Este documento analiza el efecto del costo del diseño sismo resistente en la construcción en Colombia. Presenta estudios de costos que muestran cómo variables como el sistema estructural, la irregularidad del edificio, la zona sísmica, y la altura afectan el consumo de concreto, acero y el costo total. Los edificios más altos y en zonas sísmicas más activas requieren más materiales y son más costosos.

1. ¿COMO AFECTA EL COSTO POR
DISENO SISMO RESISTENTE?
–
LA EXPERIENCIA COLOMBIANA
Luis E. García
Proyectos y Diseños Ltda. (Ingenieros consultores)
Profesor de Ingeniería Civil , Universidad de los Andes
(Bogotá, Colombia)
Expresidente del American Concrete Institute - ACI

2. ESTUDIOS DE COSTOS REALIZADOS
„ Efecto del sistema estructural
„ Efecto de la irregularidad de la
estructura
„ Efecto de la zona de amenaza sísmica
„ Efecto del límite de la deriva
„ Efecto de los requisitos de detallado
„ Efecto de la luz y la relación entre
luces
„ Efecto de la altura del edificio

3. SISTEMAS ESTRUCTURALES
„ Pórtico de concreto reforzado resistente
a momentos
„ Pórtico y muros de concreto
„ Dual + Muros de concreto
„ Dual + Muros de mampostería
„ Mampostería estructural
„ Mampostería confinada

4. 3 4 5 6
1 3.02 2 3.02 .41 2.20 .41 3.02 7 3.02 8
.85
A .15 .05 A
1.20 .05 .05
1.20
B B
1.40 1.40
C C
2.50 2.50
D D
.60 .60
E E
3.10
3.10
F .60
F
.05
.05
3.02 3.02 .41 2.20 .41 3.02 3.02
1 2 3 4 5 6 7 8
PLANTA ARQUITECTÓNICA

5. PORTICO RESISTENTE A MOMENTO – VIGUETAS
ALTERNATIVA A

6. PORTICO RESISTENTE A MOMENTO
SISTEMA VIGA Y PLACA

7. DUAL CON MUROS DE CONCRETO O MAMPOSTERIA
VIGUETAS

8. MAMPOSTERIA CONFINADA
VIGUETERIA PREFABRICADA

9. MAMPOSTERIA ESTRUCTURAL
LOSA MACIZA

10. CONCRETO USADO
0.20 Pórtico Alt. A
0.18 Pórtico Alt. B
0.16
Pórtico + Muros
0.14 Concreto
0.12 Dual Muros de
m³/m²
0.10 Concreto
0.08 Dual Muros de
0.06 Mampostería
0.04 Mampostería
0.02 Estructural
0 Mampostería
Confinada
Sistema estructural

11. ACERO DE REFUERZO USADO
25 Pórtico Alt. A
Pórtico Alt. B
20 Pórtico + Muros
Concreto
15 Dual Muros de
kg/m² Concreto
Dual Muros de
10 Mampostería
Mampostería
5 Estructural
Mampostería
Confinada
0
Sistema Estructural

12. ¿SON LOS
EDIFICIOS DE LA
PRÁCTICA
ACTUAL
DEMASIADO
IRREGULARES?

13. WALL
wALL WALL
5.00 m
EDIFICIO A

14. EDIFICIO B 5.00 m

15. 5.00 m
EDIFICIO C

16. MURO
MURO
5.00 m
EDIFICIO D

17. 5.00 m
EDIFICIO E

18. 5.00 m
EDIFICIO F

19. WALL
WALL
5.00 m
EDIFICIO G

20. WALL
WALL
5.00 m
EDIFICIO H

21. 5.00 m
EDIFICIO I

22. 5.00 m
EDIFICIO J

23. WALL WALL
WALL WALL
EDIFICIO K 5.00 m

24. 5.00 m
EDIFICIO L

25. REFUERZO UTILIZADO
50
45
40
35
30 COLUMNAS Y
MUROS
kg/m² 25
VIGAS
20 TOTAL
15
10
5
0
A B C D E F G H I J K L
EDIFICIO

26. CONCRETO UTILIZADO
0.50
0.40
COLUMNAS Y
0.30 MUROS
m³/m²
0.20 VIGAS
TOTAL
0.10
0.00
A C E G I K
EDIFICIO

27. COSTO ASOCIADO CON
LA ZONIFICACION SISMICA
„ 24 edificios estudiados:
– 3, 5, 8, 12 pisos
– Edificios de apartamentos
– Suelo tipo S2
5.00 m
5.00 m
5.00 m
6.00 m 6.00 m 6.00 m 6.00 m

