Bitácora de diseño Sísmica N.º 07
El cabezal no se diseña con la fuerza reducida: protección por capacidad
Resumen. En diseño sísmico elegimos qué parte del puente se daña, como un fusible. Todo lo demás se diseña para resistir lo que ese fusible puede transmitir. En un pórtico de dos columnas, eso es casi el doble de lo que dice el análisis.
En la caja de luz de tu casa hay fusibles o llaves térmicas. Están hechos para fallar primero: si algo se recalienta, se corta el fusible y los cables quedan a salvo. Nadie diseñaría un fusible más resistente que el cable que protege.
El diseño sísmico de puentes sigue la misma lógica. No buscamos que el puente salga intacto de un sismo fuerte, porque sería carísimo. Buscamos que el daño ocurra donde nosotros elegimos: en la columna, en una zona que podemos confinar, revisar y reparar. La columna es el fusible. El cabezal, el nudo con la columna y la cimentación son los cables: tienen que seguir enteros.
En esta nota vamos a ver por qué la fuerza que sale del análisis sísmico no sirve para diseñar esos “cables”, cuál es la fuerza correcta, y un ejemplo con números redondos.
El problema con la fuerza reducida
En el análisis sísmico usual, la fuerza elástica se divide entre un factor . La idea es que la columna fluirá y disipará energía, así que no hace falta diseñarla para la fuerza completa. Con esa fuerza reducida se dimensiona la columna.
El problema es que la columna real casi siempre termina más fuerte de lo que pidió el análisis:
- muchas veces su acero lo define la cuantía mínima o el confinamiento, no la demanda;
- los materiales reales son más resistentes que los nominales;
- el acero, después de fluir, todavía gana algo de resistencia.
Cuando llega el sismo, la columna no entrega la fuerza de tu análisis: entrega lo que realmente puede resistir. Si el cabezal se diseñó con la fuerza reducida, el fusible es más fuerte que el cable, y el daño aparece donde no lo querías.
La fuerza correcta: la sobrerresistencia de la columna
La Guía Sísmica de AASHTO (§4.11.2) pide calcular el momento máximo probable de la columna:
es la resistencia de la columna con el acero que realmente tiene y con las propiedades esperadas de los materiales. cubre el endurecimiento del acero: 1.2 para acero A706 y 1.4 para A615. Caltrans usa la misma idea con .
Con ese momento también sale el cortante máximo que la columna puede transmitir. Si trabaja en doble curvatura:
Un ejemplo con números redondos
Un pórtico de dos columnas de 8 m, empotradas en la zapata y en el cabezal.
| Dato | Valor |
|---|---|
| Momento del análisis (sismo entre ) | ≈ 2 600 kN·m en cada extremo |
| Resistencia de la columna con su acero real, | ≈ 4 000 kN·m |
| Acero | A706 → |
En el nudo exterior, todo el momento de la columna pasa al cabezal. Entonces el cabezal tiene que resistir unos 4 800 kN·m de sismo en la cara del nudo, más la carga muerta, y no los 2 600 del análisis. Es casi el doble.
Qué más se diseña con este valor
- El cortante de la propia columna. Con , no con el cortante del análisis. Una falla por corte es frágil y no puede llegar antes que la rótula.
- El nudo entre cabezal y columna. Ahí se cruzan fuerzas grandes en poco espacio. Caltrans revisa sus esfuerzos y pide acero adicional cuando la tracción principal supera (en MPa).
- La cimentación. Recibe lo mismo que entrega la columna. Si la diseñas con el sismo entre , queda corta en un factor parecido a .
Primero decide dónde quieres el daño. Después diseña todo lo demás para lo que ese daño puede transmitir.
Contenido educativo y referencial. Las opiniones son mías y no representan a ningún empleador. Para un proyecto real manda el criterio del ingeniero responsable y la norma vigente.
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