ocupación IV que contienen cantidades suficientes de sustancias peligrosas para el público en caso de liberación (incluyendo instalaciones que manufacturan, procesan, manipulan, almacenan, usan o desechan sustancias como combustibles peligrosos, productos químicos peligrosos, residuos peligrosos o explosivos).
Edificios y otras estructuras que contengan sustancias peligrosas deben ser clasificadas como estructuras de la Categoría de Ocupación II si se demuestra satisfactoriamente ante la Autoridad Competente mediante una estimación del riesgo, según NCh3171, que la liberación de la sustancia peligrosa no presenta una amenaza para el público.
CATEGORÍA IV
Edificios y otras estructuras clasificadas como instalaciones esenciales o de utilidad pública, cuyo uso es de especial importancia en caso de catástrofe. Incluye, pero no exclusivamente:
- Edificios gubernamentales, municipales, de servicios públicos (cuarteles de policía, centrales eléctricas y telefónicas, correos y telégrafos, radioemisoras, canales de televisión, plantas de agua potable y de bombeo).
- Instalaciones esenciales (hospitales, postas de primeros auxilios, cuarteles de bomberos, garajes para vehículos de emergencia, estaciones terminales, refugios de emergencia).
- Estructuras auxiliares requeridas para la operación de estructuras con Categoría IV durante una emergencia (torres de comunicación, estanques de almacenamiento de combustible, subestaciones eléctricas, soporte de estanques de agua, etc.).
- Torres de control de aviación, centros de control de tráfico aéreo, hangares para aviones de emergencia.
- Edificios y otras estructuras con funciones críticas para la defensa nacional.
Edificios y otras estructuras que contienen sustancias peligrosas en cantidades superiores a las establecidas por la Autoridad Competente (incluyendo instalaciones que manufacturan, procesan, manipulan, almacenan, usan o desechan sustancias como combustibles peligrosos, productos químicos peligrosos, residuos peligrosos o explosivos).
Edificios y otras estructuras que contengan sustancias peligrosas deben ser clasificadas como estructuras de la Categoría de Ocupación II si se puede demostrar satisfactoriamente a la Autoridad Competente mediante una estimación de riesgo, como se describe en NCh3171, que una fuga de estas sustancias no representa una amenaza para el público. No se permite esta clasificación reducida si los edificios u otras estructuras también funcionan como instalaciones esenciales o de utilidad pública.
Tabla 6.1 – Valor del Coeficiente de Importancia (I)
- Categoría I: I = 0.6
- Categoría II: I = 1.0
- Categoría III: I = 1.2
- Categoría IV: I = 1.2
Zonificación Sísmica en Chile (NCh 433 Of. 96)
En esta Norma, el territorio nacional está dividido en tres zonas según su grado de sismicidad:
- Zona 3: La de más alta sismicidad (generalmente asociada al litoral del país).
- Zona 2: Sismicidad intermedia.
- Zona 1: La de menor sismicidad (correspondiente a la franja cordillerana).
Existe una división específica por comunas para las regiones IV, V, VI, VII, VIII, IX y Metropolitana. En esta zonificación, por ejemplo, la comuna de Temuco se encuentra en la Zona 2.
Tabla 6.2 – Valor de la Aceleración Efectiva (Ao)
- Zona sísmica 1: Ao = 0.20 g
- Zona sísmica 2: Ao = 0.30 g
- Zona sísmica 3: Ao = 0.40 g
Instrumentos Sísmicos
Al proyectar una obra, la Autoridad Competente puede exigir que en el proyecto se contemple la inclusión de por lo menos dos recintos adecuados para la instalación de acelerógrafos de movimiento fuerte.
Tipos de Suelos de Fundación y su Efecto
Efecto del suelo de fundación y de la topografía en las características del movimiento sísmico.
Definición de Tipos de Suelo
- TIPO SUELO I: Roca.
- TIPO SUELO II: Grava densa, arena densa, suelo cohesivo duro.
- TIPO SUELO III: Arena permanentemente no saturada, grava o arena no saturada, arena saturada.
- TIPO SUELO IV: Suelo cohesivo saturado.