28. INDICE DEL COSTO
TOTAL DE LA ESTRUCTURA
2.40
2.20
INDICE DE COSTO
2.00
12 PISOS
1.80 8 PISOS
1.60 5 PISOS
3 PISOS
1.40
1.20
1.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Aa - Av

29. COSTO vs. ALTURA
2.4
2.2
Baja- 0.05
INDICE DE COSTO
2 Baja- 0.10
Intermedia - 0.10
1.8 Intermedia - 0.15
1.6 Intermedia - 0.20
Alta - 0.20
1.4 Alta - 0.25
1.2 Alta - 0.30
1
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
No DE PISOS

30. CONCRETO COLUMNAS
0.07
0.06
/m2 )
0.05
CONCRETO (m
3
12 PISOS
0.04 8 PISOS
0.03 5 PISOS
3 PISOS
0.02
0.01
0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Aa - Av

31. REFUERZO COLUMNAS
20
18
16
ACERO (kg/m)
2
14
12 PISOS
12
8 PISOS
10
5 PISOS
8
3 PISOS
6
4
2
0
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Aa - Av

32. CONCRETO LOSA Y VIGAS
0.14
0.14
CONCRETO (m /m2 )
0.13
3
0.13 12 PISOS
0.12 8 PISOS
5 PISOS
0.12
3 PISOS
0.11
0.11
0.10
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Aa - Av

33. REFUERZO LOSA Y VIGAS
14
13
ACERO (kg/m)
2
12 12 PISOS
8 PISOS
11
5 PISOS
10 3 PISOS
9
8
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Aa - Av

34. ALGUNOS CASOS
DISEÑADOS CUMPLIENDO
CON LA
MICROZONIFICACIÓN
SÍSMICA DE LA CIUDAD DE
BOGOTÁ

35. Bogota, Colombia

36. ESPECTROS MICROZONIFICACIÓN
SÍSMICA DE BOGOTÁ
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
Zona 1 - Cerros
0.50
Zona 2 - Piedemonte
0.45
Sa Zona 3 - Lacustre A
(g) 0.40 Zona 4 - Lacustre B
0.35
Zona 5 - Terrazas y Conos
0.30 NSR-98 S4
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
T (s)

37. LOS CASOS
„ 26
edificios que en total suman un área de
243 000 m2
–19 edificios de apartamentos
–5 edificios de oficinas
–2 edificios de aulas
„ Alturas de 7 a 20 pisos
–12 pisos en promedio
„ Áreas de 1 200 a 50 000 m2
–9 400 m2 en promedio

38. Localización de los edificios
„ 6 Edificios N
en Zona 1 Zona 4
„ 4 Edificios Zona 1 0 2 4 6 8 10 km
en la Zona 2
Escala
transición
entre Zonas
1y2
Zona 1 - Cerros
Zona 3
Zona 2 - Piedemonte
Zona 3 - Lacustre A
„ 2 Edificios Zona 4 - Lacustre B
en Zona 2
Zona 5A - Terrazas y Conos
Zona 5B
Zona 5B - Terrazas y Conos
Zona 5A Potencialmente Licuables
„ 12 Edificios
en Zona 3
„ 2 Edificios
en Zona 4

39. AHORA MIREMOS LOS SIGUIENTES
PARÁMETROS
„ Período de vibración fundamental calculado por el
método de Rayleigh
„ Estimativo del período fundamental con base en el
número de pisos
„ Deflexión horizontal al nivel de cubierta
„ Área de muros estructurales en función del número
de pisos
„ Corte basal resistente obtenido por medio de
mecanismos de colapso
„ Relación capacidad/demanda para fuerzas
horizontales sísmica

40. Período de vibración T (s)
1.50
1.25
Período Dirección y (s)
1.00
Zona 1
Trans 1-2
0.75 Zona 2
Zona 3
Zona 4
0.50
0.25
0.00
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
Período Dirección x (s)

41. Estimativo del Período Fundamental
30
25
20
Zona 1
Media = 16
# pisos/Ty
Trans 1-2
15 Zona 2
Zona 3
Zona 4
10
SEAOC
T=N/10
5
M
Media = 14
0
0 5 10 15
15 20 25 30
# pisos/Tx

