Análisis de Diseño

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“ANALISIS DE DISEÑOS PARA EDIFICIOS DE ACERO ESTRUCTURADOS EN
BASE A MARCOS RÍGIDOS ESPECIALES PARA SISMOS”
Por: Huamán Herrera*
RESUMEN
Los edificios de aceros estructurados con marcos de acero con la nomenclatura del instituto
americano de construcciones de Acero (AISC) son calificados como: marcos corrientes (OMF)
marcos intermedios (IMF) y marcos especiales (SMF) dependiendo de la ductilidad que son capaces
de desarrollar sus uniones. Si bien la norma de diseño sismo resistente de edificios incorpora en sus
disposiciones el uso de las especificaciones del AISC, no establece con claridad cómo se
compatibilizan ambas normativas, de allí el interés en revisar en cierto detalle su aplicación al diseño
de edificios, se presenta una revisión de los criterios de diseño sismo resistente de edificios de acero
de acuerdo a la normativa vigente y su aplicación al diseño de edificios de acero estructurados en
base a marcos rígidos. Se incorpora como parte de este análisis, el diseño de uniones
precalificadas de acuerdo a las especificaciones de la Federal Emergency Management Agency
FEMA-350, Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment - Frames Buildings. Los
marcos de acero son estructuras cuya resistencia lateral reside fundamentalmente en la capacidad
a flexión y corte de sus elementos y, cuya capacidad de deformación sísmica queda determinada
por la capacidad de rotación de las uniones en el rango pos elástico que se desarrolla después de
que se ha alcanzado la resistencia máxima en una sección determinada. Es esta capacidad de
rotación de las uniones, la que define, sobre la base de los ensayos realizados la que permite
establecer que unión puede usarse para calificar un determinado tipo de marco de acuerdo a la
norma AISC-2005. Es importante destacar que la norma AISC-2005 incluye en forma explícita la
necesidad de realizar un “Diseño por Capacidad” de la unión, de manera de garantizar que la
disipación de la energía que introduce el sismo se disipe en los extremos de las vigas. Esto evita la
plastificación de las columnas, lo que asegura la estabilidad del piso. En este trabajo, se evalúa el
diseño sísmico de edificios de acero estructurados en base a marcos especiales resistentes a
momento. Con este objetivo central, se desarrollaran los siguientes objetivos específicos: Revisar los
criterios de diseño sismorresistente de la normativa vigente. Estudiar la demanda sísmica e
identificar el criterio que condiciona el diseño. Determinar la influencia de la separación de las
columnas en el diseño. Revisar el diseño de la unión viga – columna y el impacto que produce en
el dimensionamiento de los elementos estructurales. Comparar el diseño de edificios de marcos
especiales y marcos corrientes.
Palabras claves: Rígidos; Diseños, Sismorresistente, Aceros, Unión viga-columna, Elástico,
Estructuras, Marcos, Elementos.

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SUMMARY
The buildings of structural steel frames with the nomenclature of the American Institute of Steel
Construction (AISC) steels are classified as: current frames (OMF) intermediate frames (IMF) and
special frames (SMF) depending on the ductility are able to develop their unions. While the standard
of earthquake resistant building design incorporates its provisions using AISC specifications not
clearly established how the two standards, there are reconciled interest in reviewing in some detail its
application to the design of buildings, it is presented a review of the criteria for earthquake resistant
design of steel buildings in accordance with current regulations and their application to the design of
steel structured buildings based on rigid frames. Is incorporated as part of this analysis, the design of
prequalified joints according to the specifications of the Federal Emergency Management Agency
FEMA-350, Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment - Frames Buildings. Steel
frames are structures whose lateral strength essentially resides in the ability to flex and its cutting
elements and whose ability to seismic deformation is determined by the rotatability of the joints in the
elastic range after that develops after it It has reached maximum strength in a particular section. It is
this ability of rotation of the joints, which defines, on the basis of studies which can establish that
bond can be used to describe a particular type of frame according to the AISC-2005 standard.
Importantly, the AISC-2005 standard explicitly includes the need for a "capacity design" of the union,
in order to ensure that the energy dissipation introduced by the earthquake to be dissipated at the
ends of the beams. This avoids plasticization of the columns, which ensures the stability of the floor.
In this paper, the seismic design of steel structured buildings under special moment resisting frames
is evaluated. With this central objective, the following specific objectives were developed: Review the
criteria for seismic design regulations. Study the seismic demand and identify the criterion which
determines the design. To determine the influence of the separation columns on the design. Revise
the design of the beam attachment - column and the impact it has on the design of structural
elements. Compare the design of buildings of special frames and current frames.
Keywords: Hard; Designs, Seismic, steel, beam-column Union, Elastic, Structures, Frames,
Elements.

