Avances en la normativa de diseño estructural ACI 318 - 19: Requisitos del código de construcción para el concreto estructural

Ingeniero José Miguel Izquierdo Encarnación. Principal, Porticus CSP.

Fotos: Cortesía Porticus CSP

Desde 1978 he estudiado el Código ACI 318. Viniendo de Puerto Rico, donde la gran mayoría de la construcción se lleva a acabo en concreto, este documento se convirtió en un acompañante inseparable en mi vida profesional. La versión publicada en el 2019, disponible en varios idiomas, incluye el español. Contiene colores en las secciones, tablas y figuras haciendo su uso más ágil.

Con sumo entusiasmo opino que esta es la mejor versión del ACI 318 que he utilizado. Dirigió los esfuerzos en este ciclo el Dr. Jack Moehle, profesor e ingeniero de fama mundial de la Universidad de California en Berkeley. El ha escrito varios artículos sobre el ACI 318 - 19, los que usé de referencia.

El Código proporciona requisitos mínimos para los materiales, el diseño y el detalle de los edificios de concreto estructural y también, en su caso, elementos no estructurales. El documento aborda los sistemas estructurales, los miembros y las conexiones, incluyendo la construcción fundida en sitio, prefabricados, concreto lanzado, pretensado y compuesto. Para lograrlo se discute el diseño y construcción, durabilidad, combinaciones de carga, factores de carga y factores de reducción de resistencia, métodos de análisis estructural, anclajes mecánicos, longitudes de desarrollo y empalme para el refuerzo y otros.

Esta edición de ACI 318 es la primera que se publica desde que se reorganizó el formato en 2014. Incluye disposiciones de código nuevas y actualizadas, así como ilustraciones en color y enlaces interactivos en su versión en línea.

Repasaremos los tres cambios más significativos del Código: Longitudes de desarrollo y empalme, las fórmulas de cortante y en especial el diseño sismo resistente. El producto esbozado en estas áreas está basado en multiplicidad de investigaciones y redunda en mejores diseños y por ende mejores edificios para nuestros países.

Uno de los aspectos más significativos de la actualización del ACI 318 – 19 es el diseño sismo resistente.

El ACI 318 - 19 incluye nuevos requisitos para las propiedades de estos aceros de mayor resistencia.

Materiales

Los códigos de Estados Unidos limitan la resistencia de las armaduras con base en investigaciones de hace décadas y la suposición de que la mayoría de refuerzo utilizado en la construcción de concreto en los Estados Unidos es de grado 60. Los progresos en la metalurgia, sin embargo, han dado lugar a la producción de armaduras que son casi el doble de resistentes que las disponibles anteriormente. Esta armadura más fuerte puede transferir tensiones mucho más altas; sin embargo, también puede carecer de propiedades de referencia de aceros más débiles, como el endurecimiento de la tensión mínima y el alargamiento. Reconociendo estos hechos, ACI 318 - 19 incluye nuevos requisitos para las propiedades de estos aceros de mayor resistencia. Esto incluye innumerables cambios relacionados con los factores de reducción de fuerza, refuerzo mínimo, rigidez efectiva y requisitos para el desarrollo y longitudes de empalme de armaduras rectas de alta resistencia, así como ganchos y barras de cabeza. Se espera que estas actualizaciones apoyen la adopción de barras de alta resistencia, lo que, a su vez, reducirá la congestión en los miembros fuertemente reforzados (fundamental en los edificios altos), mejorará la colocación del concreto y ahorrará tiempo y mano de obra.

El ACI 318 - 19 eleva los límites de la resistencia especificada del refuerzo en los sistemas de muros cortantes y pórticos especiales resistentes a momento. El nuevo estándar permite el refuerzo de grado 80 para algunos sistemas sísmicos especiales y ya no permite la utilización de acero grado 40 en aplicaciones sísmicas. Los muros cortantes pueden emplear armaduras en los grados 60, 80 o 100. Los pórticos especiales resistentes a momentos pueden utilizar ahora grados 60 u 80. En relación con los aros y estribos, se modifica su espaciamiento para proveer un espaciado más ajustado y así evitar que las barras verticales se pandeen.