42. Deflexión Cubierta Gn como % de hn
1.0
= 1.55 (promedio)
0.8
Deflexión Cubierta Y (%hn)
0.6 Zona 1
Trans 1-2
Media = 0.47% Zona 2
Deriva de piso máxima
a
Zona 3
0.4 Zona 4
Deriva promedio
0.2
Media = 0.63%
0.0
0.0 0.2 0.4 0.6
6 0.8 1.0
Deflexión Cubierta X (%hn)

43. p = Área de muros estructurales / Área piso
5.0
Media = 0.72%
Área muros direcc. Y/Área del piso
4.0
Zona 1
3.0
Trans 1-2
Zona 2
Zona 3
2.0 Zona 4
Media = 1.23%
1.0
0.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Área muros direcc. X/Área del piso

44. Corte Basal Resistente
MECANISMO DE PISO MECANISMO DE VIGAS MECANISMO DE PISOS INTERM.

45. Corte Basal Resistente Vn (%W)
60
50
Corte Basal Resistente Y (%W)
40
Zona 1
Trans 1-2
Zona 2
30
Zona 3
Media = 21% Zona 4
20
10
Media = 20%
0
0 10 20
0 30 40 50 60
Corte Basal Resistente X (%W)

46. Capacidad/Demanda
8
7
6
Media = 2.0
a 0
5 Zona 1
Vny/(SayW)
Trans 1-2
4 Zona 2
Zona 3
Zona 4
3
Media
Media = 2.2
e
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Vnx/(SaxW)

47. CONTROL
DE LA DERIVA

48. DERIVA!

49. Deriva
'5
f5
h5 '4
f4
h4 '3
f3
h3 '2
f2
h2 '1
f1
h1

57. ¡12 km del epicentro!

58. Metodología del estudio
„ Definición de la planta del edificio
„ Producción de grupos de dimensiones razonables para
diferentes números de pisos
„ Análisis estructural de todas las soluciones
„ Diseño de vigas y columnas incluyendo todos los
detalles de las armaduras, siguiendo los requisitos del
grado de capacidad de disipación de energía apropiado
para la zona de amenaza sísmica
„ Estudio de las diferentes soluciones con respecto al
cumplimiento de los requisitos de deriva, nuevos y
viejos
„ Evaluación del costo en todas las soluciones
„ Estudio de las variaciones entre costo y los parámetros
relevantes de diseño

59. Metodología
El procedimiento empleado puede describirse como:
1 - dejar que la estructura responda ante las fuerzas
sísmicas que le corresponda, obteniendo la deriva
que resulte de las dimensiones y las fuerzas
sísmicas impuestas
2 - determinar el costo comparativo con otras
soluciones con diferentes dimensiones de los
elementos
3 - calcular las implicaciones de restringir la deriva a
valores menores

60. Edificio de apartamentos estudiado
„ Pórtico resistente a momentos de concreto
reforzado
„ 4, 8, 12, y 20 pisos
„ Zonas de amenaza sísmica intermedia y alta
Z A S Intermedia (Aa = 0.20)
Z A S Alta (Aa = 0.25)
„ Perfil de suelo S1 (roca)
„ Columnas cuadradas con la misma dimensión
en toda la altura del edificio

61. Planta del Edificio Estudiado
7.5
N
7.5 22.5
7.5
9.0 9.0 9.0 9.0
36.0
all dimensions inen m
dimensiones meters

62. Un caso en detalle
„ Edificio de 8 pisos
„ Zona de Amenaza Sísmica Intermedia (Aa=0.20)
„ Perfil de suelo S1 (Roca)
„ Columnas cuadradas de 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 m
„ Vigas de b=0.4 m x h=0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 m
„ En total 20 combinaciones de dimensiones de columnas
y vigas

63. Refuerzo vigas
18
18
16
16
14
14 columnas de 1.0 m
columnas de 1.0 m
12
12 columnas de 0.8 m
columnas de 0.8 m
columnas de 0.6 m
acero 10
acero 10
columnas de 0.6 m
columnas de 0.4 m
columnas de 0.4 m
(kg/m²)
(kg/m²) 8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

64. Refuerzo columnas
18
18
16
16
columnas de 1.0 m
14
14 columnas de 1.0 m
12
12 columnas de 0.8 m
columnas de 0.8 m
columnas de 0.6 m
acero 10
acero 10
columnas de 0.6 m
columnas de 0.4 m
columnas de 0.4 m
(kg/m²)
(kg/m²) 8
8
6
6
4
4
2
2
0
0