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INTRODUCCIÓN
El presente artículo de estudio en “ANALISIS DE DISEÑOS PARA EDIFICIOS DE ACERO
ESTRUCTURADOS EN BASE A MARCOS RÍGIDOS ESPECIALES PARA SISMOS” adopta
criterios de diseños Sismorresistente de marcos de acero, los marcos de acero son estructuras
cuya resistencia lateral reside fundamentalmente en la capacidad a flexión y corte de sus elementos
y cuya capacidad de deformación sísmica queda determinada por la capacidad de rotación de las
uniones en el rango post-elástico que se desarrolla después de que se alcanzado la resistencia
máxima en una sección determinada. Hay selección del mecanismo de colapso en un marco de
momento esto ocurre de la manera que el ingeniero estructural espera que ocurra, esto implica
aceptar que en todo sistema de estructura hay elementos estructurales, también podemos hablar de
diseño de viga débil-columna fuerte que pretende prevenir la rotulación de las columnas antes
que ocurra la rotulación de las vigas. Otro punto es el corte máximo en la rótula plástica el cual
procede a base de cálculo debe de dotarse de suficiente resistencia al corte de la viga en esa
sección para garantizar la ocurrencia del mecanismo del colapso planteado. Lo cual se hace un
estudio de resistencia de columnas lo cual tiene que presentar comprensión y tensión sin
considerar momentos de flexión. Las uniones viga-columna usadas en sistemas de resistencia al
sismo deben de satisfacer los requerimientos para suministrar una deformación angular del
entrepiso, conexiones viga-columna precalificadas los requisitos resistentes y de deformación que
deben tener las uniones de una estructura se deben determinar mediante ensayos cíclicos. La
conexión de ala soldada no reforzada y alma soldada en este tipo de conexiones el alma de la
viga se conecta con soldadura de filete a una plancha de corte la que a su vez se conecta con
soldadura de penetración completa el ala de la columna. El objetivo final de todo diseño es
seleccionar una estructura cuya capacidad resistente y de deformación sea inferior a la demanda
que pueda producir un sismo excepcionalmente severo, para esto debe dotarse la estructura de
suficiente resistencia para soportar adecuadamente las solicitaciones más desfavorables que pueda
producir el sismo y a la vez garantizar una capacidad de deformación que ante la ocurrencia de un
evento sísmico severo, de lugar a un nivel de daño controlado permitiendo la disipación de energía
en forma dúctil. Y también conexión con placa soldada al ala de la viga (WFP).La
determinación de las demandas inelásticas en las conexiones de un marco se basa en el concepto
de diseño plástico de elementos aptos para alcanzar grandes deformaciones. El procedimiento para
determinar las demandas locales de los elementos constituyentes del marco ha sido revisado y
estudiado en detalle por la Federal Emergency Management Agency [FEMA 350, 2000]. En la
publicación mencionada se establece el corte máximo a desarrollar en vigas y el momento máximo a
soportar por las columnas. Dichas demandas permiten dotar a los elementos de la capacidad
necesaria para soportar y transmitir esos esfuerzos, procedimiento conocido como “Diseño por
Capacidad”.