Suelos excluidos de la Tabla 4.3 (requieren estudio especial):
- a) Suelos potencialmente licuables: arenas, arenas limosas o limos, saturados, con Índice de Penetración Estándar N < 20 (normalizado a 0,10 MPa).
- b) Suelos susceptibles de densificación por vibración.
Combinación de Solicitaciones Sísmicas
La combinación de las solicitaciones sísmicas con las cargas permanentes y sobrecargas de uso se deben hacer usando las reglas de superposición indicadas en NCh3171.
Sistemas Estructurales
La transmisión de las fuerzas desde su punto de aplicación a los elementos resistentes y al suelo de fundación se debe hacer en la forma más directa posible a través de elementos dotados de la resistencia y la rigidez adecuadas. Se distinguen los siguientes tipos:
- Sistemas de muros y otros sistemas arriostrados: Las acciones gravitacionales y sísmicas son resistidas por muros, o bien, por pórticos arriostrados que resisten las acciones sísmicas mediante elementos que trabajan principalmente por esfuerzo axial.
- Sistemas de pórticos: Las acciones gravitacionales y las sísmicas en ambas direcciones de análisis son resistidas por pórticos.
- Sistemas mixtos: Las cargas gravitacionales y sísmicas son resistidas por una combinación de los sistemas anteriores.
Modelos Estructurales para Análisis
5.5.1 Cálculo de Masas
Para el cálculo de las masas se deben considerar las cargas permanentes más un porcentaje de la sobrecarga de uso, que no puede ser inferior a:
- 25% en construcciones destinadas a la habitación privada o al uso público donde no es usual la aglomeración de personas o cosas.
- 50% en construcciones en que es usual esa aglomeración.
5.5.2 Diafragmas de Piso
- 5.5.2.1 Rigidez y Resistencia: Se debe verificar que los diafragmas tienen la rigidez y la resistencia suficiente para lograr la distribución de las fuerzas inerciales entre los planos o subestructuras verticales resistentes. Si existen dudas sobre la rigidez del diafragma, se debe tomar en cuenta su flexibilidad agregando los grados de libertad necesarios o introduciendo separaciones estructurales.
- 5.5.2.2 Plantas Irregulares: Los edificios de planta irregular (en H, L, T, U, etc.) sólo se pueden proyectar como una sola estructura cuando los diafragmas se calculen y construyan de modo que la obra se comporte durante los sismos como un solo conjunto (considerando 5.5.2.1). En caso contrario, cada cuerpo se debe proyectar como una estructura separada (respetando 5.10).
- 5.5.2.3 Conexiones en Plantas Irregulares: Si el edificio de planta irregular se proyecta como una sola estructura, se debe poner especial cuidado en el diseño de las conexiones entre las distintas partes que forman la planta.
- 5.5.2.4 Discontinuidad de Rigideces: En los niveles donde haya discontinuidad de rigideces en los planos resistentes u otras subestructuras verticales, se debe verificar que el diafragma sea capaz de redistribuir las fuerzas.
5.5.3 Compatibilidad de Deformaciones Horizontales
- 5.5.3.1 Compatibilidad: En los edificios con diafragmas horizontales, los métodos de análisis deben satisfacer las condiciones de compatibilidad de los desplazamientos horizontales de las subestructuras verticales y de los diafragmas horizontales. Estas condiciones se deben cumplir en todos los niveles en que existan diafragmas.
- 5.5.3.2 Pisos sin Diafragma Rígido: En los pisos sin diafragma rígido, los elementos resistentes se deben calcular con las fuerzas horizontales que inciden directamente sobre ellos.
Características del “Edificio Chileno” Típico
El llamado “edificio chileno” utiliza fundamentalmente un sistema de muros de rigidez con una alta densidad de muros (área de muros en una dirección / área de la planta) con valores entre 0,015 a 0,035 (Sharon L. Wood, 1991), a diferencia de otros países como Estados Unidos, que siendo también un país sísmico, utiliza un sistema de marcos rígidos con densidad de muros menor que 0,005.