65. Consumo total de concreto y acero
(columnas y vigas únicamente)
concreto
30 0.16
0.14
25
0.12
20 0.10
acero 15 0.08 concreto
(kg/m²) (m³/m²)
0.06
10 columnas de 1.0 m
acero columnas de 0.8 m 0.04
5 columnas de 0.6 m 0.02
columnas de 0.4 m
0 0.0
0.00
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
altura viga (m)

66. Deriva
(edificio 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)
0.4x0.4
0.4x0.4
Deriva = 3.0%h
Deriva = 3.0%h
Deriva = 2.5%h
Deriva = 2.5%h
Deriva = 2.0%h
Deriva = 2.0%h 0.4x0.5
0.4x0.5 3.00 --3.50
Deriva = 1.5%h 3.00 3.50
Deriva = 1.5%h
2.50 --3.00
2.50 3.00
Deriva = 1.0%h
Deriva = 1.0%h sección
sección 2.00 --2.50
0.4x0.6
0.4x0.6 vigas 2.00 2.50
vigas
(m)
(m) 1.50 --2.00
1.50 2.00
1.00 --1.50
1.00 1.50
0.4x0.7
0.4x0.7 0.50 --1.00
0.50 1.00

67. Procedimiento para reducir la deriva
0.4x0.4
Deriva = 3.0%h
Deriva = 2.5%h
Deriva = 2.0%h 0.4x0.5
Deriva = 1.5%h
Deriva = 1.0%h sección
0.4x0.6 vigas
(m)
0.4x0.7
Deriva = 0.5%h
0.4x0.8
0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0
sección columnas (m)

68. Índice de costos
(edificio de 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)
ic = 1.0 ic = 1.3 ic = 1.4
0.4x0.4
ic = 1.5
1.70 - 1.80
0.4x0.5 1.60 - 1.70
1.50 - 1.60
ic = 1.1 sección 1.40 - 1.50
0.4x0.6 vigas 1.30 - 1.40
(m)
1.20 - 1.30
ic = 1.6
1.10 - 1.20
ic = 1.2 0.4x0.7
1.00 - 1.10
ic = 1.7
índice costos (ic)
0.4x0.8
0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0
sección columnas (m)

69. Índice costo vs. deriva
(edificio 8 pisos - dirección EW - amenaza sísmica intermedia)
ic = 1.0 ic = 1.1 ic = 1.2 ic = 1.3
ic = 1.4
ic = 1.5
0.4x0.4
Deriva = 3.0%h
Deriva = 2.5%h 1.70 - 1.80
Deriva = 2.0%h 0.4x0.5 1.60 - 1.70
Deriva = 1.5%h ic = 1.6
1.50 - 1.60
Deriva = 1.0%h sección
0.4x0.6 vigas 1.40 - 1.50
(m) 1.30 - 1.40
1.20 - 1.30
0.4x0.7 1.10 - 1.20
ic = 1.7
Deriva = 0.5%h 1.00 - 1.10
0.4x0.8 índice costos (ci)
0.4x0.4 0.6x0.6 0.8x0.8 1.0x1.0
sección columnas (m)

70. Índice de costo vs. deriva
(amenaza sísmica intermedia)
4.0
dimensiones columnas constantes
3.5 20 pisos
3.0
índice
costo 2.5 dimensiones vigas constantes
12 pisos
2.0
1.5
4 pisos 8 pisos
1.0
0 1 2 3 4 5
ic = 1.0
deriva (%h)

71. Índice costo vs. deriva
(amenaza sísmica alta)
5.0
4.5 dimensiones columna constantes
4.0 20 pisos
3.5
índice
3.0
costo dimensiones vigas constantes
2.5 12 pisos
2.0
1.5 8 pisos ic = 1.0
4 pisos
1.0
0 1 2 3 4 5
deriva (%h)

72. Pórticos
„ El índice de costo mínimo (ic = 1.0) es el de la solución
de menor costo para el edificio de 4 pisos, la cual
corresponde a la de dimensiones mínimas
„ Pueden obtenerse reducciones importantes de la
deriva con aumentos de costo marginales. Por lo
tanto, reducciones de la deriva del 1.5%h al 1.0%h,
como exigen las NSR-98 son ampliamente factibles
desde el punto de vista económico.
„ Reducciones aún mayores de la deriva tienen un
impacto económico proporcionalmente mayor debido
al aumento de pendiente de las dimensiones
constantes de columna al reducir la deriva, lo cual
significa proporcionalmente un mayor costo.