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MARCO TEÓRICO
CRITERIOS DE DISEÑO SISMORRESISTENTE DE MARCOS DE ACERO
El mecanismo deseado de disipación energética de un marco de acero sometido a carga sísmica,
corresponde a la formación de rótulas plásticas en los extremos de las vigas, elementos que
concentran la disipación de la energía rotacional de las uniones vigas-columna. Para asegurar la
ocurrencia de dicho mecanismo se requiere que el diseño asegure una capacidad suficiente de
rotación de las vigas y que las columnas tengan una resistencia suficiente que asegure la
plastificación de las vigas, sin que ocurran rotulas plásticas en las columnas. Como argumenta,
(Aguirre, 2001:02) La determinación de las demandas inelásticas en las conexiones de un marco se
basa en el concepto de diseño plástico de elementos aptos para alcanzar grandes deformaciones.
Coincidiendo con el autor Dichas demandas permiten dotar a los elementos de la capacidad
necesaria para soportar y transmitir esos esfuerzos, procedimiento conocido como “Diseño por
Capacidad”.
SELECCIÓN DEL MECANISMO DE COLAPSO EN UN MARCO DE MOMENTO
La demanda de deformación no lineal de flexión y de corte en las estructuras de marco puede
alcanzar valores elevados que faciliten el desarrollo de rótulas plásticas. Si se llegan a formar una
cantidad suficiente de rótulas plásticas en el marco, se produce un mecanismo y el marco puede
deformarse lateralmente llegando finalmente a un estado de colapso incipiente. Como argumenta,
(Aguirre, 2001:04), Este comportamiento va acompañado de una significativa disipación de energía y
daños potencialmente severos en las zonas más solicitadas de los elementos. Coincidiendo con el
autor La formación de rótulas plásticas en columnas constituye un modo de falla no deseable, pues
su ocurrencia puede ocasionar “mecanismos de piso” además de ser un mecanismo de una baja
capacidad de disipación de energía.
DISEÑO VIGA DÉBIL – COLUMNA FUERTE
Pretende prevenir la rotulación de las columnas antes que ocurra la rotulación de las vigas y evitar
de esta manera la formación de mecanismos de colapso de piso. Las rótulas plásticas en vigas de
acero tienen una longitud finita, típicamente del orden de la mitad de la altura de la viga. Como
argumenta (Aguirre, 2001:05) la ubicación de la rótula plástica debe estar por lo menos a una
distancia igual a dicho largo de rótula plástica desde la cara de la columna. Situación por la cual
identifica la ubicación de la rótula plástica respecto del eje de la columna, coincidiendo con el autor
Este trabajo se centra en el diseño sísmico de edificios estructurados en base de marcos rígidos.

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MÁXIMO MOMENTO PLASTICO PROBABLE EN LA ROTULA
Para determinar la capacidad resistente que se debe dar a la viga para que se produzca la rótula, es
necesario estimar el mayor momento que se puede esperar. El momento plástico teórico es
modificado esencialmente por dos efectos. La fluencia máxima es mayor al valor mínimo
especificado. El factor de corrección determinado estadísticamente de los ensayos se denomina Ry.
La sección puede eventualmente alcanzar la zona de endurecimiento por deformación. El factor de
corrección que se aplica ambos factores de corrección al momento plástico efectivo en la zona
donde se debe formar la rótula.
Coincidiendo con el autor la fase elástica lineal se produce mientras la tensión máxima en todos los
puntos de la viga no alcance la de plastificación, durante el comportamiento elástico lineal, la
distribución de tensiones a lo largo del canto de la sección es lineal, ello se debe a que la tensión es
linealmente proporcional a la elongación, que a su vez es proporcional al brazo hasta la fibra neutra
debido al giro de la sección que rige la deformación a flexión.
RESISTENCIA DE COLUMNAS
La resistencia a comprensión y tensión, sin considerar momentos de flexión se debe determinar
usando las combinaciones de carga que incluyan la carga sísmica, la resistencia requerida no
necesita ser mayor que la carga máxima que transfieren las vigas a las columnas considerando1,1Ry
veces la resistencia nominal en vigas.
Como argumenta (Aguirre, 2001:06) la rótula plástica para entrar
de lleno en la concepción del cálculo plástico de pórticos,
sometidos a una carga uniforme w escalada por un factor de carga
que va a crecer desde cero hasta el momento del colapso,
cualitativamentela evolución del factor de carga conforme crece la
deflexión en un punto, por ejemplo el central, viga apoyada con
carga uniforme, evolución del factor de carga deflexión y la
distribución de tensiones en la sección central para cada instante.
Conforme la carga crece, la distribución de tensiones en la sección
central va pasando por diversos estudios.
Como argumenta (Aguirre, 2001:8) Una columna es un elemento axial
sometido a compresión, lo bastante delgado respecto su longitud, para
que abajo la acción de una carga gradualmente creciente se rompa por
flexión lateral o pandeo ante una carga mucho menos que la necesaria
para romperlo por aplastamiento. Las columnas suelen dividirse en dos
grupos: “Largas e Intermedias”. A veces, los elementos cortos a
compresión se consideran como un tercer grupo de columnas. Las
diferencias entre los tres grupos vienen determinadas por su
comportamiento. Las columnas largas re rompen por pandeo o flexión
lateral; las intermedias, por combinación de esfuerzas, aplastamiento y
pandeo, y los postes cortos, por aplastamiento.