El concreto lanzado no había sido discutido explícitamente en versiones anteriores del ACI 318, pero ahora se incluye específicamente en el ACI 318 - 19. Con esta incorporación, se estandariza con otros reglamentos en USA, lo que permite la unificación tanto en el proceso de diseño como en los requisitos de construcción. Diseño sísmico

Se incluyen nuevas métricas para el comportamiento de los edificios, especialmente para el diseño basado en el desempeño. Los requisitos basados en el desempeño establecen objetivos medibles, pero permiten la libertad en el diseño y la construcción para lograr dichos objetivos. Este se realiza comúnmente mediante análisis dinámicos no lineales. Para esto se incluye un nuevo Apéndice A que establece los parámetros para la verificación del diseño de estructuras de concretos resistentes a terremotos utilizando el análisis de tiempo-historia de respuesta no lineal. Muy importante es que el Apéndice A también está escrito para ser compatible e integrado con dos publicaciones importantísimas para el diseño sísmico en USA y que influencian en muchos países. La primera es el ASCE/SEI 7 Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras (código principal de cargas utilizado en USA). La segunda, desarrollada en el oeste de USA, Directrices para el Diseño Sísmico de Edificios Altos basados en desempeño (documento publicado por Pacific Earthquake Engineering Research y sus asociados). Esto convierte al ACI 318-19 en un recurso clave para el diseño de edificaciones de concreto y para el análisis dinámico no lineal, en lo que se refiere a edificios altos de concreto.

Para el diseño sísmico de los muros estructurales, el ACI 318 - 19 introduce nuevos requisitos de diseño. Estos surgen principalmente del análisis de los daños del terremoto de Chile de 2010, probados en laboratorios. Por ejemplo, anteriormente se permitía el uso de ganchos con uno de los extremos a 90 grados. Ahora todos los ganchos deben tener sus dos extremos dobla-

Ahora todos los ganchos deben tener sus dos extremos doblados a 135 grados.

dos a 135 grados. Las nuevas disposiciones también restringen las ubicaciones de los empalmes cerca de las zonas de rótulas plásticas previstas. Otra nueva disposición sobre el diseño requiere una comprobación de que los detalles son adecuados para las demandas calculadas por desplazamiento por terremotos. Tal vez lo que más impacta el diseño es la amplificación de los cortantes de diseño de muros basado en los sobre esfuerzos de la flexión del muro y los efectos de modos más altos de respuesta dinámica. También se incluye un nuevo detalle para el refuerzo de las vigas de acoplamiento que simplifica su construcción. Los refuerzos longitudinales en forma de X permanecen, pero el refuerzo cortante se aplica a la viga de acoplamiento creando una cuadrícula de refuerzos de cortante.

ACI 318 - 19 también adopta el procedimiento de diseño para diafragmas prefabricados de concreto del ACI 550.5 (Requisitos de código para el diseño de diafragmas de concreto prefabricado para movimientos sísmicos). Debemos entender que, aunque el ACI 550.5 es un documento del ACI, a menos que sea adoptado por el ACI 318, no se convierte en un requisito mandatorio del Código. El método de diseño de ACI 550.5 ofrece a los diseñadores opciones de conexión para seleccionar la meta de desempeño de un diafragma prefabricado de concreto cuando está sujeto a fuerzas sísmicas. ACI 550.5 requiere que las conexiones estén calificadas de acuerdo con ACI 550.4, (Calificación de Conexiones de Diafragma de Concreto Prefabricado y Refuerzo en Juntas para Carga de Sísmicas).

Se aclara la aplicación y el efecto del componente vertical del suelo sobre la carga sísmica. También hubo numerosas aclaraciones y adiciones a los requisitos para el espaciado de los aros en las columnas para pórticos especiales para momentos. Esto incluye aclaraciones del espaciado de aros para las columnas que no se consideran parte del sistema de resistencia al terremoto pero que deben tener la capacidad de deformarse. También se redujeron los requisitos del espaciado de los aros de los pórticos intermedios resistentes a momento.