73. Definición del índice de área de muros
H área aferente al muro
h
t
D
D área sección del muro
p=
área del piso aferente al muro

74. Relación teórica entre p y la deriva
(Amenaza sísmica intermedia)
2.0
1.8
H/D = 7
1.6
H/D = 6
1.4 H/D = 5
1.2 H/D = 4
deriva 1.0 H/D = 3
(%h) H/D = 2
0.8 H/D = 1
0.6
0.4
0.2
0.0
0 1 2 3 4 5 6 7
p = área total de muros / área del piso (%)

75. Esquema de muros con una luz
7.5
N
7.5 22.5
7.5
9.0 9.0 9.0 9.0
36.0
dimensiones en metros

76. Esquema de muros con dos luces
7.5
N
7.5 22.5
7.5
9.0 9.0 9.0 9.0
36.0
dimensiones en metros

77. Cantidades totales de concreto y acero
(columnas, muros y vigas solamente)
18 0.14
16
acero 0.12
14
0.10
12
H/D=1.42 concreto 0.08 concreto
8
acero 10
1
(m³/m²)
(m³/m²)
³ ²
(kg/m²)
(kg/m²)
(kg/m²) 8
k ² H/D=1.71 0.06
6 H/D=2.84
0.04
4 H/D=3.41
2 0.02
0 0.00
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
45
45
espesor muro (m)

78. Deriva - Edificios con muros
(Amenaza sísmica intermedia)
0.35
0.30
0.25 H/D=3.41
deriva 0.20 H/D=2.84
(%h)
0.15 H/D=1.71
0.10
H/D=1.42
0.05
0.00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
p (%)

79. Índice de costo
(edificio de 8 pisos - amenaza sísmica intermedia)
1.4 - 1.5
1.5
1.3 - 1.4
1.4 1.2 - 1.3
1.1 - 1.2
1.3
índice costo 1.0 - 1.1
1.2
índice de costo
1.1
1.0 t=0.45
H/D=3.41 t=0.30
H/D=2.84 espesor
H/D=1.71 t=0.15 del muro
H/D=1.42 (m)
relación de esbeltez del muro

80. Índice de costo vs. Deriva
(edificio 8 pisos - zona de amenaza sísmica intermedia)
Deriva=0.15%h Deriva=0.10%h Deriva=0.05%h
t=0.45
Deriva=0.20%h espesor
del muro 1.4 - 1.5
(m) 1.3 - 1.4
t=0.30 1.2 - 1.3
1.1 - 1.2
1.0 - 1.1
Deriva=0.25%h índice costo
t=0.15
H/D=3.41 H/D=2.84 H/D=1.71 H/D=1.42
relación de esbeltez del muro

81. Índice de costo vs. Deriva
(edificio 8 pisos - amenaza sísmica alta)
Deriva=0.20%h Deriva=0.15%h Deriva=0.10%h Deriva=0.05%h
t=0.45
1.4 - 1.5
espesor 1.3 - 1.4
del muro 1.2 - 1.3
(m)
t=0.30 1.1 - 1.2
1.0 - 1.1
Deriva=0.25%h
índice costo
t=0.15
H/D=3.41 H/D=2.84 H/D=1.71 H/D=1.42
relación de esbeltez del muro

82. Muros vs. Pórtico
„ Para zonas de amenaza sísmica intermedia:
–El pórtico más económico, sin muros, emplea 14
kg/m2 of acero, y 0.07 m3/m2 de concreto, y reporta
una deriva máxima de 2.4%h.
–Usando muros la deriva se puede reducir a
0.05%h con un incremento de costo de menos de
10%.
„ Para zonas de amenaza sísmica alta:
–Las derivas son mayores y los incrementos de
costo también, pero las tendencias generales se
mantienen.

83. Conclusiones
„ Reducciones del límite de deriva hasta valores del
orden de 0.75%h, empleando pórticos es factible
económicamente.
„ Definir las dimensiones de la sección de la
columna antes de las de la viga, permite encontrar
más rápidamente una estructura que cumpla con
un límite de deriva preestablecido.
„ Para límites de deriva menores de 0.75%h, debe
investigarse el uso de muros estructurales.

84. Comentarios finales
Este es solo un ejemplo del tipo de estudios que deben
llevarse a cabo cuando se desea investigar la relación
entre las diferentes variables que intervienen en el
costo y comportamiento de las estructuras de edificios.
Debe tenerse cuidado con las numerosas variables que
no se estudiaron a pesar de la cantidad de casos
empleados, especialmente las variaciones locales.
El dilema de comportamiento óptimo contra el menor
costo real solo puede resolverse empleando el mejor
criterio y la mayor experiencia por parte de los
diseñadores.