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Coincidiendo con el autor Una columna ideal es un elemento homogéneo, de sección recta
constante, inicialmente perpendicular al eje, y sometido a compresión. Sin embargo, las columnas
suelen tener siempre pequeñas imperfecciones de material y de fabricación, así como una inevitable
excentricidad accidental en la aplicación de la carga. La curvatura inicial de la columna, junto con la
posición de la carga, dan lugar a una excentricidad indeterminada, con respecto al centro de
gravedad, en una sección cualquiera.
LAS UNIONES VIGA-COLUMNA
Las uniones viga – columnas usadas en sistemas resistentes al sismo deben satisfacer los
siguientes requisitos La conexión debe ser capaz de suministrar una deformación angular de
entrepiso de al menos 0,04 radianes. La resistencia requerida de la conexión en la cara de la
columna debe ser por lo menos el 80% del momento plástico nominal de la viga cuando la conexión
alcanza una deformación angular de entrepiso.
Coincidiendo con el autor debe tener espesor de la zona panel, resistencia al corte de la zona panel
que responde al área del alma de la columna que se encuentra delimitada por sus alas y por la
prolongación de las alas de la viga .también las dobles placas en la zona panel y placas de
continuidad deben estar soldadas a las alas de las columnas usando ya sea soldadura de
penetración completa o soldadura de filete que permite desarrollar la resistencia de corte de diseño
de la placa doble.
VIGA-COLUMNA PRECALIFICADAS
Los requisitos de capacidad resistente y de deformación que deben tener las uniones de una
estructura se deben determinar mediante ensayos cíclicos, de las Disposiciones Sismorresistente
(AISC, 2005b). Se permite el uso de conexiones precalificadas mediante ensayos que cumplan los
límites de precalificación, sin que se requiera de ensayos adicionales, según lo establezca la
autoridad competente. El comportamiento deseado de una conexión se consigue dimensionando los
elementos (viga, columna, conectores, soldadura, etc.), de manera de garantizar que, la formación
de una eventual rótula plástica, esta ocurra en la viga a una cierta distancia respecto de la cara de la
Como argumenta (Aguirre, 2001:19). Los aspectos
críticos en el comportamiento sísmico delas uniones
entre vigasy columnasdeconcreto reforzado son la
adherencia, el cortante y el confinamiento Las
condiciones de adherencia para el acero
longitudinaldelas vigasson desfavorables debido a
que es necesario transferir esfuerzos al concreto en
longitudes relativamente pequeñas la situación es
crítica no solo en conexiones extremas donde es
necesario anclar el esfuerzo longitudinal sino
también mantener uniones interiores.

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columna. Para esto, además de la condición viga débil-columna fuerte, debe dotarse la conexión de
una mayor resistencia que la viga, Los edificios de acero estructurados en base a marcos rígidos
deben ser diseñados bajo el criterio viga débil-columna fuerte, con el fin de evitar las fallas de
piso.(Aguirre, 2001:25)
CONEXIÓN DE ALA SOLDADA NO REFORZADA Y ALMA SOLDADA
Esta metodología ayuda a este tipo de conexiones el alma de la viga se conecta con soldadura de
filete a una plancha de corte la que a su vez se conecta con soldadura de penetración completa al
ala de la columna. En este tipo de conexión no está previsto un refuerzo del ala, este tipo de
conexión esta precalificada para su uso es sistemas de OMF y SMF. Sus características principales
se muestran como soldadura de penetración completa entre la placa de corte y el ala de la columna,
agujero de acceso de soldadura, espesor de la plancha de unión de corte debe ser igual al espesor
del alma de la viga. El desarrollo de las conexiones con alas no reforzadas ha exigido un esfuerzo
significativo en investigación, que dieron como resultado modificaciones importantes a la conexión
comúnmente usadas. (Aguirre, 2001:32)
CONEXIÓN CON PLACA SOLDADA AL ALA DE LA VIGA (WFP)
Esta conexión utiliza planchas para conectar las alas de la viga al ala de la columna, es decir, sin
que exista una conexión directa entre el ala de la viga y el ala de la columna. La plancha que une las
alas de la viga al ala de la columna es soldada con soldadura de penetración completa al ala de la
columna y a su vez es soldada con soldadura de filete en la zona superior e inferior de las alas
superior e inferior de la viga respectivamente. Este tipo de conexión es recomendada para sistemas
OMF y SMF. Se recomienda para su uso en nuevas edificaciones porque la soldadura de
penetración completa se realiza sólo entre la plancha de refuerzo y el ala de la columna, sin incluir el
ala de la viga. Al aplicarse solo un espesor de soldadura, dado por el espesor de la placa de
refuerzo, este es considerado más fiable que la soldadura de penetración completa de la “Cover-
Plate”, que incluye además el ala de la viga y resultando una soldadura de mayor espesor. (Aguirre,
2001:45)
METODOLOGÍA
Luego de haber investigado con veracidad cabal el tema presente artículo se desarrolla a base de
una observación empírica con respecto a la seguridad que brinda este tipo de estructuras y también
para el bienestar de las personas. Cada vez se van desarrollando más las estructuras en base a
marcos rígidos por el gran avance que se hace en los estudios de las edificaciones.