Esta diferencia se explica principalmente porque en Chile, al destinarse estos edificios al uso habitacional, se exigió la existencia de muros divisorios entre departamentos (Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones), mientras que en Estados Unidos estos edificios se destinan principalmente a oficinas, por lo que se utilizan marcos de nudos rígidos para obtener plantas libres.
La norma chilena de diseño sísmico de edificios ha considerado un corte basal mínimo en el diseño, lo que ha significado aumentar la rigidez de la estructura. La versión anterior a 1986 controlaba la torsión en planta de una forma que contribuyó al uso de mejores distribuciones de los muros en planta.
Producto de lo anterior, nuestros edificios se caracterizan por tener casi sin excepción muros estructurales, muchas veces en gran densidad.
Comportamiento Histórico
Varios edificios de hormigón armado de alrededor de 15 pisos, construidos entre los años 40-60, resistieron en excelente forma el sismo destructivo de marzo de 1985.
Los edificios de la época poseían características útiles:
- Estructuración simétrica, tratando de reducir la torsión en planta.
- Disposición de elementos resistentes continuos desde la base, con espesores y armaduras decrecientes según la altura.
Con el tiempo se adoptó un coeficiente uniforme de 0.12 (aumentado en 10% para casetas de ascensores o estanques de agua) para considerar el efecto de látigo. Las teorías modernas y la experiencia demuestran que ese coeficiente es demasiado bajo, explicando daños en estanques sobre techos observados en terremotos chilenos.
Métodos de Análisis Sísmico según NCh 433
5.6 Limitaciones para el Uso de los Métodos
En cláusula 6 se establecen dos métodos de análisis:
- Método de análisis estático
- Método de análisis modal espectral
El método de análisis estático puede ser usado si se satisfacen las limitaciones indicadas en 6.2.1 (limitado para estructuras de no más de 20 pisos).
Las limitaciones para el uso del método de análisis modal espectral se especifican en 6.3.1 (método más común en altura).
Espectros de Diseño
La norma NCh 433.Of96 establece los dos métodos mencionados: análisis estático y análisis modal espectral.
Límite de Deformación
La NCh433 of.96 establece como máximo un 0.002 de deformaciones relativas por la altura del piso (drift).
Disposiciones Clave de la Norma
La norma entrega una serie de disposiciones, destacando:
- Disposiciones de aplicación general
- Disposiciones generales sobre diseño y métodos de análisis
- Métodos de análisis
- Diseño y construcción de fundaciones
- Elementos secundarios
Parámetro H/T (Altura/Período) para Edificios de Hormigón Armado
De acuerdo con el valor del parámetro H/T (Altura Edificio / Período del primer modo traslacional), los edificios de hormigón armado se califican según su rigidez (Guendelman et al., 1997):
- H/T < 20 m/s: Demasiado flexible
- 20 m/s < H/T < 40 m/s: Flexible
- 40 m/s < H/T < 70 m/s: Normal
- 70 m/s < H/T < 150 m/s: Rígido
- 150 m/s < H/T: Demasiado rígido
Donde:
- H: Altura total del edificio [m]
- T: Período del primer modo traslacional [s]
Revisión de Proyectos de Cálculo Estructural (Ley Nº 19.748)
La Ley Nº 19.748 dispone:
Los propietarios que soliciten un permiso de construcción para edificios de uso público y edificaciones que determine la Ordenanza General deberán contratar la revisión del proyecto de cálculo estructural respectivo por parte de un tercero independiente del profesional u oficina que lo haya realizado y que cuente con inscripción en un registro que para estos efectos mantendrá el Ministerio de la Vivienda y Urbanismo.
El impacto más relevante de esta ley es la incorporación de revisores estructurales independientes, eliminando el riesgo de dejar el diseño únicamente en manos de los calculistas sin control externo y asegurando el cumplimiento de normativas y buenas prácticas.
Vigencia y Aplicación
La Ley Nº 19.748 entró en vigencia el 9 de julio de 2003. Desde esa fecha, las edificaciones que deben presentar informe favorable de Revisión del Proyecto de Cálculo Estructural son:
- Edificios de uso público (destino equipamiento, carga ocupación > 100 personas).