Requisitos de cortante en losas y vigas profundas

El ACI 318 - 19 atiende las preocupaciones en la industria sobre cortante en el diseño de losas gruesas o vigas profundas. Las secciones sobre cortante en una dirección y cortante en dos direcciones (es decir, cortante por punzonamiento) se consolidan de lo que era una amplia gama de ecuaciones, haciendo el diseño más directo y estructurado. Se provee además un método para incluir el efecto del tamaño en el cortante, para evitar los problemas que causaban que a mayor dimensión se reducía el valor del esfuerzo unitario de cortante. Estas nuevas ecuaciones también incluyen el efecto del porcentaje de refuerzo en el diseño de cortante.

Cambios adicionales

Se hicieron actualizaciones de las disposiciones sobre postensado, prefabricados de concreto, durabilidad del concreto, concreto liviano, metodología de puntal-tensor y otros:

1. Para el postensado se incluyen aclaraciones de los requisitos de construcción relativos a la pérdida de pretensado, el uso de un nuevo documento de referencia para determinar las pérdidas de pretensado, las limitaciones de espaciado de refuerzo deformado y adherido, y varias aclaraciones importantes a los requisitos para el refuerzo en la zona de anclaje incluyendo diagramas. 2. Los prefabricados de concreto recibieron varias aclaraciones con especial atención a las conexiones en los soportes. 3. En términos de durabilidad, se realizaron numerosos cambios, incluyendo requisitos adicionales para las distintas clases de exposición a sulfatos y concreto expuesto al agua. 4. Las disposiciones de concreto ligero en todo el código recibieron numerosos cambios y aclaraciones basadas en el nuevo método para determinar el factor de modificación ligero. 5. Las actualizaciones de puntal-tensor incluyeron la eliminación de puntales en forma de botella y la inclusión de requisitos mínimos de refuerzo. Otras mejoras incluyeron nodos de barra curva y articulaciones de rodilla. 6. Se simplificaron los requisitos de contracción y refuerzo de temperatura. 7. Las disposiciones de pruebas de carga se modificaron para ser más coherentes con otros estándares de ACI. 8. Se añadió lenguaje al comentario que permite al ACI 318 - 19 ser utilizado para el análisis, reparación y rehabilitación de estructuras existentes y para reconocer el ACI 562 (Requisitos de Código para la

Evaluación, Reparación y Rehabilitación de Estructuras de Concreto Existentes).

Además, se hicieron varias aclaraciones y adiciones sobre análisis. Se añadieron comentarios sobre el análisis de vibraciones para ayudar al usuario a encontrar orientación para diseñar una estructura cuando las vibraciones son criterios de diseño. Los cálculos del momento efectivo de inercia (Ie) se ajustaron para el concreto armado convencionalmente sobre la base de resultados de cálculo de desviación estimados más precisos tanto en el laboratorio como en el campo.

Construcción

El capítulo 26, "Documentos e inspección de la construcción", el ACI 318 – 19 integra de manera excelente los requisitos necesarios que el diseñador debe incluir en los documentos de construcción, a fin de ejecutar las estructuras en cumplimiento del código. Se unificaron los requisitos de inspección incluyendo la reubicación de los requisitos de inspección de anclaje del capítulo 17.

Ahora se reconoce que los proyectos pueden incluir varios diseñadores y proporciona un marco para su coordinación y responsabilidad del trabajo. Se actualizó la definición del módulo de elasticidad utilizando datos de documentos externos y prácticas recomendadas. También, con la evolución de los materiales de construcción, se están usando cada vez más materiales tales como cementos alternativos y agregados reciclados. Por tal razón, se describen las precauciones para los diseñadores que están considerando su uso. Además, se añadió un método alternativo para definir el valor, que es un factor de modificación para ajustar la resistencia a la tracción cuando se utiliza concreto liviano.

Conclusión

Los invito a que estudien este código y lo usen. Contiene muchas mejoras que nos ayudarán a todos hacer mejores estructuras de concreto.