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OBJETIVOS
El objetivo de esta metodología es indicar los aspectos que deben considerarse en la formulación y
evaluación de un proyecto de edificación. De contribuir y tender al aprovechamiento óptimo de la
infraestructura existente, adecuando sus instalaciones, con el objeto de elevar el nivel de servicio
que entregan a la comunidad.
DISCUSIÓN
El presente artículo se plantea a desarrollar para la construcción de estos tipos de edificaciones de
acero se cuenta con diversas características de materiales como son el concreto y el acero,
teniendo cada uno ventajas y desventajas, ambos materiales son aliados en la construcción de
edificios altos, aunque el concreto ofrece también una gran resistencia y mayor rigidez ante cargas
horizontales, su uso se está dejando a edificios de altura baja y mediana debido a que es un material
muy pesado y su empleo en edificios altos implicara una cimentación de dimensiones grandes y por
lo tanto costosas. Ahora basándose en lo que son resistencias de columnas, son elementos
verticales que transmiten cargas de comprensión, generalmente acompañadas de un momento. Las
cargas son transmitidas por la placa de entrepiso a las vigas y por ultimo a la cimentación. Una
columna puede fallar a tensión o a comprensión, el tipo de falla depende de la excentricidad, la falla
por tensión es cuando las excentricidades muy grandes empiezan por la fluencia en tensión del
acero y la falla por comprensión acurre de una deformación del concreto. También podemos hablar
de sistemas estructurales que son compuestas de varios miembros que soportan las edificaciones y
tienen además la función de soportar las cargas que actúan sobre ellas transmitiéndolas al suelo las
cargas que soporta una estructura son todas aquellos factores que inciden sobre el edificio
produciendo deformaciones ya sean las cargas de su peso propio como otras la estructura de un
edificio no solo soporta su peso propio sino también otras cargas y situaciones que alteran su carga
total inicial. Dando a conocer estos detalles de las complicaciones que pueden tener cuando no
hacemos bien los cálculos la edificación esta propensa a colapsar por lo tanto es bueno investigar
para poder construir edificaciones seguras ante un movimiento sísmico.
CONCLUSIÓN
Es posible solucionar los problemas mediante las investigaciones del caso, hoy en dia la tecnología
es un camino de avance para la infraestructura ya que todo se puede hacer mediante sistemas
computarizados los diseños estructurales son más precisos y podemos emplear ensayos basados a
la resistencia de las columna. Por otro lado los cálculos empleados tienen que asemejarse a los
resultados requeridos.

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SUGERENCIAS
Se sugiere a las empresas constructoras se involucren utilizando tecnología de punta basándose
actualmente en las mega estructuras y Diseños Sísmicos. Se sugiere a las universidades estatales
y privadas dar a conocer al estudiante de ingeniería el gran esfuerzo que se requiere en las
investigaciones para dar a conocer la importancia de nuevos aportes que pueden dar a la
humanidad, también se sugiere al gobierno apoyar ampliamente y considerablemente aquellas
personas que siguen desarrollando sus proyectos a base de investigaciones.
FUENTES CONSULTADAS:
Aguirre Ahumada, Carlos (2003) “ANALISIS DE DISEÑOS PARA EDIFICIOS DE ACERO
ESTRUCTURADOS EN BASE A MARCOS RÍGIDOS ESPECIALES PARA SISMOS”.
 (Aguirre,2003)http://www.alphatec.es/Soluciones/Patolog%C3%ADaEstructural/tabid/87/Def
ault.aspx.
 (reparación de estructuras)www.asefa.es/images/pdf/patologia16.pdf.
 (conexiones precalificadas) http://conexiones.tripod.com.co/conexiones.htm.
 (estructuras de acero) www.AISC.com
*Huamán Herrera Marvin estudiante de ingeniería civil de la Universidad Alas Peruanas que
desarrolla el presente artículo ensayístico, asesorado por David Auris Villegas, Doctorando
por Atlantic International University de U.S.A. Perú 2015.