- Conjuntos de vivienda contratados por los Servicios de Vivienda y Urbanización (SERVIU).
- Edificios que deben mantenerse operativos en emergencias (hospitales, bomberos, policía, centros de control de servicios, telecomunicaciones).
- Edificios cuyo cálculo estructural se base en normas extranjeras (declaradas al solicitar permiso).
- Conjuntos de viviendas sociales de 3 o más pisos.
- Conjuntos de viviendas no sociales de 3 o más pisos.
- Edificios de 3 o más pisos de uso exclusivo de oficinas.
Consideraciones del Código ACI 318-05 (Hormigón Estructural)
Aunque la NCh 433 es la norma sísmica principal, normativas como ACI 318 (referenciada por NCh 430) son cruciales para el diseño de hormigón armado.
Requisitos Generales ACI 318-05
- Especificaciones
- Inspección
- Materiales
- Durabilidad
- Dimensionamiento (cálculos)
- Integridad estructural (reglas)
- Integridad global (de la estructura)
- Integridad local (de los elementos)
El dimensionamiento corresponde generalmente a ecuaciones analíticas para establecer dimensiones de piezas de hormigón y cantidad de armadura.
La mayoría de las disposiciones del código son reglas de diseño para asegurar que los elementos estructurales no se desintegren al alcanzar su capacidad máxima.
El concepto de integridad estructural en ACI 318 se enfoca en amarrar o conectar elementos estructurales entre sí para evitar desplomes parciales o totales cuando la estructura alcanza su agotamiento (integridad estructural global).
Detalles de la Revisión del Proyecto de Cálculo Estructural (Decreto Nº115 MINVU)
Antecedentes Mínimos para la Revisión
- Planos completos del proyecto de cálculo estructural
- Especificaciones técnicas
- Planos de arquitectura
- Memoria de cálculo
- Estudio de características del suelo de fundación y proyecto de socalzado
Labores Mínimas del Revisor
- Estructuración general y bases de cálculo:
- Sistema estructural y su comportamiento (estático y sísmico)
- Interacción suelo-estructura
- Parámetros básicos usados en el cálculo
- Resultados del cálculo:
- Revisión de modelos estructurales (sísmicos y estáticos)
- Resultados de los análisis
- Revisión final del diseño:
- Cumplimiento de normas vigentes y complementarias
- Revisión selectiva del diseño estructural de elementos o zonas críticas
- Verificación del contenido de los planos y concordancia con el análisis
- Recepción de planos para construcción y de socalzado (cuando corresponda)
Recomendaciones Adicionales (“Más Allá de la Norma”)
Se sugiere considerar:
- Experiencia acumulada en Chile:
- Densidad de muros entre 3% y 6% de la superficie de la planta.
- Resistencia lateral compartida por 3 o más ejes en cada dirección.
- Valores de H/T entre 40 y 70 m/s (rango medio de edificios chilenos).
- Evitar valores de H/T inferiores a 30 m/s o superiores a 150 m/s.
- Precauciones especiales en edificios bajos de alta rigidez.
- Estudiar y definir las direcciones del análisis sísmico.
- Emplear un modelo simplificado para certificar órdenes de magnitud.
- Verificar el equilibrio en la posición deformada (efectos P-Delta).
- Comprobar concordancia entre esfuerzos y disposición de armaduras.
- Verificar diseño de losas para transferencia de cargas horizontales (especial atención a losa de cielo de primer subterráneo).
- Estimar deformaciones de largo plazo y definir contraflechas.
- Determinar mecanismo de falla potencial, o al menos, el detonante inicial.
- Revisar tratamiento de ejes no conectados en todos los pisos (muros de subterráneo, ejes que desaparecen por rasantes, pisos de doble altura, edificios de losas desplazadas).
Referencia a NCh 430 Of 2008 (Hormigón Armado)
Aspectos relevantes de NCh 430 Of 2008 – Hormigón armado – Requisitos de Diseño y Cálculo:
- a) Diseño de confinamiento de cabezales de muros y elementos verticales.
- b) Restricción de carga axial.
- c) Restricción de deformaciones.